第3章2无线传感器网络

内容提要 WSN研究历史什么是WSN特点WSN特点WSN研究方向WSN关键技术WSN应用 计算设备的演化历史 发展历程 一 二十世纪70年代 冷战时期的声音监测系统 SoundSurveillanceSystem SOSUS 空中预警与控制系统 AirborneWarningandControlSystem AWACS 1980年 DARPA的分布式传感器网络项目 DistributedSensorNetworks DSN 1994年 加州大学洛杉矶分校的WilliamJ Kaiser向DARPA提交建议书 LowPowerWirelessIntegratedMicrosensors 里程碑 二十世纪80年代至90年代之间 美国海军研制的协同交战能力系统 CooperativeEngagementCapability CEC 用于反潜的确定性分布系统 FixedDistributedSystem FDS 和高级配置系统 AdvancedDeploymentSystem ADS 以及远程战场传感器网络系统 RemoteBattlefieldSensorSystem REMBASS 和战术远程传感器系统 TacticalRemoteSensorSystem 等无人看管地面传感器网络系统 发展历程 二 1998年 Gregory J Pottie阐释了WSN的科学意义 DARPA巨资启动了SensIT项目 目标是实现 超视距 战场监测 1999年9月 商业周刊将其列位21世纪最重要的21项技术之一 橡树岭国家实验室 OakRidgeNationalLaboratory ORNL 提出了 网络就是传感器 NetworkisSensor 的论断 2001年1月 MIT技术评论 将WSN列于十种改变未来世界新兴技术之首 2003年8月 商业周刊 预测 WSN和其他三项信息技术将会在不远的将来掀起新的产业浪潮 2004年 IEEESpectrum 杂志发表一期专集 传感器的国度 论述WSN的发展和可能的广泛应用 我们国家未来20年预见技术的调查报告 信息领域157项技术课题中有7项与传感器网络直接相关 2006年初发布的 国家中长期科学与技术发展规划纲要 为信息技术确定了三个前沿方向 其中两个与WSN的研究直接相关 即智能感知技术和自组织网络技术 什么是传感器网络 WSN WirelessSensorNetworks基础微电子技术 嵌入式计算技术 现代网络及无线通信技术 分布式信息处理技术 传感器接近感知对象传感器仅产生数据流传感器无计算能力无传感器间通信能力 传统的感知方法 有线 无线连接 现代感知方法 SensingArea 传感器网络覆盖感知对象区域每个传感器完成其临近感知对象的观测多传感器协同完成感知区域的大观测任务使用多跳路由算法向用户报告观测结果 Sink Internet或通信卫星 Sensornetwork 无线传感器网络结构 WSN网络系统通常包括传感器节点 汇聚节点 大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近 能够通过自组织方式构成网络 经过多跳后路由到汇聚节点 传感器网络的实体 传感器节点功能 采集 处理 控制和通信等网络功能 兼顾节点和路由器资源受限 存储 计算 通信 能量Sink节点功能 连接传感器网络与Internet等外部网络 实现两种协议栈之间的通信协议转换 发布管理节点的监测任务 转发收集到的数据 特点 连续供电 功能强 数量少等 传感器网络与adhoc的不同 WSN结点数量更为庞大多数节点为静止节点分布更为密集能量约束结点更容易出错拓扑结构变化频繁 Adhoc几十至上百个节点局域网节点全移动结构变化 移动 能量可连续提供点到点通信 传感器网络的特点 大规模网络 地理区域大 部署密集提高信噪比 提高监测精度 增强容错性 减少盲区自组织网络 不确定性 拓扑结构变化资源受限 计算 存储 通讯 能量动态拓扑 节点故障 通讯故障 移动性 节点加入可靠网络 适应环境条件 鲁棒性 容错性应用相关 没有统一的通信协议平台以数据为中心 感知能力 计算能力 通信能力体积小能耗小由四部分组成 现代微型传感器 传感器节点 传感器模块 信息采集 数据转换处理器模块 控制 数据处理 网络协议无线通讯模块 无线通信 交换控制信息和收发采集数据能量供应模块 提供能量 电源能量有限 通信能力有限 计算和存储能力有限 WSN协议体系结构 无线传感器网络体系结构由分层的网络通信协议 传感器网络管理以及应用支撑技术3个部分组成 四 传感器网络的关键技术 通信能力有限节点通信覆盖范围只有几十到几百米 关键之一如何在有限的通信能力条件下 完成探测数据的传输 无线通信技术是第一项关键技术 电源能量有限通常电池供电 工作环境恶劣 一次部署终生使用 更换电池困难 关键之二如何节省电源 最大化网络的使用寿命 低功耗设计问题是第二项关键技术 计算能力有限节点体积小 处理器和存储器性能有限 不允许进行复杂算法的运算 关键之三嵌入式操作系统设计是第三项关键技术 自组织的动态网络传感器网络没有基站节点失效 新节点加入 导致网络拓扑结构的动态性 需要自动愈合 关键之四多跳自组织的网络路由是第四项关键技术 传感器网络是以数据为中心的网络用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件 关键之五如何建立以数据为中心的传感器网络 传感器网络的第五项关键技术是数据融合方法 网络攻击无处不在传感器节点的物理操纵传感信息的窃听拒绝服务攻击私有信息的泄露 关键之六安全性是传感网络设计的重要问题 如何保护机密数据和防御网络攻击是第六项关键技术 WSN的应用 SensorNetworks BattlefieldMonitoring HabitatMonitoring EarthquakeMonitoring Oceanographiccurrentmonitoring TrafficCongestionDetection TargetTracking Detection IntrusionDetection Videosurveillance 大鸭岛海燕监测 项目开始时间 2002年参与者 英特尔研究实验室和加州大学伯克利分校 大鸭岛WSN的结构 网络节点是 自治 的 mote构成了多跳的网络 每个网管mote节点利用外向天线将数据转发到基站 基站 350英尺外的一台笔记本计算机对数据进行存储并转发到Internet 冰河监测 利用WSN监测冰河的变化情况 目的在于通过分析冰河环境的变化来推断地球气候的变化 网络节点埋在冰床下 深浅不同 冰面上作为簇头的节点通过GSM链路将监测数据传回基站 本项目一个技术难点是如何在水中和冰里提供可靠的无线通信支持 桥梁监测 电子牧场 医疗监测系统CodeBlue 项目开始时间 2003年参与者 哈佛大学http www eecs harvard edu mdw proj codeblue 火山观测 项目开始时间 2005年参与者 哈佛大学http www eecs harvard edu mdw proj 智能家居 太空探测 GreenOrbs绿野千传 项目开始时间 2009年杭州天目山http greenorbs org 超过1000个节点 300多个 工作在1年以上 矿井监测 海洋生态环境监测 项目开始时间 2008年黄海海域100多个节点 WirelessMultimediaSensorNetworks BodyArea SensorNetworks 是附着在人体身上的一种网络 由一套小巧可移动 具有通信功能的传感器和一个身体主站 或称BAN协调器 组成 每一传感器既可佩戴在身上 也可植入体内 协