传感网技术概论重点.ppt

传感网技术 物联网关键技术深圳市讯方通信技术有限公司2011 06 什么是传感器网络 把传感器采集的数据通过网络 有线 无线 把数据传输至采集中心的一种技术 简称传感网 传感网构成 1 数据采集节点 传感器节点 数据采集2 传输网络数据传输 有线 无线 其它 3 数据中心数据收集 数据保存网络管理 节点管理 网络维护等 传感网构成 根据传感器网络大小 可以增加如下功能构架 聚合节点路由器节点网关监控终端 数据采集节点 通过传感器 或其它数据采集设备 如摄像头 RFID等 采集所需数据 同时需要具有一定处理能力 并能把数据传输出去 成本低廉 重量轻 低功耗 体积小 数据采集节点 数据采集数据传输能源管理数据处理数据存储 可选 定位 可选 数据采集节点 数据采集节点也称传感器节点 在不同应用中 传感器节点的组成不尽相同 但一般都由数据采集 数据处理 数据传输和电源这4部分组成 根据具体应用需求 还可能会有定位系统以确定传感节点的位置 有移动单元使得传感器可以在待监测地域中移动 或具有供电装置以从环境中获得必要的能源 此外 还必须有一些应用相关部分 例如 某些传感器节点有可能在深海或者海底 也有可能出现在化学污染或生物污染的地方 这就需要在传感器节点的设计上采用一些特殊的防护措施 数据中心 传感器网络中 各个分布的节点通过监测周围环境不断产生大量的感知数据 而传感器节点一般比较简单 存在存储能力低 能量受限等特点 如何存储 传输和访问这些数据 是传感器网络应用关键 数据中心 传感器网络中传感器节点采集数据通过网络传输到数据中心进行数据管理 主要包括对感知数据的获取 存储 查询 挖掘和操作 目的就是把传感器网络上数据逻辑视图和网络物理实现分离开来 使用户和应用程序只需关心查询逻辑结构 而无需关心传感器网络实现细节 数据中心 传输网络 传感器节点采集所需数据后需要通过传输网络把数据传送至数据管理中心 这个传输网络可以是有线或无线网络 如以太网 GPRS ZigBee无线网络等 无线网络 无线网络技术涵盖的范围很广 广义而言即通过无线信号进行数据传输的网络 无线信号包括 射频信号 红外线等 传输数据包括 文字 信号 图片 语音等 无线传感器网络 由于无线传感器网络所具有独特的优点使更适合传感器网络应用要求 因此现在大部传感器网络研究都集中在无线传感器网络中 无线传感器网络 wirelesssensornetworkWSN 就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成 通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统 其目的是协作地感知 采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息 并发送给数据中心 WSN特征 1 大规模网络为了获取精确信息 在监测区域通常部署大量传感器节点 传感器节点数量多达成千上万 甚至更多 通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比 通过分布式处理大量采集的信息能够提高监测的精确度 降低对单个节点传感器的精度要求 大量冗余节点的存在 使得系统具有很强的容错性能 大量节点能够增大覆盖的监测区域 减少者盲区 WSN特征 2 自组织网络在无线传感器网络应用中 通常情况下传感器节点被放置在没有基础设施的地方 传感器节点的位置不能预先精确设定 节点之间的相互邻居关系也不能预先知道 如通过飞机撒播大量传感器节点到面积广阔的原始森林中 或随意放置到人不可到达或危险的区域 这样就要求传感器节点具有自组织的能力 能够自动进行配置和管理 通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统 WSN特征 3 多跳路由网络中节点通信距离有限 一般在几十到几百米范围内 节点只能与它的邻居直接通信 如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信 则需要通过中间节点进行路由 匿定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现 而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的 没有专门的路由设备 这样每个节点既可以是信息的发起者 也可以是信息的转发者 WSN特征 4 动态性网络无线传感器网络是一个动态的网络 节点可以随处移动 一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障 退出网络运行 一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中 无线传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变 环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效 环境条件变化可能造成无线通信链路的带宽变化 甚至时断时通 无线传感器网络的传感器 感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性 新节点的加入 WSN特征 5 以数据为中心的网络传感器网络是一个任务型的网络 脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义 网络在获得指定事件的信息后汇报给用户 这种以数据本身作为查询或者传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯 所以通常说传感器是一个以数据为中心的网络 例如 在应用于目标跟踪的传感器网络中 跟踪目标可能出现在任何地方 对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间 并不关心哪个节点监测到了目标 事实上 在目标移动的过程中 必然是由不同的节点提供目标的位置信息 WSN特征 6 应用相关的网络传感器用来感知客观物理世界 获取物理世界的信息量 客观世界的物理量多种多样 不可穷尽 不同的传感器应用关心不同的物理量 因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求 不同的应用背景对传感器网络的要求不同 其硬件平台 软件系统和网络协议必然会有很大差异 所以传感器网络不能像Internet一样 有统一的通信协议平台 针对每一个具体应用来研究传感器网络技术 这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征 传感网应用 传感器网络在军事 农业 环境监测 医疗卫生 工业 智能交通 建筑物监测 空间探索等领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值 被认为是未来改变世界的十大技术之一 全球未来四大高技术产业之一 火山监测 健康医疗 智能家庭 Broadband 建筑监测 文物保护 农作物监控 智能交通 传感网发展概况 第一代传感器网络出现在20世纪70年代 使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器 采用点对点传输 连接传感控制器构成传感器网络 传感网发展概况 第二代传感器网络 具有获取多种信息信号的综合能力 采用串 并接口 如RS 232 RS 485 与传感控制器相联 构成有综合多种信息的传感器网络 第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和本世纪初 用具有智能获取多种信息信号的传感器 采用现场总线连接传感控制器 构成局域网络 成为智能化传感器网络 传感网发展概况 第四代传感器网络正在研究开发 目前成形并大量投入使用的产品还没有出现 用大量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器 采用自组织无线接入网络 与传感器网络控制器连接 构成无线传感网 WSN发展 总体来讲无线传感网思想起源于20世纪70年代 1978年DARPA在卡耐基 梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组 1980年DARPA的分布式传感器网络项目 DSN 开启了传感器网络研究的先河 20世纪80 90年代 研究主要在军事领域 成为网络中心战的关键技术 拉开了无线传感网研究的序幕 20世纪90年代中后期 无线传感网引起了学术界 军界和工业界的广泛关注 发端了现代意义的无线传感网技术 国内WSN发展 首次正式启动出现于1999年中国科学院 知识创新工程点领域方向研究 的 信息与自动化领域研究报告 中 2001年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心 旨在引领中科院WSN的相关工作 2004年将一项无线传感网项目 面上传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论 列为重点研究项目 2005年将网络传感器中的基础理论和关键技术列入计划 2006年将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究 国家发改委下一代互联网 CNGI 示范工程中 也部署了WSN相关的课题 国内WSN发展 在一份我国未来20年预见技术的调查报告中 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 为信息技术定义了三个前言方向 其中两个与无线传感网研究直接相关 即智能感知技术和自组织网络技术 我国2010年远景规划和 十五 计划中将WSN列为重点发展的产业之一 国外WSN发展 美国军方最先开始无线传感网技术的研究 开展了包括有CEC REMBASS TRSS SensorIT WINS SmartDust SeaWeb AMPS NEST等研究项目 美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元 帮助大学进行无线传感网技术的研发 美国国家自然基金委员会 NSF 也开设了大量与其相关的项目 NSF于2003年制定WSN研究计划 每年拨款3400万美元支持相关研究项目 并在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心 2005年对网络技术和系统的研究计划中 主要研究下一代高可靠 安全的可扩展的网络 可编程的无线网络及传感器系统的网络特性 资助金额达到4000万美元 此外 美国交通部 能源部 美国国家航空航天局也相继启动了相关的研究项目 国外WSN发展 美国所有著名院校几乎都有研究小组在从事WSN相关技术的研究 加拿大 英国 德国 芬兰 日本和意大利等国家的研究机构也加入了WSN的研究 加州大学洛杉矶分校 加州大学伯克利分校 麻省理工学院 康奈尔大学 哈佛大学 卡耐基 梅隆大学等在WSN研究领域成绩较为突出 国际相关学术会议对WSN的研讨增多 检索论文数目逐年以较大幅度增加 国外WSN发展 加拿大 英国 德国 芬兰 日本和意大利等国家的研究机构也加入了WSN研究 欧盟第6个框架计划将 信息社会技术 作为优先