《无线传感器网络》PPT课件

1,第五章无线传感器网络,世界上许多国家已将目光转向信息技术的前端信息获取与处理的研究和发展上，提出下一代因特网和智能环境的建设，以强化信息获取和智能信息处理。无线传感器网络集传感、无线通信与网络、嵌入式计算、微机电系统、分布式信息处理与数据融合等技术于一体。,2,1传感器网络体系结构,传感器网络系统一般包括传感器结点、汇聚结点(或称基站)和管理结点，如图所示。,3,2传感器结点体系结构,传感器结点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图所示。,4,3无线传感器网络的特点,（1）无线传感器网络具有大量而密集的结点分布特征，且网络规模可变化，不固定；（2）一般分布于恶劣环境、无人区域或敌方阵地，无人参与值守，传感器结点的物理安全不能保证。（3）网络拓扑变化频繁。由于结点能量有限，结点易出故障，导致无线传感器网络拓扑信息变化快速。（4）网络结点间自组织通信。传感器结点是自主的、自治的，结点之间的通信方式不同于传统无线网络的中心控制通信模式。,5,3无线传感器网络的特点,（5）以数据为中心。在无线传感器网络中，结点没有IP地址，是以数据为中心的网络，它关心的是数据本身，如事件、时间和地点，而并不关注数据是由哪个结点采集。（6）与应用相关。无线传感器网络系统与应用密切相关，不同的应用背景，无线传感器网络的设计具有差别，甚至完全不同。（7）网络具备容错能力。传感器结点所处的环境通常是恶劣的(如噪声多、风吹雨淋)，导致结点易受干扰，易出错。这要求无线传感器网络应具有容错能力才会有应用前景。,6,3无线传感器网络的特点,（8）资源有限。无线传感器网络的资源有限主要表现在以下几个方面。1)电源能量受限2)计算能力有限3)通信能力有限4)存储空间有限,7,4无线传感器网络信息获取关键技术,无线传感器网络因其体积小、成本低以及强大的信息获取功能使其在环境数据采集、安全监控以及目标跟踪等方面有广阔的应用空间。无线传感器网络应用系统的核心在于获取物理世界有价值的信息。包括数据的收集、数据管理、数据通信以及数据的处理，并最终向用户提供所需要的信息。,8,(1)信息获取体系结构,无线传感器网络信息获取体系结构分为物理层、功能层及应用层，每个层次又分为不同的阶段，如图所示。,9,1)数据获取,无线传感器网络应用系统所需的数据需要从物理世界中获取。这些获取的数据可能是海量的流数据，数据之间存在时空关联性，并且，伴有噪声信号、数据丢失和数据错误等。主要任务就是决定在什么时间、什么地点、以什么频率来进行数据采样。,10,2)数据通信,数据通信阶段就是要采用简单、高效的数据路由算法和相应的协议来将获取的物理环境的数据及时、准确地传送给用户。,11,3)数据处理,数据处理就是指如何简单、有效地表达用户的信息需求；如何根据这些需求来处理相关的数据以获得用户所需的信息等。,12,(2)信息获取的计算模式,计算模式基本上有2种：集中式和分布式。集中式计算是指将各个结点所获取的数据传送到一个集中的位置进行相应的处理，集中式计算模式适合于网络规模较小、获取的数据量较少的情形；分布式计算是指各个结点在获取信息的同时，具有对信息的初步处理能力。分布式包含分布式对象系统、分布式数据库及移动代理等。,13,1)分布式对象系统,分布式对象系统就是将无线传感器网络中的结点看做大规模的分布式对象。SINA是一种较有影响的分布式对象信息处理方法。每个结点运行SINA执行环境(SEE)，作为结点的抽象对象，它是SINA体系结构的核心。SEE提供一系列配置和通信原语来加强结点对象之间的可扩展性、鲁棒性以及电源有效的组织和交互。系统采用统一语言来查询和调度整个无线传感器网络系统，即传感器查询和调度语言。,14,2)分布式数据库,由于结点的分布性，可以采用分布式数据库系统的数据存储以及查询技术来进行无线传感器网络数据的存储和信息处理。基本思想是：用户提交一个用户查询，查询优化器将这种查询需求进行分解，形成适合无线传感器网络中各个结点进行网络化处理的有效的查询计划，从而节省电源能量，提高系统的生命周期。,15,3)移动代理,在传统的分布式无线传感器网络中，数据是由单个的结点搜集，然后，将其传送给上一级的处理单元来进行处理。这样，网络中将会有大量的数据在移动，从而会消耗大量的电源。移动代理是将数据驻留在获取它的结点上，而让代表用户信息需求的一段代码(代理、计算引擎)在网络中传播来处理相应的数据，并将最终的信息返回给用户，这样就可以减少网络的带宽使用。,16,（3）网络通信的关键问题,无线传感器网络资源有限的一个突出方面表现在电源和通信带宽上。无线传感器网络通信协议，主要有三类：扁平路由、层次路由以及基于位置的路由。扁平路由是指网络中各个结点具有相同的作用；层次路由是指网络中的结点承担不同的作用，呈现出一定的层次结构；基于位置的路由则与传感器结点的位置相关联，具有位置敏感性。,17,1)面向应用和以数据为中心,无线传感器网络中的数据通信是以数据为中心的，而且是面向应用的。由于无线传感器网络系统具有大量的结点，很难给这些结点分配全局的标识符，一个可行的方案就是利用结点产生的数据来标识结点，这就是以数据为中心的思想。所谓以数据为中心，就是相对于以地址为中心的方法而言，它更多地关心通信的数据内容，而不是数据的来源；关心数据融合过滤后得到的信息，而不是高冗余的原始数据。,18,为了减少在网络中的数据传输量、延长系统的生命周期，必须在数据通信的过程中进行面向应用的数据处理。这种数据处理必须根据系统用户的应用需求才能切实有效地进行，因为必须根据用户的信息需求才能决定哪些原始数据有用，哪些没用。也就是说，无线传感器网络的通信方式是面向应用的，必须在数据通信的同时考虑用户的需求，在数据路由的同时进行面向应用的数据处理，这与传统的通信方式是不同的。,19,2)局部计算,由于无线传感器网络结点数量的大量性以及电源、计算能力和存储能力的有限性，不可能在通信机制中存在像因特网那样的全局路由信息及全局的预发路由。这样，在无线传感器网络中，只能采用局部计算模式来进行数据的通信，即通信机制不需要知道整个网络的结构，只根据当前结点周围局部结点的属性来决定数据的路由路径。由于局部计算只关心某一范围内结点的信息，而不关心整个网络的信息，所以，系统中结点的加入或离开不会对系统的性能造成大的影响，从而提高系统的可扩展性。,20,3)结点定位,在基于位置的路由算法中，需要知道结点的物理位置，这就需要结点定位技术。结点的定位主要有2种方法：一种是绝对定位；另外一种是相对定位。绝对定位就是通过某种手段来确定结点的绝对物理位置。相对定位就是通过结点之间的相对距离来确定结点的物理位置。,21,3)结点定位（续）,在无线传感器网络系统中，基础网络通信设施(基站或者簇头结点)的位置是已知的，将系统中的所有其他结点与其相邻的基础设施结点比较来确定结点的绝对位置。有了局部计算机制以及结点的物理位置，就可以利用结点的物理位置来进行数据路由。,22,4）时钟同步,时钟同步是任何分布式系统的基本需求。在无线传感器网络系统中，数据集成、TDMA介质访问、调度等，都需要时钟同步的支持。一般来讲，时钟同步的精度要求越高，所消耗的资源(计算、通信以及电源等)就越多；而无线传感器网络受到严重的资源约束，因此，不可能提供很高精度的时钟同步功能。,23,5.无线传感器网络的应用,（1）军事应用无线传感器网络起源于军事应用，由于其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，是战场无线数据通信的首选技术，是军队在敌对区域中获取情报的重要技术手段。如可以通过飞机空投等方式在预定区域散布大量微型廉价的传感器结点，通过这些传感器结点实时监测周围环境的变化，并将监测到的数据通过卫星信道等方式发送回基地。这样就可以方便地监控我军布防的阵地是否有敌军入侵，也可以将网络布置在敌方阵地上，以隐秘的方式监控敌方阵地和敌军活动情况。,24,（2）紧急和临时场合,在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络设施(如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站以及微波接力站等)可能被全部摧毁或无法正常工作，对于抢险救灾来说，这时就需要无线传感器网络这种不依赖任何固定网络设施、能快速布设的自组织网络技术。边远或偏僻野外地区、植被不能破坏的自然保护区，无法采用固定或预设的网络设施进行通信，也可以采用无线传感器网络来进行信号采集与处理。无线传感器网络的快速展开和自组织特点，是这些场合通信的最佳选择。,25,（3）大型设备的监控,在一些大型