电子科大 无线传感器网络课件 wsn_chapter_1_概述

无线传感器网络黄乐天,上课时间：周三1、2节（立人楼B109）email:huangltTel:61831105（O）Office:科研楼B224(B)-实验地点：科B237（待定）-课程考核方式：平时考核（15%）、期末考试（60%）和实验考核（25%）,CourseOverview,Textbook:“WirelessSensorNetworks无线传感器网络，LanF.Akyildiz,MehmetCanVuran编，徐平平，刘昊，褚宏云等译，电子工业出版社，第1版，2013年3月。,参考书及预备知识,Referencebooks1无线传感器网络原理与应用，姚向华、杨新宇、易劲刚、韩九强，高等教育出版社，第1版，2012年4月。2.智能网络传感器与无线传感器网络，景博、张劼、孙勇，国防工业出版社，第1版，2011年1月。3物联网/无线传感网原理与实践，贾灵、王新宇、郑淑军，北京航空航天大学出版社，第1版，2011年1月。Prerequisiteknowledgeand/orskills计算机通信网，微机原理，传感原理与信息感知技术,WSN是一门交叉学科，涉及计算机、微电子、网络、通信、信号处理、传感器等诸多领域,随着现代微电子技术、微机电系统（MEMS)、片上系统soc、纳米材料、无线通信技术、信号处理技术、计算机网络技术等的进步以及互联网的迅猛发展传统传感器信息获取技术从独立的单一化模式向集成化、微型化，智能化、网络化方向发展，成为信息获取最重要和最基本的技术之一。,无线传感器网络涉及这么多知识、技术。需要哪些基础？达到什么目标？需要掌握哪些重点？,WSN的定义（维基百科）,无线传感器网络是由许多在空间中分布的自动装置组成的一种无线通信计算机网络，这些装置使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况（比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物）。无线传感器网络的发展最初起源于战场监测等军事应用。而现今无线传感器网络被应用于很多民用领域，如环境与生态监测、健康监护、家居自动化以及交通控制等。,起源于军事目的的无线传感器网络在民用化过程中会出现哪些问题？对其后续发展带来什么影响？,WSN的特征,大规模为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，可能达到成千上万，甚至更多。自组织在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方，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预先也不知道。动态性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故障或失效；环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；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。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。,WSN的特征,可靠性由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。以数据为中心用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。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传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。集成化传感器节点的功耗低，体积小，价格便宜，实现了集成化。,以上哪些特征是“普世化”的，哪些特征只针对特定的应用场景。,VWSN的特征,可靠性由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。以数据为中心用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。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传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。集成化传感器节点的功耗低，体积小，价格便宜，实现了集成化。,以上哪些特征是“普世化”的，哪些特征只针对特定的应用场景。,网络体系结构,从无线联网的角度来看，传感器网络节点的体系由分层的网络通信协议、网络管理平台和应用支撑平台三个部分。,无线传感器网络协议,网络通信协议类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系，它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。各层内容将在后续章节依次介绍讨论。,Contents,第1章概述-4学时chap1、2第2章传感器与执行器-2学时chap14第3章传感器网络设计影响因素-2学时chap3第4章物理层-4学时chap4第5章介质访问控制-6学时chap5第6章差错控制-2学时chap6第7章网络层-4学时chap7实验基础类实验-8学时实验指导书自学第8，9，10章了解第13，15，16，17，18章,Chapter1:Introduction,什么是无线传感器网络？,巨型机说：“我认为全球大概只需要五台计算机就够了”；PC机说：“每个家庭的桌面上都应该有一台电脑”；PocketPC说：“太大了，应该每人口袋里放一台”；WSN说：“每粒沙子都应该是一台计算机”。,Internet、卫星或移动通信网络等,汇聚节点,监测区域,传感器节点,什么是无线传感器网络,WSN是一种分布式网络系统，采用无线多跳的通信方式，其网络拓扑结构动态变化，具有自组织、自控制以及自适应等智能属性。由传感器节点、感知对象和观察者三个基本要素组成。,Sink,传感器节点,Internet、卫星或移动通信网,WSN体系结构,终端用户,检测区域,SensorTypes,LightThermopileUltravioletIRVisibleLightColorsensorsMagneticSoundUltrasoundAccelerometerTemperaturePressureHumidityTouchsensors,回顾微机原理或嵌入式系统内容理解无线传感器节点系统平台结构和组成，工作原理及应用无线传感器网络都是以此为基础,SmallLowpowerLowbitrateHighdensityLowcost(dispensable)AutonomousAdaptive,传感器节点硬件,各种节点系统平台,传感器节点的具体产品,SensorNodeHardware,TwomaincomponentsBase(Processor+Transceiver)SensorBoardBase+SensorBoard(s)=SensorNode,SensorNodeFeatures,SensorMotesTimeline,RockwellWINS,SmartDust,JPLSensorWebs,Dust,ExamplesforSensorNodes,MICAMote,ReneMote,weCMote,DotMote,ExamplesforSensorNodes,CurrentPlatforms:1stGeneration,Mica2DOT(2003)16KbprogrammemRFMTR1000(CSMA/ASK)LightweightandsmallMica2Mica2andMicaZuseEEPROM;StargateusesSDRAMImote2willhavedifferentversions,SRAMchangesaccordingly,SENSORNODEFEATURESCommunicationandPower,WithexternalBluetoothadapterWithexternalWLANadapterDifferentsleeplevels,MICAzPlatform,Microprocessor:AtmelATmega128L7.3728MHzclock128kBofFlashforprogrammemory4kBofSRAMfordataandvariables2UARTs(UniversalAsynchronousReceiveandTransmit)SerialPortInterface(SPI)busDedicatedhardwareI2CbusRadio:ChipconsCC2420(IEEE802.15.4)250kbit/sExternalserialflashmemory:512Kbxbowestimates100000samples51-pinexpansionconnectorEight10-bitanalogI/O21generalpurposedigitalI/OUserinterface:3programmableLEDsPoweredbytwoAAbatteries1850mAhcapacity,LoggerFlash,ATMega128LcontrollerAnalogI/ODigitalI/O,Freq.TunableRadio,51-PinExpansionConnector,Antenna,MMCXconnector,LEDs,TelosPlatform,RobustUSBinterfaceIntegratedantenna(30m-125m)Externalantennacapability(500m)HighPerformance10kBRAM,48KBROM12-bitADCandDAC(200ksamples/sec)Hardwarelink-layerencryption,TelosPlatform,SingleboardphilosophyRobustness,Easeofuse,LowerCostIntegratedHumidity125moutdoorranges,SunSPOTPlatform,Microprocessor:32bitARM920Tcore180MHzclock512kBofFlashforprogrammemory4MBofFlashfordataUSBConnectionRadio:ChipconsCC2420(IEEE802.15.4)250kbit/s3.7Vrechargeable720mAhlithium-ionbatterySoftware:SquawkVMFullycapableJ2MECLDC1.1JavaVMwithOSfunctionalityVMexecutesdirectlyoutofflashmemoryDevicedriversinJavaAutomaticbatterymanagement,实验平台,无线传感器网络的通信标准,传感器网络中的应用一般不需要很高的信道带宽，却要求具有较低的传输延时和极低的功率消耗，使用户能在有限的电池寿命内完成任务IEEE802.15.4标准把低功耗、低成本作为主要目标，为传感器网络提供了一种互连互通的平台，各大射频芯片厂商也陆续推出支持该标准的无线收发芯片ZigBee、无线HART和6LoWPAN等无线传感器网络标准或规范均是基于IEEE802.15.4-2006低速率无线个域网标准。,无线网络标准,The802.15.4/Zigbeesandbox,WirelessTechnologiesCompared,ZigBee联盟简介,ZigBee联盟组成成立于2001年9月成员为半导体厂商、无线IP供应商、OEM厂商及终端用户拥有150个成员，包括飞思卡尔、菲利普、三菱、三星、IBM及华为等ZigBee联盟的宗旨在一个开放式全球标准的基础上使稳定的、低成本的、低功耗的、无线联网的监控和控制产品成为可能,ZigBee标准,ZigBee来源于蜜蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式。蜜蜂通过跳ZigZig形状的舞蹈传递新发现的食物源的位置、距离与方向等信息ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。ZigBee联盟在制定ZigBee标准时，采用了IEEE802.15.4作为其物理层和媒体接入层规范。在其基础之上，ZigBee联盟制定了数据链路层（DLL)网络层（NWK）和应用编程接口API规范，并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作ZigBee技术将主要嵌人在消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备，支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域中的应用，同时还支持地理定位功能,ZigBeee.g.Lightswitch,infraredsensor38primitives,FullFunctionDevice(FFD)AnytopologyNetworkcoordinatorcapableTalkstoanyotherdevice3modes:PANCoordinator,Coordinator,Device49primitives(14PHY+35MAC)(1/3ofBluetooth),IEEE802.15.4Topologies,Star,PANCoordinator,802.15.4Topology：Peer-PeerTopologyCombinedTopology,Fullfunctiondevice,Reducedfunctiondevice,Clusteredstars-forexample,clusternodesexistbetweenroomsofahotelandeachroomhasastarnetworkforcontrol.,Pointtopoint,NetworkPiecesPANCoordinator,PANCoordinator“owns”thenetworkStartsitAllowsotherdevicestojoinitProvidesbindingandaddress-tableservicesSavesmessagesuntiltheycanbedeliveredAndmorecouldalsohavei/ocapabilityA“full-functiondevice”FFDMainspowered,NetworkPieces-Router,RoutersRoutesmessagesDoesnotownorstartnetworkScanstofindanetworktojoinGivenablockofaddressestoassignA“full-functiondevice”FFDMainspowereddependingontopologyCouldalsohavei/ocapability,NetworkPiecesEndDevice,EndDeviceCommunicateswithasingledeviceDoesnotownorstartnetworkScanstofindanetworktojoinCanbeanFFDorRFD(reducedfunctiondevice)Usuallybatterypowered,物理层信道分配和调制方式,注：*项为可选项目，系802.15.4-2006新增内容,IEEE802.15.4PHY-OperatingFrequencyBands,868MHz/915MHzPHY,The2.4GHzISMband,802.11DSSS,IEEE802.15.4PHY帧格式,PHY负载,物理帧头(PHR),同步头(SHR),PSDU,Reserved(1比特),Framelength(7比特),SFD,前导码（preamble）,可变,1字节,1字节,Ocets:4字节,SFD，Start-of-FrameDelimiterPSDU，PHYServiceDataUnit,IEEE802.15.4MAC帧格式,帧头MHR，MACHeader：包括帧控制域，帧序列号，地址和用于加解密的附加安全头部帧尾MFR，MACFooter：16位CRC校验码,802.15.4：GeneralFrameStructure,4TypesofMACFrames:BeaconFrameDataFrameAcknowledgmentFrameMACCommandFrame,无线HART,无线HART（WirelessHART）标准是HART通讯协议的扩展，专为如过程监视和控制等工业环境应用所设计。IEC6259（Ed.1.0）是国际电工委员会于2010年4月批准发布的完全国际化的无线HART标准，是过程自动化领域的第一个无线传感器网络国际标准。图示网络有5种组件,6LoWPAN,IEEE于2004年11月成立了一个6Lowpan（IPv6overIEEE802154或IPv6overLRPAN）工作组，专门致力于如何实现IPv6数据包在IEEE802.15.4上的传输，研究基于1Pv6overIEEE与无线传感器网络协议相关的通信标准6LoWPAN是“IPv6overLowpowerWirelessPersonalAreaNetworks”（低功率无线个域网上的IPv6）缩写属IETF（因特网工程任务组）中的一个工作组，负责制订基于IEEE802.15.4标准个域网上IPv6传输的通讯技术标准。现已发布了RFC4944基础性的技术规范。,6LowPan草案,6Lowpan是IPv6overLowPowerwirelessPersonalAreaNetwork的缩写，该草案的目标是制订如何在Lowpan上传输IPv6报文。当前Lowpan采用的开放协议主要指IEEE802.15.4MAC层标准,在上层并没有一个真正开放的标准支持路由等功能。由于IPv6是下一代互联网标准，在技术上均趋于成熟，并且在Lowpan上采用IPv6协议可以与现有网络实现无缝连接，因此IETF成立了专门的工作组制定如何在802.15.4协议上发送和接收IPv6报文等相关技术标准,Overview,6LoWPANisanacronymofIPv6overLowpowerWirelessPersonalAreaNetworks.Asimplelowthroughputwirelessnetworkcomprisingtypicallylowcostandlowpowerdevices.Commontopologiesincludestar,mesh,andcombinationsofstarandmesh.ThePhyandMAClayersconformtoIEEE802.15.4-2003standard,6LoWPANCharacteristics,Smallpacketsize(127Byte)16-bitshortorIEEE64-bitextendedmediaaccesscontroladdressesLowbandwidth.(250kbps)Lowpower,typicallybatteryoperatedRelativelylowcost,6LoWPAN,TheWorkingGroupwillgeneratethenecessarydocumentstoensureinteroperableimplementationsof6LoWPANnetworksandwilldefinethenecessarysecurityandmanagementprotocolsandconstructsforbuilding6LoWPANnetworks.6lowpanwillworkcloselywiththeRoutingOverLowpowerandLossynetworks(roll)workinggroupwhichisdevelopingIPv6routingsolutionsforlowpowerandlossynetworks(LLNs).,ROLL,ROLL:definingtheroutingsolutionwithintheLLN(LowpowerandLossyNetwork).,DescriptionofWorkingGroup,LowpowerandLossynetworks(LLNs)aremadeupofmanyembeddeddeviceswithlimitedpower,memory,andprocessingresources.Theyareinterconnectedbyavarietyoflinks,suchasIEEE802.15.4,Bluetooth,LowPowerWiFi,wiredorotherlowpowerPLC(PowerlineCommunication)links.LLNsaretransitioningtoanend-to-endIP-basedsolutiontoavoidtheproblemofnon-interoperablenetworksinterconnectedbyprotocoltranslationgatewaysandproxies.,Problem,NomethodexiststomakeIPrunoverIEEE802.15.4networksStackingIPandabovelayers“asis”maynotfitwithinone802.15.4frameIPv640octets,TCP20octets,UDP8octets+otherlayers(security,routing,etc)leavingfewbytesfordataNotalladhocrouting