无线传感器网络简述

1,无线传感器网络综述,2,目录,1.,无线传感器网络概述,2.,无线传感器网络协议栈,3.,无线传感器网络应用支持技术,4.,无线传感器网络软件技术,5.,特殊的无线传感器网络,6.,参考资料,3,概念,无线传感器网络概述,无线传感器网络（WirelessSensorNetwork,WSN）是部署在监测区域内大量的、由成本低廉的微型传感器节点组成的、通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络体系，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观察者或者用户。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。,4,发展背景,微机电系统(MEMS)数字电子技术(DigitalElectronicTechnology)无线射频(RF)通信技术,无线传感器的发展主要得益于以下三种技术的高速发展：,无线传感器网络概述,5,典型的无线传感器网络,无线传感器网络概述,典型的无线传感器网络,6,无线传感器网络传感器硬件组成,无线传感器网络概述,典型的无线传感器网络,7,无线传感器网络概述,无线传感器网络的特点,节点资源有限性大规模性且具有自适应性无中心和自组织网络动态性强以数据为中心的网络应用相关性,8,无线传感器网络概述,发展历史,第一阶段：最早可以追溯至越战时期使用的传统的传感器系统。美军在“胡志明小道”部署2万多的“热带树”传感器，用于侦测越共的补给车队。“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线。第二阶段：二十世纪70年代末初至90年代末之间。美国国防部高级研究计划局(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，DARPA)于1978年开始资助卡内基梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线传感器网络的雏形。这种分布式传感网络系统能够实现多兵种协同作战、远程战场自动感知等。无线传感器在传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本。,9,无线传感器网络概述,发展历史,第三阶段：现在的无线传感网络阶段。这个阶段从21世纪开始至今，并还在不断的发展和完善。无线传感网络将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互连，把感知触角深入世界各个角落，大大加强了物联网获取目标信息的能力。无线传感网络除了应用于反恐活动，在其他商业领域更是获得了长足的发展，所以2002年美国国家重点实验室-橡树岭实验室(OakRidgeNationalLaboratory)提出了”网络就是传感器”的论断。,10,无线传感器网络概述,应用领域,军事上的应用传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合军事上的应用。通过飞机或炮弹直接将传感器节点播撒到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感网络，就能隐蔽而且近距离的准确收集战场信息。传感器网络已经成为美军事C4ISRT系统必不可少的一部分。,注：C4ISRT（command,control,communication,computing,intelligence,surveillance,reconnaissanceandtargeting）,11,无线传感器网络概述,应用领域,枪声定位系统,军事上的应用,12,无线传感器网络概述,应用领域,环境观测和预报系统可以用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的生活环境状况和大面积的地表监测、气象和地理研究、洪水监测等。例：ALERT系统中就有用于监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。,13,无线传感器网络概述,应用领域,医疗护理用于收集人体的各种生理数据、跟踪和监控医院内患者的行动、管理医院的药物等。例：一个可以成像的特殊发送器芯片与精巧设计的超低功率无线技术结合，就可以实现可用于一个胃肠道诊断的微型吞服摄像胶囊。患者吞下维C片大小的成像胶囊后，胶囊经过食道、胃和小肠时就可将图象广播出来。胶囊由一个摄象机、LED、电池、特制芯片和天线组成。（如图）,14,无线传感器网络概述,应用领域,智能家居在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连在一起。为用户提供个性化的家居环境。例：Avaak提供一个只有1立方英寸大小的自治产品。这个微型的无线视频平台包含有一节电池、无线电、摄像相机(彩色成像器加镜头)、控制器、天线和温度传感器。,15,无线传感器网络概述,应用领域,建筑物状态监控利用传感器网络监控建筑物的安全状态。例：Microstrain在佛蒙特州的一座桥梁上安装了一套该公司研制的系统，将位移传感器安装在钢梁上用来测量静态和动态应力，并通过无线网络来采集数据。该无线系统可以保留在桥梁上，用于长期监测桥梁是否处于正常受控状态。,16,无线传感器网络概述,应用领域,宇宙空间探索借助于航天器，在外星体播撒一些传感器网络节点，可以对星球表面进行长时间监测。成本低、节点体积小，相互之间可以进行通信，也可以和地面站进行通信。例：NASA的JPL(JetPropulsionLaboratory)实验室研制的SensorWebs就是为将来的火星探测进行的技术准备。该系统已经在实施测试和完善。,17,无线传感器网络概述,研究现状,目前，无线传感器网络的研究已逐渐走出节点软/硬件体系设计和通信协议开发的初级阶段，逐步进入面向应用的整体解决方案的高级阶段，侧重于对节点群体行为的研究，如覆盖区域、网内信息处理、跨层协同设计、能量管理与优化调度、服务质量保障等。,18,无线传感器网络概述,研究现状,19,无线传感器网络概述,研究现状,目前，我国的WSN技术及产业链仍处于发展初期,中国科学院软件研究所无线自组织网络研究小组、中国科学院计算技术研究所传感器网络实验室、无锡物联网产业研究院、上海市计算技术研究所、清华大学仪器科学与技术研究所在WSN理论及应用方面做了深入的研究和探索，“国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)”也将“传感器网络及智能信息处理”作为“重点领域及其优先主题”给予政策上的支持，对于WSN技术构架和产业模式的形成都具有巨大的推动作用。,20,无线传感器网络概述,短距离无线通信标准,注：UWB-ultrawideband超宽带技术,21,目录,1.,无线传感器网络概述,2.,无线传感器网络协议栈,3.,无线传感器网络应用支持技术,4.,无线传感器网络软件技术,5.,无线传感器网络实际应用,6.,参考资料,22,无线传感器网络协议栈,引言,与传统网络类似，无线传感器网络的通信结构也延续这ISO/OSI的开放标准，但与传统的网络不同，无线传感器除去了些不必要的协议和功能层。因为一般的无线传感器采用电池供电，能量有限，且不易更换，所以能量效率是无法回避的话题。几乎所有的通信协议层的设计都要考虑能效因素。,23,无线传感器网络协议栈,引言,物理层数据链路层网络层传输层应用层,无线传感器网络的网络协议栈层次划分：,24,无线传感器网络协议栈,介质访问控制(MAC)技术,资源限制无线信道中的信号损失接收端的信号冲突隐藏和暴露终端问题,无线传感器网络中MAC设计的挑战性：,25,无线传感器网络协议栈,介质访问控制(MAC)技术,基于竞争的MAC协议传感器节点在发送数据时，以某种竞争机制访问无线信道；如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重新发送数据，直到数据发送成功或放弃发送。目前典型的面向无线传感器网络的基于竞争的MAC协议有S-MAC、T-MAC、WiseMAC、DMAC、DSMAC以及AC-MAC等。,26,无线传感器网络协议栈,介质访问控制(MAC)技术,基于竞争的MAC协议：S-MAC协议：采用了周期性的睡眠和监听，然而，节点的周期睡眠会导致数据包在逐跳转发过程中产生等待延迟。S-MAC协议假设所有节点均用于同一应用或者一组应用中，由于节点有相同的应用目的，那么可能就会出现一个节点拥有的信息比其他节点多的情况。S-MAC允许拥有较多信息的节点更长时间地使用信道。这就能够维持更为重要的应用级的公平性而不是每一跳的公平性。,27,无线传感器网络协议栈,介质访问控制(MAC)技术,基于竞争的MAC协议：T-MAC协议：基本思想是，在相同的时刻将网络中所有节点的无线通信模块打开，并且在通信结束一段时间后再将其关闭。T-MAC协议是从S-MAC协议改进而来，和S-MAC协议中根据预定的调度时间打开无线通信模块不一样，T-MAC可以动态地调整侦听/睡眠工作周期，这样的结果就是T-MAC协议在不同的消息速率下比S-MAC更加节能。,28,无线传感器网络协议栈,介质访问控制(MAC)技术,基于调度的MAC协议在基于调度的介质访问中，各节点根据调度共享介质。与基于TDMA的协议类似，通常把时间分割为一个个有固定长度的时隙。调度以某种方式决定了时隙的分配，以使每个节点都有机会访问介质，而且避免了冲突。,注:TDMA-timedivisionmultipleaccess，时分多址,29,无线传感器网络协议栈,介质访问控制(MAC)技术,基于调度的MAC协议TRAMA协议：它可以确保在数据传输时不会发生冲突，而且使不是指定接收者的节点转入低功耗状态，以达到节省能量的目的。该协议采用自适应的选举策略选出在某个时间段内传输数据的节点，并且允许节点自行决定何时切换到睡眠状态。通过流量信息，TRAMA可以避免将时隙分配给没有流量的节点。,注:TRAMA-TrafficAdaptiveMediumAccessProtocol流量自适应介质访问协议,30,无线传感器网络协议栈,介质访问控制(MAC)技术,混合型与事件驱动的MAC协议在无线传感器网络中有很多既不是基于调度也不是基于竞争的MAC协议。部分MAC协议采用了将基于竞争和基于调度混合的思想，其他一些协议则是事件驱动的。混合型和事件驱动的MAC协议有ZebraMAC、SiftMAC、FAMA/TDMAHybridMAC、EZ-MAC等。,31,无线传感器网络协议栈,路由技术,资源限制节点部署数据精确性前提下的能耗以数据为中心的数据报告模型鲁棒性和容错性网络动态性数据融合,关键问题,32,无线传感器网络协议栈,路由技术,以数据为中心的路由协议(data-centricroutingprotocol)汇聚节点进行事件查询时，直接将对关心事件的查询命令发送到某个区域，而不是发送到该区域内的某个确定编号的节点。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。查询命令可以通过高层的具有说明性的查询语言表达，相应地，作为查询命令重要参数的关心事件需要用基于属性的命名规律进行详细描述。,33,无线传感器网络协议栈,路由技术,以数据为中心的路由协议(data-centricroutingprotocol)洪泛(Flooding):在洪泛协议中，传感器节点不需要对网络拓扑结构进行维护，也不需要进行路由计算。节点在进行监测数据报告或接收到其他节点的数据包时，用广播方式向所有邻居节点转发数据，邻居节点重复执行上述过程，直到数据包到达目的节点或者该数据包的因生存周期结束而被丢弃。优点是实现简单,缺点是在数据广播转发过程中产生的冗余数据包大大加重了网络负荷，导致数据内爆(implosion)问题和数据重叠(overlapping)现象。,34,无线传感器网络协议栈,路由技术,以数据为中心的路由协议(data-centricroutingprotocol)闲聊(Gossiping):闲聊协议是对洪泛协议的改进，当节点收到数据之后，并不像洪泛协议那样采用广播形式将数据包发送给所有邻居节点，而是将数据包发送给某个随机选择的邻居节点。闲聊协议考虑节点的能量消耗和数据冗余性，在选择下一跳时只是随机选择一个节点进行数据转发，但是所选择的路径往往不是最优路径，这将导致数据包的端到端传输延迟增加，甚至在数据没有到达目的节点之前就结束了生命周期。,35,无线传感器网络协议栈,路由技术,以数据为中心的路由协议(data-centricroutingprotocol)基于信息协商的传感器网络路由协议(SPIN,SensorProtocolforInformationviaNegotiation)：使用元数据(metadata)对原始的感知数据命名，元数据描述传感器节点的感知数据的属性，每个节点在发送完整的数据之前首先使用元数据与邻居节点协商来确定其他节点是否需要该数据，感兴趣的节点向数据发布节点发出数据请求，最后数据发布节点会向请求节点发送感知数据。SPIN协议通过节点之间的协商，解决洪泛的内爆问题和重叠现象。,36,无线传感器网络协议栈,路由技术,分层路由协议(hierarchicalrouting)将传感器网络划分成多个簇或层次，每个簇由一个簇首节点和多个簇成员节点构成。簇首节点不仅负责其所在簇内信息的收集和融合处理，还负责簇间数据的转发。,37,无线传感器网络协议栈,路由技术,分层路由协议(hierarchicalrouting)低功耗自适应按簇分层路由协议(LEACH,Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchyProtocol)：以循环的方式随机选择簇首节点，成员节点根据接收到的来自簇首节点的信号强度决定从属的簇，簇首节点作为本簇内普通节点与汇聚节点通信的网关进行数据转发。,38,无线传感器网络协议栈,路由技术,分层路由协议(hierarchicalrouting)阈值敏感能量高效传感器网络路由协议(TEEN,ThresholdsensitiveEnergy-EfficientsensorNetworkprotocol)：利用过滤方式来减少网络数据传输量，适用于感知突发性事件和监测对象的急剧变化，例如温度、气压、降雨量等。PEGASIS(Power-EfficientGatheringinSensorInformationSystems)协议：将网络中的所有节点形成一个簇，称为链，每个节点只与链上的邻居节点通信，网络中只有簇首节点能够与汇聚节点直接通信。,39,无线传感器网络协议栈,路由技术,基于位置信息的路由协议网络中的节点利用GPS设备、三角定位系统、四边测距、声源多模感知等技术获知自身所在的地理坐标，在进行路由选择时，合理利用这些地理信息，从而将数据分组转发给一个特定区域而不是整个网络，减少网络能耗。基于地理位置的拓扑协议(GAF,GeographicAdaptiveFidelity)：用节点地理位置信息把监测区域划分成很多虚拟网格，每个虚拟网格内的节点相互协作，以节点所在的虚拟网格信息作为路径建立的依据。,40,无线传感器网络协议栈,路由技术,基于位置信息的路由协议地理位置和能量感知的路由协议(GEAR,Geographicalandenergyawarerouting)：根据传感器节点的地理位置信息和剩余能量信息，以启发下一跳节点选择策略，建立汇聚节点到达目的区域的优化路径。,41,无线传感器网络协议栈,路由技术,多径QoS路由在无线传感器网络中，引入多径路由是为了提高数据传输的可靠性、网络吞吐量和实现网络负载均衡。多径路由可以通过经由多条路径发送冗余数据或者利用备用路径对失效通信路径快速恢复等方式来保证数据传输的抗毁性。,42,无线传感器网络协议栈,路由技术,多径QoS路由SPEED协议：SPEED协议首先交换节点的传输延迟，以得到网络负载情况；然后，节点利用局部地理信息和传输速率信息做出路由决定，同时通过邻居反馈保证网络传输速率在一个全局定义的传输速率阈值之上，节点还通过反向压力路由变更机制避开延迟太大的路径和路由空洞。,43,无线传感器网络协议栈,路由技术,多径QoS路由有序分配路由(SAR,SequentialAssignmentRouting)：以基于路由表驱动的多路径方式满足网络低能耗和健壮性的要求。为了能够建立起每个节点到达汇聚节点的多径路由，从汇聚节点的每个邻居节点开始，以它们为树根，一次扩展建立树状结构。从汇聚节点开始，每一棵树都会尽可能地向具有满足QoS或者剩余能量较多的邻居节点延伸和扩展。一般情况下，相邻两棵树之间存在重叠覆盖，使得每个传感器节点位于多棵树上，也就有了多条通往汇聚节点的路径。,44,目录,1.,无线传感器网络概述,2.,无线传感器网络协议栈,3.,无线传感器网络应用支持技术,4.,无线传感器网络软件技术,5.,特殊的无线传感器网络,6.,参考资料,45,无线传感器网络应用支持技术,拓扑控制技术,概述拓扑控制技术是在保证网络连通性和覆盖度的前提下，通过一定的功率控制或骨干网节点的选择算法，剔除节点间不必要的无线通信链路，生成一个节能高效的数据转发网络拓扑结构。,46,无线传感器网络应用支持技术,拓扑控制技术,功率控制技术：通过将节点发送功率进行控制达到节省通信能量、减少通信干扰的目的。层次性拓扑控制算法：将网络内节点分成簇头节点和簇内节点，簇头节点与汇聚节点和簇内节点通信，而簇内节点则负责与簇头节点通信，这样簇内节点通信能量消耗大大减少。触发式算法：启发式的节点唤醒和休眠机制。即使节点在没有事件发生时，把通信模块设置为睡眠状态，而在有事件发生时自动醒来并唤醒邻居节点，形成数据转发的拓扑结构。,47,无线传感器网络应用支持技术,数据融合技术,概述在无线传感器网络中，相邻的节点采集的信息往往存在相似性(形成冗余数据)，各个节点单独传送冗余数据会在一定程度上浪费过多的通信带宽，消耗过多的能量，缩短整个网络的生存时间。为避免上述问题，无线传感器网络在收集数据的过程中需要使用数据融合技术。基本思想：在从各个节点收集数据的过程中，利用节点本地的计算和存储能力处理数据，去除冗余数据，尽量减少网络内的数据传输量，提高数据采集效率，达到减少能源消耗，延长网络生命周期的目的。,48,无线传感器网络应用支持技术,定位技术,概述定位技术是指依靠有限的位置已知节点，确定布设区中其他节点的位置，在传感器节点间建立起空间关系的技术。常见的测距方法：,到达时间测量(TOA)到达时间差测量法(TDOA)到达信号强度测量法(RSSI)到达角度(AngleofArrival,AoA),49,无线传感器网络应用支持技术,定位技术,节点位置估算方法,三边定位法多边极大似然估计法角度定位法使用移动机器人进行传感器定位,50,无线传感器网络应用支持技术,时间同步技术,概述无线传感器网络的时间同步是指各个独立的节点通过不断与其他节点交换本地时钟信息，最终达到并且保持全局事件协调一致的过程，即以本地通信确保全局同步。目前研究方向：,采用统计学分析的方法，提高事件同步精度。采用不同的时间消息交换的方法，达到降低能量消耗的目的。,51,无线传感器网络应用支持技术,安全支持,概述无线传感器网络的通信信号在物理空间上暴露，只要调制方式、频率、振幅、相位都和发送信号匹配任何设备都可以获得完整的通信信号，并且无线传感器网络通常是部署在应用者不便监控的区域内，所以无线传感器网络容易受到攻击和威胁。根据网络的物理层、链路层、网络层和传输层划分，每层都有具有代表性的攻击威胁和防御手段。,52,无线传感器网络应用支持技术,安全支持,WSN的安全体系框架将传感器网络中的各项安全防范单元按照一定的规则关系有机组合起来，以实现一定的安全目标。数据加密和节点认证是防止攻击的主要手段。目前在WSN中已提议并实现的安全体系结构的2个主要整体解决方案是SPINS安全框架和LEAP+安全协议。,53,目录,1.,无线传感器网络概述,2.,无线传感器网络协议栈,3.,无线传感器网络应用支持技术,4.,无线传感器网络软件技术,5.,特殊的无线传感器网络,6.,参考资料,54,无线传感器网络软件技术,操作系统,概述操作系统通常是指最靠近硬件的一层软件，它的作用主要体现在两方面，1、对节点的全部资源进行管理，包括存储器、传感器模块等硬件资源，通信协议、调度程序等软件资源，以及系统参数等数据资源。2、提供了人机交互的接口。用户可以通过这些接口访问底层的数据和信息，也可以通过这些接口发布命令与需求。操作系统设计难点：,节点资源有限设备多种多样环境动态变化系统并发性强,55,操作系统,常见WSN操作系统简介：1、TinyOS：是由美国加州大学伯克利分校设计和开发的一个开源的适用于无线传感器网络特殊开发需要的微型操作系统。TinyOS引入轻线程、主动消息、事件驱动和组件化编程等技术。其核心代码和数据大概只有400Bytes左右,能够突破传感器存储资源少的限制。2、MantisOS：是美国科罗拉多大学开发的开发的一个以易用性和灵活性为主要目标的无线传感器操作系统。内核用标准C编写，对RAM的需求可小于500B，对Flash的需求可小于14KB。提供抢占式任务调度器，采用节点循环休眠策略来提高能量利用率。另外，MantisOS还是一个多模型系统，可以进行多频率通信，适合多任务传感器节点，可动态重新编程。,无线传感器网络软件技术,56,中间件技术,概述WSN中间件是用于屏蔽无线传感器网络底层硬件、网络平台复杂性以及异构性的软件和工具，介于操作系统和应用软件之间，是减少用户高层应用需求与网络复杂性差异的解决方案。中间件可以优化系统资源管理，增加程序执行的可预见性。依据无线