第1章 无线传感器网络概述

1、无线传感器网络实用教程无线传感器网络实用教程 余成波余成波 李洪兵李洪兵 陶红艳陶红艳 编著编著 第1章 无线传感器网络概述 什么是短距离无线通信网络？ 到目前为止，学术界和工程界对此并没有一个严格的定义。一般而言，短距 离无线通信的主要特点为通信距离短，覆盖距离一般感动10200m；另外， 无线发射器的发射功率较低，发射功率一般小于100mW，工作频率多为免付 费、免申请的全球通用的工业、科学、医学（Industrial、Scientific and Medical，ISM）频段。常用的ISM频段有27MHz、315MHz、433MHz、 868MHz（欧洲）、902928MHz（美国）和2

2、.4GHz。目前，在我国使用最 多的还是27MHz、315MHz、433MHz和2.4GHz。 1.1 短距离无线网络概述短距离无线网络概述 第1章 无线传感器网络概述 短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，它是指集信息采集、信息 传输、信息处理于一体的综合性智能信息系统，并且其传输距离限制在一个 较短的范围内（通常是几米以内）。通过各类集成化的微型传感器协作进行 实时感知、采集和监测各类感兴趣的研究和应用信息。 低成本、低功能和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。 首先，低成本是短距离无线通信的客观要求。因为各种通信终端的产销量都 很大，要提高终端间的直通能力，没有足够

3、低的成本是很难推广的。 其次，低功耗是相对于其他无线通信技术而言的一个特点。这与其通信距离 短的特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的概率也小，发射功率普 遍很低，通常在1mW量级。 最后，对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于基于网络基础设施的 无线通信技术。终端之间对等通信，不需要网络设备进行中转，故空中接口 设计和高层协议都相对较简单，无线资源管理通常采用竞争的方式（如载波 侦听）。 第1章 无线传感器网络概述 目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙(Bluetooth)，无线局域网 802.11(Wi-Fi)和红外数据传输(IrDA)。同时更有一些具有发展潜力的近距无 线技术标

4、准，他们分别是：ZigBee、超宽频(Ultra Wide Band)、短距通信 (NFC)、WiMedia、GPS、DECT、无线1394和专用无线系统等。他们都有 其立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特别需求；或着眼于功能 的扩充性；或符合某些单一应用的特别需求；或建立竞争技术的差异化等。 不过没有一种技术能完美到足以满足所有的需求。ZigBee系统采用的是直序 扩频技术（DSSS)，使得原来较高的功率、较窄的频率变成较宽的低功率频 率，以有效控制噪声，是一种抗干扰能力极强，保密性，可靠性都很高的通 信方式。蓝牙系统采用的是跳频扩频技术（FHSS)，这些系统仅在部分时间 才会发生使

5、用频率冲突，其他时间则能在彼此相异无干扰的频道中运作。 ZigBee系统是非跳频系统，所以蓝牙在多次通信中才可能有一次会和ZigBee 的通信频率产生重叠，且将会迅速跳至另一个频率。在大多数情况下，蓝牙 不会对ZigBee产生严重威胁，而ZigBee对蓝牙系统的影响可以忽略不 1.1.2 常用短距离无线通信技术的介绍 第1章 无线传感器网络概述 1IrDA技术 红外线数据协会 (Infrared Data Association，IrDA)是致力于建立红外线无线 连接的非营利组织，是一种利用红外线进行点对点的数据传输协议，通信距 离一般在0到1m之间，传输速度最快可达到16Mbps,通信介质为

6、波长900nm 左右的近红外线。其传输具有小角度、短距离、直线数据传输、保密性强及 传输速率较高等特点，适于传输大容量的文件和多媒体数据。并且无需申请 频率的实用权，成本低廉。IrDA已被全球范围内的众多厂商采用，目前主流 的软硬件平台均提供对它的支持。 IrDA的不足在于它是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必须对准，中 间不能被其他物体阻隔，而且只适合2台设备之间的连接。IrDA目前的研究 方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。 第1章 无线传感器网络概述 2蓝牙技术 蓝牙系统一般由无线单元、链路控制单元、链路管理单元和蓝牙软件（协议 栈）单元等四个单元组成。 蓝牙技术的特点和优点

7、在于：Bluetooth工作在全球开放的2.4GHzISM频段； 使用跳频频谱扩展技术，把频带分成若干个跳频停产，在一次连接中，无线 电收发器按一定的码序列不断地从一个信道“跳”到另一个信道；在有效范 围内可越过障碍物进行连接，没有特别的通信视角和方向要求；组网简单方 便；低功耗、通信安全性好；数据传输带宽可达1Mbps；一台蓝牙设备可同 时与其他7台蓝牙设备建立连接；支持语音传输。 第1章 无线传感器网络概述 Bluetooth产品涉及PC、笔记本、移动电话等信息设备和A/V设备、汽车电子、 家用电器和工业设备领域。尤其是个人局域网应用，包括无绳电话、PDA与 计算机的互联。但Bluetoo

8、th同时存在植入成本高、通信对象少、通信速率较 低等问题，它的发展与普及尚需经过市场的磨炼，其自身的技术也有待于不 断完善和提高。 蓝牙的典型应用有： 语音数据接入是指将一台计算机通过安全的无线链路连接到通信设备 上，完成与广域网的联接。 外围设备互连是指将各种设备通过蓝牙链路连接到主机上。 个人局域网（PAN），主要用于个人网络与信息的共享与交换。 第1章 无线传感器网络概述 3. Wi-Fi技术 Wi-Fi（Wireless Fidelity，即无线保真技术）是属于无线局域网的一种，通 常是指符合IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准（IEEE 802.11）。它 使用的是2.4GHz附

9、近的频段，物理层定义了两种无线调频方式和一种红外传 输方式。Wi-Fi基于IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g和 IEEE802.11n。他最大优点就是传输的有效距离很长，传输速率较高（可达 11Mbps），与各种802.11DSSS设备兼容。 第1章 无线传感器网络概述 目前，最新的交换机能把Wi-Fi无线网络从接近100m的通信距离扩大到约 6.5Km。另外，使用Wi-Fi的门槛较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图 书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路即可接入因特网。 其主要特性为：速度快，可靠性高，在开放性区域通信距离305m，在封闭区

10、域通信距离为76122m，方便与现有的有线以太网络整合，组网结构弹性化、 灵活、价格较低。 在未来，Wi-Fi最具应用潜力的将主要在SOHO、家庭无线网络以及不便安装 电缆的建筑物等场所。目前，Wi-Fi已成为最为流行的笔记本电脑技术而大受 青睐。然而，IEEE802.11标准的发展呈多元化趋势，其标准仍存在一些亟须 解决的问题（如：厂商间的互操作性和备受关注的安全性问题）。 第1章 无线传感器网络概述 4RFID技术 RFID是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获 取相关数据。RFID由标签(Tag)、解读器(Reader)和天线(Antenna)三个基本 要素组成。

11、其基本工作原理是：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信 号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(PassiveTag， 无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(ActiveTag，有源标签 或主动标签)。解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处 理。RFID将渗透到包括汽车、医药、食品、交通运输、能源、军工、动物管 理以及人事管理等各个领域。然而，由于成本、标准等问题的局限，RFID技 术和应用环境还很不成熟。主要表现在：制造技术较为复杂，智能标签的生 产成本相对过高；标准尚未统一，最大的市场尚无法启动；应用环境和解决 方案还不够成熟，安全性将接受很

12、大考验。 第1章 无线传感器网络概述 5UWB技术 UWB（Ultra Wideband，超宽带技术）起源于20世纪50年代末，此前主要作 为军事技术在雷达等通信设备中使用。随着无线通信的飞速发展，人们对高 速无线通信提出了更高的要求，超宽带技术又被重新提出，并备受关注。 UWB是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，在较宽的频谱上传 送较低功率信号。UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正 交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。UWB可提供高速率的 无线通信，保密性很强，发射功率谱密度非常低，被检测到的概率也很低， 在军事通信上有很大的应用前景。此外UWB通信采用

13、调时序列，能够抗多径 衰落，因此特别适合高速移动环境下使用。更重要的是，UWB通信又被称为 是无载波的基带通信，几乎是全数字通信系统，所需要的射频和微波器件很 少，因此可以减小系统的复杂性，降低成本。 第1章 无线传感器网络概述 与当前流行的短距离无线通信技术相比，UWB具有抗干扰能力强、传输速率 高、带宽极宽、发射功率小等优点，具有广阔的应用前景，在室内通信、高 速无线LAN、家庭网络等场合才能得到充分应用。 当然，UWB技术也存在自身的弱点。主要是占用的带宽过大，可能会干扰其 他无线通信系统，因此其频率许可问题一直在争论之中。另外，有学者认为， 尽管UWB系统发射的平均功率很低，但由于其脉

14、冲持续时间很短，瞬时功率 峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。但是学术界 的种种争论并不影响UWB的开发和使用，2002年2月美国通信协会(FCC)批 准了UWB用于短距离无线通信的申请。 第1章 无线传感器网络概述 6ZigBee技术 ZigBee技术主要用于无线个域网（WPAN），是基于IEE802.15.4无线标准 研制开发的，是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术提案，主要应 用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。 ZigBee协议比蓝牙、高速率个人区域网络或802.11x无线局域网更简单使用。 ZigBee可以说是蓝牙的同族兄弟，它使用2.

15、4GHz波段，采用跳频技术。与 蓝牙相比，ZigBee更简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速率是 250kb/s，当降低到280kb/s时，传输范围可扩大到134m，并获得更高的可靠 性。另外，它可与254个节点联网。可以比蓝牙更好的支持游戏、消费电子、 仪器和家庭自动化应用。人们期望能在工业监控、传感器网络、家庭监控、 安全系统和玩具等领域拓展ZigBee的应用。 第1章 无线传感器网络概述 ZigBee技术特点主要包括： 数据传输速率低。只有10kb/s250kb/s,专注于低传输应用。 功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通五号干电池可使用6个月至2年。 这也是ZigBee的支持者

16、所一直引以为豪的独特优势。 低成本。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本； 积极投入ZigBee开发的Motorola以及Philips，均已在2003年正式推出芯片， 飞利浦预估，应用于主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比蓝牙更具有 价格竞争力。 网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也就是说每个 ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。 有效范围小。有效覆盖范围1075m之间，具体依据实际发射功率的大小 和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。 工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）915M

17、Hz （美国），均为免执照频段。 第1章 无线传感器网络概述 早在20世纪70年代就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器 而构成传感器网络雏形，人们把它归结为第一代传感器网络。随着相关学科 的不断发展，传感器网络同时还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）与传感控制器相连，构成了有信息综合和处 理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。在20世纪90年代后期和21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，这是第三代传感器网络。第四 代传感器网络正在研究开发，用大量的具有多

18、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 感器网络。 1.2 无线传感器网络发展历程无线传感器网络发展历程 第1章 无线传感器网络概述 1 ALOHA协议 ALOHA协议（或称ALOHA技术、ALOHA网）是世界上最早的无线电计算机 通信网。 ALOHA协议分为纯ALOHA和时隙ALOHA两种。 纯ALOHA协议的思想很简单，只要用户有数据要发送，就尽管让他们发送。 当然，这样会产生冲突从而造成帧的破坏。但是，由于广播信道具有反馈性， 因此发送方可以在发送数据的过程中进行冲突检测，将接收到的数据与缓冲 区的数据进行比较，就可以知道数据帧是否

19、遭到破坏。同样的道理，其他用 户也是按照此过程工作。如果发送方知道数据帧遭到破坏（即检测到冲突）， 那么它可以等待一段随机长的时间后重发该帧。所谓等待一段随机长的时间， 就是为了防止发生冲突的用户在检测到冲突后立即重发数据，而使各个用户 错开重发时间，以避免连锁冲突的恶性循环。 1.2.1 无线数据网络无线数据网络 第1章 无线传感器网络概述 时隙ALOHA协议，是1972年Roberts发明了一种能把信道利用率提高一倍的 信道分配策略。其思想是用时钟来统一用户的数据发送。办法是将时间分为 离散的时间片，用户每次必须等到下一个时间片才能开始发送数据，从而避 免了用户发送数据的随意性，减少了数据

20、产生冲突的可能性，提高了信道的 利用率。在时隙ALOHA系统中，计算机并不是在用户按下回车键后就立即发 送数据，而是要等到下一个时间片开始时才发送。这样，连续的纯ALOHA就 变成离散的时隙ALOHA。由于冲突的危险区平均减少为纯ALOHA的一半， 因此时隙ALOHA的信道利用率可以达到36.8%，是纯ALOHA协议的两倍。 但对于时隙ALOHA，用户数据的平均传输时间要高于纯ALOHA系统。 第1章 无线传感器网络概述 2 PRNET系统 PRNET(Packet Radio NETwork)，称为“分组无线网络”，是Ad hoc网络的 前身。对分组无线网络的研究源于军事通信的需要，并已经持

21、续了近20年。 早在1972年，美国DARPA就启动了分组无线网项目，研究分组无线网络在 战场环境下数据通信中的应用。项目完成之后，DAPRA又在1993年启动了 高残存性自适应网络（SURAN, SURvivable Adaptive Network）项目。研究 如何将PRNET的成果加以扩展，以支持更大规模的网络，还要开发能够适应 战场快速变化环境下的自适应网络协议。1994年，DARPA又启动了全球移 动信息系统（GloMo, Global Mobile Information Systems）项目。在分组无 线网络已有成果的基础上对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁 性的移动信

22、息系统进行全面深入的研究，并一直持续至今。1991年成立的 IEEE802.11标准委员会采用了“Ad hoc网络”一词来描述这种特殊的对等式 无线移动网络。 第1章 无线传感器网络概述 3 Amateur分组无线网络 Amateur分组无线网络是一个由各国业余无线电爱好者设计构建的自组、多 跳、全国范围的网络。Amateur的缺陷是地区间只能使用低速率短波链路。 由于在链路层以上缺乏统一的协议，用户只能通过人工的方式配置路由，限 制了网络的应用。 Amateur分组无线网络的后续研究包括：分组网络与Internet雏形的互联，多 种短波通信物理层协议的开发，基于卫星的分组网络等。最主要的进步

23、在于 多路访问冲突避免（multiple access collision avoidance，MACA）无线信道 接入协议的开发。MACA将载波监听多路访问机制与Apple公司的Localtalk网 络中使用的RTS/CTS通信握手机制相结合，极大地解决了“隐藏终端”和 “暴露终端”问题。 第1章 无线传感器网络概述 4无线局域网（WLAN） 无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）就是在各工作站和设 备之间，不再使用通信电缆，而采用无线的通信方式连接的局域网。一般来 讲，凡是采用无线传输媒体的计算机局域网都可以称之为无线局域网。 无线局域网采用的传输

24、媒体主要有两种无线电波和红外线。根据调制方 式的不同，无线电波方式又可分为扩展频谱方式和窄带调制方式。扩展频谱 方式是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式，它 虽然牺牲了频带带宽，却提高了通信系统的抗干扰能力和安全性；窄带调制 方式是指数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移到射频发射出去， 与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高，但是通信 可靠性较差。而红外线方式的最大优点是不受无线电干扰，且红外线的使用 不必受国家无线电管理委员会的限制，但是红外线对非透明物体的透过性较 差，传输距离受限。 第1章 无线传感器网络概述 5无线个域网（WPAN） 无线个

25、域网（Wireless Personal Area Networks，WPAN）是一种与无线广 域网（WWAN）、无线城域网（WMAN）、无线局域网（WLAN）并列但覆 盖范围较小的无线网络，是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定 群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。支持无线个人局域 网的技术包括：蓝牙、ZigBee、超频波段（UWB）、IrDA、HomeRF等，每 一项技术只有被用于特定的用途、应用程序或领域才能发挥最佳的作用。此 外，虽然在某些方面，有些技术被认为是在无线个人局域网空间中相互竞争 的，但是他们常常相互之间又是互补的。 第1章 无线传感器网络概述 1.2.

26、2 无线自组织网络 无线自组织网络，即MANET（Mobile Ad Hoc Network），是一个由几十到 上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网 络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体 信息流。通常节点具有持续的能量供给。无线自组织网络不同于传统无线通 信网络的技术。传统的无线蜂窝通信网络，需要固定的网络设备如基地站的 支持，进行数据的转发和用户服务控制。而无线自组织网络不需要固定设备 支持，各节点即用户终端自行组网，通信时，由其他用户节点进行数据的转 发。这种网络形式突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、 便捷、高效地

27、部署，适合于一些紧急场合的通信需要，如战场的单兵通信系 统。但无线自组织网络也存在网络带宽受限、对实时性业务支持较差、安全 性不高的弊端。目前，国内外有大量研究人员进行此项目研究。 第1章 无线传感器网络概述 无线传感器网络的研究和使用最早可追溯到冷战时期，美国在其战略区域布 置了声学监视系统（Sound Surveillance System, SOSUS）,用于检测和跟 踪静默下的前苏联潜艇。 美国国防高级研究计划局（DARPA）在1978年发起了分布式传感器网络研 讨会，该研讨会在宾夕法尼亚州的卡耐基-梅隆大学召开。 1998年美国国防高级研究计划局又提出了“传感器信息技术计划 Sens

28、IT”，计划的发起使得人们对无线传感器系统的兴趣持续增长。 无线传感器网络技术被认为是21世纪中能够对信息技术、经济和社会进步发 挥重要作用的技术，其发展潜力巨大，该技术的广泛应用，将会对现代军事、 现代信息技术、现代制造业及许多重要的社会领域产生巨大的影响。 1.2.3 无线传感器网络无线传感器网络 第1章 无线传感器网络概述 1.3.1 传感器网络的特点 1大规模网络 2自组织网络 3多跳路由 4. 动态性网络 5以数据为中心的网络 6兼容性应用的网络 1.3 无线传感器网络的特征无线传感器网络的特征 第1章 无线传感器网络概述 1.3.2 传感器节点的限制 1电源能量有限 2通信能力有限

29、 3计算和存储能力有限 第1章 无线传感器网络概述 1.4传感器网络的关键技术传感器网络的关键技术 1网络拓扑控制 2网络协议 3网络安全 4时间同步 5定位技术 6数据融合 7数据管理 8无线通信技术 9嵌入式操作系统 10应用层技术 第1章 无线传感器网络概述 1.5 无线传感器网络的应用无线传感器网络的应用 1军事应用 （1）智能微尘(smartdust) （2）战场环境侦察与监视系统 （3）传感器组网系统 2智能家居 3环境监测 4建筑物质量监控 5医疗护理 6其他方面应用 第1章 无线传感器网络概述 1.6 无线传感器网络仿真平台无线传感器网络仿真平台 目前，比较典型的仿真平台或基于

30、现有平台的无线传感器网络模型，包括 NS-2，OPNET，GloMoSim，TOSSIM，PowerTOSSIM等。 1.6.1 NS-2仿真平台 （1）NS-2是著名的用于网络研究的离散事件仿真工具，主要致力于OSI模 型的仿真，且其源码开放，适合二次开发。一些研究小组对NS-2进行了扩展， 使它能支持无线传感器网络的仿真，包括传感器模型、电池模型、小型的协 议栈、混合仿真的支持和场景工具等。但由于NS-2对数据包级进行非常详细 的仿真，接近于运行时的数据包数量，使得其无法进行大规模网络的仿真。 第1章 无线传感器网络概述 1.6.2OPNET仿真平台 OPNET是成熟的商业化通信网络仿真平台，库中提供了很多的模型，包括 TCP/IP、802.11、3G等。且已有一些研究人员在OPNET上实现对TinyOS的 NesC程序的仿真2。但要实现无线传感器网络的仿真，还需要添加能量模 型。 1.6.3 GloMoSim仿真平台 GloMoSim是一个可扩展的用于无线和有线网络的仿真系统，它采用ParseC 进行设计开发，提供了对并行离散时间仿真的支持3。但目前，其仅支持传 感器网络中的物理信道特征和数据链路协议的时延等