物联网技术-第4章-无线传感器网络

1、第第4 4章章 无线传感网无线传感网4.1 4.1 无线传感器网络概述无线传感器网络概述 4.3 4.3 无线传感器网络体系结构无线传感器网络体系结构4.4 4.4 无线传感器网络技术体系无线传感器网络技术体系4.2 4.2 无线传感器网络发展无线传感器网络发展4.1 4.1 无线传感器网络概述无线传感器网络概述一、什么是传感器网络计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。 所谓无线网络，就是利用无线电波作为信息传输的媒介构成的无线局域网（WLAN），

2、与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份。 4.1 4.1 无线传感器网络概述无线传感器网络概述4.1 4.1 无线传感器网络概述无线传感器网络概述无无 线线 网网 络络有基础设施网有基础设施网无基础设施网无基础设施网移动移动Ad hocAd hoc网络网络无线传感器网络无线传感器网络有基础设施的网络l需要固定基站需要固定基站, ,如使用的手机，属于无线蜂窝网，如使用的手机，属于无线蜂窝网，需要高大的天线和大功率基站来支持，基站就是需要高大的天线和大功率基站来支持，基站就是最重要的基础设施；最重要的基础设施；l使用无线网卡上网的无线

3、局域网，由于采用了接使用无线网卡上网的无线局域网，由于采用了接入点这种固定设备，也属于有基础设施网。入点这种固定设备，也属于有基础设施网。4.1 4.1 无线传感器网络概述无线传感器网络概述无基础设施网-无线Ad hoc网络节点是分布式的，没有专门的固定基站节点是分布式的，没有专门的固定基站。无线无线Ad hocAd hoc网络分为两类网络分为两类: : 一类是一类是移动移动Ad hocAd hoc网网络络( (Mobile Ad hoc NetworkMobile Ad hoc Network, ,简称简称MANETMANET) )，终端，终端是快速移动的。是快速移动的。另一类就是另一类就是

4、无线传感器网络无线传感器网络, ,节点是静止的或者移节点是静止的或者移动很慢。动很慢。4.1 4.1 无线传感器网络概述无线传感器网络概述WSN-Wireless Sensor Networks基础微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术解释1由部署在观测环境附近的大量的微型廉价低功耗的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的无线网络系统。4.1 4.1 无线传感器网络概述无线传感器网络概述解释2：传感器网络是由一组传感器以特定方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布給观察者。无线传感器网络(WSN)是大量

5、的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。传感器技术传感器技术计算机技术计算机技术通通 信信 技技 术术感感 官官大大 脑脑神神 经经现代信息技术现代信息技术信息系统信息系统无线传感器网络无线传感器网络l传感器网络的三个基本要素：l传感器，感知对象，观察者l传感器网络的基本功能l协作地感知、采集、处理和发布感知信息4.1 4.1 无线传感器网络概述无线传感器网络概述传感器网络的特点u大规模网络：地理区域大；部署密集u提高信噪比；提高监测精度；增强容错性；减少盲区u自组织网络：不确定性；拓扑结构变化u多跳路

6、由：通信距离有限，无专门路由设备u动态拓扑：节点故障；通讯故障；移动性；节点加入u可靠网络：适应环境条件；鲁棒性、容错性u应用相关：没有统一的通信协议平台u以数据为中心4.1 4.1 无线传感器网络概述无线传感器网络概述传感器节点的限制u电源能量有限u通信能力有限u计算和存储能力有限4.1 4.1 无线传感器网络概述无线传感器网络概述传感器网络概述与ad hocad hoc的不同WSNp结点数量更为庞大p多数节点为静止p节点分布更为密集p能量约束p结点更容易出错p拓扑结构变化频繁Ad hocp几十至上百个节点p局域网p节点全移动p结构变化（移动）p能量可连续提供p点到点通信4.1 4.1 无线

7、传感器网络概述无线传感器网络概述第一阶段第一阶段最早可以追溯二十世纪最早可以追溯二十世纪7070年代越战时期使用的年代越战时期使用的传统的传感器系统。传统的传感器系统。胡志明小道胡志明小道胡志明小道胡志明小道4.2 4.2 无线传感器网络发展无线传感器网络发展热带树热带树热带树热带树轰炸机轰炸机4.2 4.2 无线传感器网络发展无线传感器网络发展有线有线/ /无线连接无线连接4.2 4.2 无线传感器网络发展无线传感器网络发展第二阶段第二阶段19991999年商业周刊将传感器网络年商业周刊将传感器网络列为二十一世纪最具影响的列为二十一世纪最具影响的2121项技术之一项技术之一 。二十世纪二十世

8、纪8080年代年代至至9090年代之间年代之间4.2 4.2 无线传感器网络发展无线传感器网络发展第三阶段第三阶段2121世纪开始至今世纪开始至今20012001911911事件事件20022002橡树岭实验室提出橡树岭实验室提出“网络就是传网络就是传感器感器”。2003200320062006美国美国技术评论技术评论杂志评出深远杂志评出深远影响人类未来生活的十大新兴技影响人类未来生活的十大新兴技术，传感器网络列为第一术，传感器网络列为第一 。我国发布我国发布国家中长期科学与技国家中长期科学与技术发展规划纲要术发展规划纲要。4.2 4.2 无线传感器网络发展无线传感器网络发展 4.2 4.2

9、无线传感器网络发展无线传感器网络发展巨型机巨型机 小型机小型机 工作站工作站 PC PDA WSNWSN 节点等节点等 生物芯片生物芯片 计算设备的演化历史计算设备的演化历史4.2 4.2 无线传感器网络发展无线传感器网络发展网络的发展无人干扰监测无人干扰监测鸟鸟 巢巢海海 燕燕大大 鸭鸭 岛岛桥桥 梁梁 监监 测测韩国济州岛智能渔场韩国济州岛智能渔场克尔斯博公司克尔斯博公司沈阳玫瑰园沈阳玫瑰园二零零八年五月十二二零零八年五月十二日汶川地区发生强烈日汶川地区发生强烈地震地震联合国维和部队联合国维和部队伊伊 拉拉 克克微型感应传感器网络微型感应传感器网络核武器和生化武器核武器和生化武器美军未来战

10、斗系统的战场警戒示意图传感器节点传感器节点通行车辆通行车辆枪声定位反恐系统枪声定位反恐系统美国美国F-22F-22猛禽战斗机猛禽战斗机机外传感器网络机外传感器网络 美军美军“沙地直线沙地直线”项目项目无线链路无线链路目标探测、目标探测、分类和跟踪分类和跟踪传感器节点传感器节点传感器节点传感器节点节点封装示例（一）节点封装示例（一）特点：表面光滑可以滚动自动调整姿态位置万向节固定架设计节点封装示例（二）节点封装示例（二）特点：底基重量大自正位“悬垂钟摆”式电路板飞机抛撒基于传感器网络的精准农业监测系统 提纲引言精准农业无线监测系统感知节点网关节点 精细农业精准农业（Precision Agric

11、ulture ）是按照田间每一操作单元（区域、部位）的具体条件，精细准确地调整各项土壤和作物管理措施，最大限度地优化使用各项农业投入，以获取单位面积上的最高产量和最大经济效益，同时保护农业生态环境，保护土地等农业自然资源。农田信息获取农田信息管理和分析决策分析决策的田间实施 农田信息获取基于3S技术的精准农业应用地理信息系统将已有的土壤和作物信息资料整理分析，作为属性数据，并与矢量化地图数据一起制成具有实效性和可操作性的田间管理信息系统。在此基础上，通过GIS、GPS、RS和自动化控制技术的应用，按照田间每一操作单元（位点）上的具体条件，相应调整投入物资的施入量基于传感器的精准农业利用实时传感

12、器，测定所需的特性，如土壤特性、作物特性等，这些信息经过快速处理后，直接用于控制变量管理机具 传感器网络在农业中的应用Intel实验室将传感器网络应用于葡萄园，开展了“wireless vineyard”项目荷兰Delft科技大学开展了Lofar Agro项目，使用无线传感器网络监测马铃薯大田的小气候，指导农户预防马铃薯真菌疾病 crossbow公司设计了eKo平台，并将其应用在Camalie葡萄园，通过监测葡萄园的温湿度和土壤水份项目背景国家科技支撑计划项目“西部优势农产品生产精准管理关键技术研究与示范 ”根据西部的苹果、猕猴桃、甜瓜、番茄、丹参等优势农作物发展需求，综合现代农业科技与新型信

13、息技术，正在开展适应西部干旱半干旱生态环境、面向优势农作物的农业生产精准管理技术研究。项目研究优势农产品生长模型与无线测控系统相协调、远程信息服务和基地生产集成与示范相结合的精准管理手段 基于传感器网络的精准农业监测系统感知节点组成感知节点是精准农业无线监测系统的基本组成单位，部署在温室、大田现场，采集小气候数据和土壤数据，由电池驱动，通过无线方式将数据发送到网关节点 SPI接口RF230 2.4GHz（ZigBee）无线通信模块UART0二氧化碳传感器温、湿度传感器光照传感器ATmega1281土壤水份、温度传感器 内部JTAG接口外部10针JTAG插口ADCI2C感知节点软件功能 Tiny

14、OS节点自检应用功能数据上传组网路由时钟同步系统管理数据采集能量管理组网数据汇聚数据分发广播端到端可靠传输睡眠唤醒拓扑维护参数设置代码更新状态上报应用管理网关节点组成 网关节点是将传感器网络与外部Internet相连的中介，为典型的嵌入式系统。网关节点通过ZigBee通信模块接收传感器网络的数据，并通过GPRS或有线方式将将打包数据发送到远端通信服务器 PXA270处理器地址和数据总线CF接口存储器控制FFUARTBUART电源管理USB HOSTJTAGGPIO无线网卡ZigBee通信模块GPRS通信模块FLASHSDRAM以太网USB HOSTRA网关节点软件功能Linux网络拓扑维护消息

15、处理消息组装数据通信系统管理消息解析电源管理数据统计数据上报协议交互节点状态维护节点代码更新节点参数设置系统配置农户管理 预警信息发送手机信息维护sink -汇聚点sensor node -传感器节点sensor field -监测区域4.3 4.3 无线传感器网络体系结构无线传感器网络体系结构传感器网络的常用逻辑结构图传感器传感器1 1传感器传感器2 2传感器传感器N N无线链路无线链路无线接口无线接口模块模块监控主机监控主机4.3 4.3 无线传感器网络体系结构无线传感器网络体系结构u传感器节点功能：采集、处理、控制和通信等网络功能：兼顾节点和路由器资源受限：存储、计算、通信、能量uSin

16、k节点功能：连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的数据。特点：连续供电、功能强、数量少等4.3 4.3 无线传感器网络体系结构无线传感器网络体系结构传感器节点传感器模块：信息采集、数据转换处理器模块：控制、数据处理、网络协议无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据能量供应模块：提供能量传感器网络节点的结构 1、节点的体系组成 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。网络体系结构能源管理平台： 管理传感器节点如何使用能量； 移动管理平台： 检测和注册传

17、感器节点的移动，维护到汇聚点的路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居； 任务管理平台： 在一个给定的区域内平衡和调度监测任务物物 理理 层层数据链路层数据链路层网网 络络 层层传传 输输 层层应应 用用 层层能能 量量 分分 配配移移 动动 管管 理理任任 务务 管管 理理节点的体系组成 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。网络通信协议挑战之一如何在如此有限通信能力的条件下, 高质量地完成感知数据的查询、分析、挖掘与传输？在传感器网络环境下，发现最小化算法通信复杂性的机理是我们面临的第一个挑战问题！3.3 3.3 无线传感器

18、网络关键技术无线传感器网络关键技术n多源、多跳是主要通信方式n多个传感器节点向一个目标传送信息n一次多源信息传输需要多条由多个传感器节点组成的路径挑战之二如何为多源信息传输选择优化通信路径？在传感器网络环境下，建立选择优化或近似优化通信路径的理论是我们面临的第二个挑战问题！挑战之三 通信路径重构成为突出问题？路由算法必须具有自适应性？ 如何建立网络随机连通性的数据理论，为通信路径重构和自适应路由算法设计奠定坚实理论基础是我们面临的第三个挑战问题？ n电源能量有限n传感器的电源能量极其有限n由于电源能量的原因经常失效或废弃n电源能量约束是传感器网络应用的障碍n现有电源部件不能满足传感器网络的需要

19、n传感器传输信息比执行计算更消耗电能n传感器传输1位信息需要的电能足以执行3000条计算指令挑战之四如何传感器网络在工作过程中节省能，实现能源均衡，最大化网络生命周期？建立能源复杂性和能源均衡理论是我们面临的第四个挑战性问题！n计算能力有限n传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处理器和存储器，具有计算能力n但是，处理器性能、存储器容量和能源都很有限，导致传感器的计算能力十分有限挑战之五 如何使用大量具有有限计算能力的传感器设计能源有效的高性能分布式算法? 设计同时最小化能源、时间、空间和通信复杂性的分布式算法是我们面临的第五个挑战性问题！n传感器数量大、分布范围广n传感器网络中传感器节点密集，数

20、量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多n传感器网络可以分布在很大区域，也可以分布在险恶环境下n传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护挑战之六如何使传感器网络软硬件具有高强壮性和容错性是我们面临的第六个挑战性问题！n大规模分布式触发器n很多传感器网络需要对感知对象进行控制（如温度控制）n传感器需要配备回控装置和控制软件n我们称回控装置和控制软件为触发器挑战之七如何管理成千上万分布式触发器是我们面临的第七个挑战性问题？n感知数据流无限n传感器网络每个传感器都产生无限的流式数据，并具有实时性n每个传感器仅具有有限的存储器和计算资源，难以处理巨大的实时数据流挑战之八如何设计高效率

21、、能源有效、实时的海量感知数据流的查询、分析和挖掘的分布式算法？传感器网络是以数据为中心的网络把传感器视为感知数据流或感知数据源把传感器网络视为感知数据空间或数据库把数据管理和处理作为网络的应用目标挑战之九如何建立以数据为中心的传感器网络？n 以感知数据管理和处理为中心;n 把数据管理和处理技术与网络技术融为一体;n 为用户提供有效的感知数据空间或感知数据库; n 使用户如同使用通常的数据库系统和数据处理 系统一样自如地使用感知数据.传感器网络数据管理系统的理论和技术是我们面临的第九个挑战性问题！n需要多种多样的感知器n物理传感器n生物传感器n化学传感器n挑战之十如何建立新感知器概念、理论、技

22、术和各种新型感知器是我们面临的第十个挑战性问题？n其他挑战性问题n传感器的投放或撒播理论与技术n传感器的定位问题n时钟同步问题 n组网连通可靠性研究和探测覆盖率研究 n传感器网络安全性问题和抗干扰问题n信号的协作处理节点定位技术在传感器网络中，信息位置对传感器网络的监测活动至关重要，事件发生的位置或者获取信息的节点位置是传感器节点监测消息中所包含的重要信息。节点定位的基本概念信标节点、未知节点邻居节点、跳数、跳段距离、到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、到达角度(AOA)测量方法(1) 三边测量法(2) 三角测量法(3) 最大似然估计法基于距离的定位方法有：TOA、TDOA、AOA和R

23、SSI。在基于到达时间(TOA)的定位机制中，已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离，然后利用已有算法计算出节点的位置。基于TDOA的定位发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及已知这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离，再通过已有基本的定位算法计算出节点的位置。STT)(12基于RSSI的定位在基于接收信号强度指标的定位中，已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据收到信号的强度，计算出信号传播的损耗，利用理论和经验模型将损耗转换为距离，再利用已有的算法计算出节点的位置。时间同步技术参数(1)最大误差(2) 同步期限(3) 同步范围(4) 可用性(5) 效率(6) 代价和体积网络时间协议(NTP)因特网广泛采用的网络同步协议。在NTP中，消息传输时延的计算精度决定了时间同步的精度。消息传输时延分为四个部分:发送时间、访问时间、传播时延、接收时间。RBS (参考广播同步)机制利用无线数据链路层的广播信道特性，一个节点发送广播消息，接收到广播消息的一组节点通过比较各自接收到的本地时刻，实现它们之间的时间同步。影响RBS机制性能的主要因素包括接收节点间的时钟偏差、接收