无线传感器网络

1、无线传感器网络无线传感器网络提纲无线传感器网络概述无线传感器网络部署无线传感器网络体系结构传感节点概述无线传感器网络特点无线传感器网络协议栈巨型机说：“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”;Pocket PC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”。传感技术MEMS通信技术无线传感器网络概述无线传感器网络（wireless sensor network,WSN）是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、微电子机械系统（MEMS)、嵌入式计算技术、现代网

2、络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。无线传感器网络无线传感器网络概述 无线传感器网络（wireless sensor network,WSN）就是由部署在检测区域内大量的廉价传感器节点组成，以无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。 构成WSN的三要素：传感器、感知对象、观察者。Sensor network: A new research hotspotAugust 2003 Business Week projectsSensors and Sensor Networks. to be one of4 Key

3、 Technology Waves of the Future国家中长期科学和技术发展规划纲要将传感器网络列为重点研究领域无线传感器网络发展现状1998-2002年DARPA资助，加州大学伯克利分校等25个机构联合承担的SensIT计划；1999-2004年间海军研究办公室的SeaWeb计划等。 国内：中国的一些研究机构近年开始研究：中国科学技术大学、清华大学、中科院计算所、上海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智能所等研究单位 。无线传感器网络发展现状之所以国内外都投入巨资研究机构纷纷开展无线传感器网络的研究，很大程度归功于其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。无线传感器网络发展 第一阶段主要

4、致力于小型化、低功耗、低成本的传感器节点的开发和研制，出现了众多的传感器节点； 第二阶段则对无线传感器网络作为通信网络的特性研究，特别是通信协议的设计和实现。这个阶段，研究学者们设计提出了许多的通信协议，特别是数据链路层的MAC协议和网络层的路由协议。 第三阶段，侧重于对无线传感器网络的群体智能行为的研究。提纲无线传感器网络概述无线传感器网络部署无线传感器网络体系结构传感节点概述无线传感器网络特点无线传感器网络协议栈通过飞机、火箭、人工等形式，将大量传感器结点分布在需要监测的区域内。结点处于睡眠状态结点间的通信唤醒、联络、确定自身位置1、传感器结点激活；2、通过无线通信，确定自身的位置；3、自

5、动组织成网络；网关结点各传感器分别探测外部信息图象土壤成分压强声音湿度？光照因环境影响、能量耗尽等原因，结点容易发生故障。磁场加速度温度位移核辐射压力它结点会自动寻找别的“同伴”完成网关（路由器）既要输出本身的信息，还要传递其它结点的信息。能 障，足任 其 它各结点将信息汇聚到基站结点出故 不 其时，只能输出本身的信息，而无法传递务。 结 点 的 信息。卫星、互联网信息经卫星、互联网到达用户网关网关对各路信息进行过滤，把重要的信息发送给用户。无线传感器网络GatewayServerInternet感知区域通信障碍GatewayServerInternet感知区域WatershedSensor

6、Network提纲无线传感器网络概述部署无线传感器网络无线传感器网络体系结构传感节点概述无线传感器网络特点无线传感器网络协议栈无线传感器网络功能组织关系无线传感器网络通信结构示意图无线传感网络接入网络核心网络无线传感器网络提纲无线传感器网络概述部署无线传感器网络无线传感器网络体系结构传感节点概述无线传感器网络特点无线传感器网络协议栈结点的构成传感器无线通信CPU内 存应用程序电 源网络中的网关（基站）（较强的处理、通信能力）网络中的结点（简单处理、短距离通信）传感器节点LWIM IIIUCLA, 1996Geophone, RFMradio, PIC, starnetworkSensor Mo

7、teUCB, 2000RFM radio,AtmelAWAIRS IUCLA/RSC 1998Geophone, DS/SSRadio, strongARM,Multi-hop networksMedusa, MK-2UCLA NESL2002Mote 演进HardwareCrossbow setMicasuite,TranceiverADconvertersProgrammingboardBasestationnodeMica2 Wireless SensorsNew MicaZ follows IEEE 802.15.4 Zigbeestandard with direct sequenc

8、e spradspectrum radio and 256kbps data rateMTS310 Sensor Boards Acceleration, Magnetic, Light, Temperature, Acousticm SounderMPR2400(MICAz) Processor PerformanceClock : 7MHzProgram Flash : 128KBLogger Flash : 512KB51-pin Expansion ConnectorAnalog to Digital Converter : 10bit RF TransceiverFrequency

9、band : 2.42.4835GHzTransmit data rate : 250KbpsOutdoor Range : 75100m Indoor Range : 2030mFig. 1. MPR2400Fig. 2. MPR2400 Block DiagramHardware setup Mica2 (AVR)0.2 ms wakeup30 W sleep33 mW active21 mW radio19 kbps2.5V min MicaZ (AVR)0.2 ms wakeup30 W sleep33 mW active45 mW radio250 kbps2.5V min Telo

10、s (TI MSP)0.006 ms wakeup2 W sleep3 mW active45 mW radio250 kbps1.8V min使用2节AA电池，每3分钟发送一次报文，占空比1%328 days945 days453 days节点寿命比较MTS310Photo SensorAcoustic SensorSounderDual-Axis MagnetometerDual-Axis AccelerometerTemperature SensorProgramming Board (MIB510)提纲无线传感器网络概述部署无线传感器网络无线传感器网络体系结构传感节点概述无线传感器网络

11、特点无线传感器网络协议栈 WSN与传统无线网络（特别是ad hoc）相比，存在如下特点： 无线传感器网络节点分布密度大，节点数量很多，节点一般没有统一的标识(ID) 传感器节点能量、计算能力、存储能力有限 传感器节点易于失效，网络拓扑变化剧烈 由一组传感器节点协作完成同一件任务，不关心特定节点数据无线传感器网络特点提纲无线传感器网络概述部署无线传感器网络无线传感器网络体系结构传感节点概述无线传感器网络特点无线传感器网络协议栈任务管理能量管理移动性管理无线传感器网络协议栈传输层数据链路层物理层网络层应用层能量管理管理节点功耗，决定节点何时休眠与工作移动性管理探测并注册节点移动情况任务管理平衡各个

12、节点间的数据采集和转发物理层应用层传输层网络层数据链路层网络层频率选择 传感器网络均采用无需许可证的的工业、科学与医用频段（ISM)载波生成与信号探测-收发器和节点硬件受限与节点成本，需要采用功能简单、低功耗和低成本器件。调制方式低功耗传输物理层 传感器节点处于以下三种状态：工作、standby与失效（能源耗尽）状态。 状态转换时间：节点从一个状态转为另一个状态需要的时间，特别是从休眠与工作状态之间的转换时间对于协议设计非常重要 物理器件功耗是传感器节点的主要功耗来源之一，在满足成本要求的前提下选用低功耗器件。 物理器件的特性（如状态转换时间等）对与协议设计有重要影响。数据链路层媒体分配：竞争

13、或者分配为上层协议提供逻辑链路TimeCodeFrequency数据链路层负载数据流复用、数据帧探测、媒体接入控制和差错控制，为上层提供可靠的点到点与点到多点连接。媒体接入控制（MAC) 控制节点访问信道，使得多个节点共享同一个通信媒体功能:局部拓扑发现与管理WSN的MAC 协议必须具备节能机制和节点移动及失效管理策略。应用层传输层网络层数据链路层网络层无线传感器网络MAC协议 典型协议介绍：S-MAC自适应侦听技术(adaptive listening)，减少由于节点休眠带来的延迟。节点在窃听到RTS或者CTS报文之后，可以确定当前传输的持续时间。当本次传输结束后，再次侦听信道一段时间，确定

14、是否能够实现数据的连续传输。无线传感器网络MAC协议 X-MAC数据帧目的地址嵌入前导；前导分割为多个部分，分别发送； 早期ACK应答。网络层设计传感器网络路由协议时需要考虑如下内容：能量高效性数据为中心 数据属性（感知数据的请求和广播）决定数据流。数据融合-数据融合可以有效减少数据传输量。传感器网络更适合于使用“基于属性寻址”，例如：温度大于30的区域。定位系统-定位系统为节点提供位置信息，有助于寻路应用层传输层网络层数据链路层网络层数据融合用于解决无线传感器网络中的数据内爆问题。当大量节点采集到某一事件的数据后，向同一个目的节点传输数据，产生数据内爆问题。节点可以将相同事件的数据合并为一个

15、数据进行转发。同时，发往相同目的目的节点的数据也可以被合并到一个报文中继续转发来自不同节点的，标示同一个事件的数据可以被“融合”。此时，无线传感器网络中的路由机制形成了一棵倒立的多播树。探测到某一事件Sink数据融合节点以数据为中心对于以数据为中心的路由协议，节点发布“兴趣”，为传感器节点分配感知任务。常用的兴趣发布方式有以下两种：Sink或者控制节点广播“兴趣”的特征，例如：体重大于50kg的四足动物SinkFour-legged animal ofat least 50 KgFlow of the request无线传感器网络路由协议概述 路由协议设计目标满足应用需求降低网络开销合理均衡的

16、利用资源提高网络吞吐率 路由协议特点自组织网络节点在部署过程中不具备路由 信息，需要协议自动发现和管理路由数据冗余性为保证网络可靠性，需要部署大量冗余节点，完成检测任务数据为中心网络拓扑动态变化节点移动和实效以及新加入网络的节点引起拓扑变化无线传感器网络路由协议概述 基于聚簇的路由协议先根据某种规则把WSN 节点集划分为多个子集。每个子集成为一个簇,具有一个簇头。每个簇的簇头节点负责全局路由,其他节点通过簇头接收或发送数据。LEACH、PEGASIS、TEEN无线传感器网络路由协议LEACH（Low Energy AdaptiveClustering Hierarchy）PEGASIS（Pow

17、er-Efficient Gatheringin Sensor Information Systems）TEEN协议中由聚簇构成的层次结构.TEEN(Threshold sensitive EnergyEfficient Sensor Network) 基于地理位置的路由协议这类协议假定每个节点都知道自己的地理位置以及目标节点的地理位置，利用节点的位置信息，把查询或者数据转发给需要的地域，从而缩减数据的传送范围。GPSR无线传感器网络路由协议GPSR节点知道自身地理位置并被统一编址。各节点利用贪心算法尽量沿直线转发数据，向以欧氏距离计算最靠近目的节点的邻节点转发数据,但由于数据会到达没有比该节

18、点更接近目的点的区域(称为空洞),导致数据无法传输,当出现这种情况时,空洞周围的节点能够探测到,并利用右手法则沿空洞周围传输来解决此问题.该协议避免了在节点中建立、维护、存储路由表,只依赖直接邻节点进行路由选择,几乎是一个无状态的协议使用接近于最短欧氏距离的路由,数据传输时延小.缺点:当网络中sink点和源节点分别集中在两个区域时,由于通信量不平衡易导致部分节点失效,从而破坏网络连通性;需要GPS定位系统或其他定位方法协助计算节点位置信息.GPSR(Greedy Perimeter StatelessRouting) 以数据为中心的路由协议 对传感器网络中的数据用特定的描述方式命名，数据传送基

19、于数据查询并依赖数据命名，所有的数据通信都限制局部范围内。通信不再依赖特定的节点，而是依赖于网络中的数据，从而减少了网络中大量传送的重复冗余数据，降低了不必要的开销，从而延长网络生命周期Directed Diffusion（定向扩散） 、SPIN无线传感器网络路由协议 查询扩散阶段Sink 节点采用和目标数据相似的一组属性对（对象的名称，数据发送间隔时间，持续时间，位置区域）来命名它发出的查询信息，并将查询信息通过广播逐级扩散，收到查询信息的节点缓存信息，并进行局部数据聚集，最终查询信息遍历全网，找到所有匹配的目标数据。 初始梯度建立阶段与查询扩散阶段同时进行，当节点接收到查询信息时，若当前查

20、询缓存没有相同查询记录，则加入新记录，记录中包含了邻接点指定的数据发送率也就是“梯度”。 数据传送阶段Sink 节点会对最先收到新数据的邻接点发送一个加强选择信息（发送具有更大的“梯度”的查询信息），接收到加强选择的邻接点同样加强选择它的最先收到新数据的邻接点，将这个带更大“梯度”值的查询信息进行扩散，这样最后会形成一条“梯度”值最大的路径。目标数据沿这条加强路径以较高的数据发送率来传送数据，而其他数据发送率停留在较低水平的节点组成的路径可以作为备选路径以增加网络可靠性Directed Diffusion（定向扩散） 内爆问题 重叠问题SPIN （Sensor Protocol forInformation via Negotiation） SPIN协议是针对Flooding协议的改进 Flooding存在问题 节点A有新数据，使用元数据通过ADV发布新数据信息 节点B收到ADV后，发现自己没有改该数据，通过REQ向A请求新数据 节点A向B传送原始数据 节点B对新数据进行数据融合后，通过ADV发送新数据消息