无线传感器网络技术及其研究进展课件

1、无线传感器网络技术及其研究进展王汝传 2006年南京邮电大学计算机学院提 要第1部分第2部分第3部分第4部分第5部分概要协议关键技术应用展望2022/7/272提 要第1部分第2部分第3部分第4部分第5部分概要协议关键技术应用展望2022/7/273无线传感器网络是计算机、通信、传感器、微机电系统和网络等多项技术相结合的产物。概 要2022/7/274概 要远程的（remote）、现场的（in situ）信息获取和处理能力已有传统技术难以实现的细微物理或环境现象感知能力不依赖于固定通信基础设施的自治特性Red: SoilGreen: VegetationBlue: Snow无线传感器网络具有广

2、阔的应用前景！2022/7/275 美国MIT技术评论（2003年）“无线传感器网络是在不远的将来会产生巨大影响的十种新兴技术之一，它将很快改变计算、医疗、制造、运输和能源基础设施”概 要2022/7/276 美国商业周刊 “无线传感器网络将是21世纪最有影响的21项技术之一” （1999年） 将其与公用计算（Utility Computing）、塑料电子学（Plastic Electronics）和仿生人体器官（Bionic Bodies）称为全球未来四大高技术产业（2003年）概 要2022/7/277概 要传感器，激励器供电设备处理器无线收发器智能微尘（美国国防部在1999年展开研发）：

3、在一立方毫米的范围内包含了从信息收集、信息处理到信息发送的所有必需部件，能够形成自动组织的无线传感器网络。2022/7/278 处理能力无线通信能力感知能力概 要：无线传感器网络定义 无线传感器网络（Wireless Sensor Networks）是由具有感知、处理和无线通信能力的微型节点通过自组织方式形成的网络。2022/7/279无线传感器网络体系结构（1）Internet、卫星或移动通信网络等网关（汇聚节点，Sink node） 大规模的应用可能使用多个网关 使用多种方式与外部网络通信，如 Internet、卫星或移动通信网络等网络节点既是信息包的发起者，也是信息包的转发者。监控中心2

4、022/7/2710平面结构（对等式结构）：所有节点的地位平等 分级结构：网络被划分为簇（Cluster），每一个簇由一个簇头和多个簇成员组成。无线传感器网络体系结构（2）2022/7/2711根据传感器节点在使用中是否移动，可将无线传感器网络分为： 静态（非移动性）网络：节点布置在监测区域内，根据用户的要求，可对各种环境或物体参数进行测量 动态（移动性）网络：传感器节点一般处于移动状态中（如被安置在可移动的物体上）目前大多数是静态网络。无线传感器网络体系结构（3）2022/7/2712无线传感器网络节点（三代）第一代（二十世纪八十年代-九十年代）第二代（2000-现在）第三代（约2010）生

5、产方式定制，如（TRSS：TACTICAL REMOTE SENSOR SYSTEMS，战术远程传感系统）商业：Crossbow公司、Sensoria公司、Ember公司等Dust公司等尺寸鞋盒以上大小手掌至一元硬币大小灰尘颗粒大小重量数千克数克可忽略不计节点架构感知、处理和通信模块分开集成感知、处理和通信模块集成感知、处理和通信模块拓扑端到端（Point-to-Point），星型客户-服务器，点到点（Peer-to-Peer）点到点（Peer-to-Peer）能量供应大容量电池AA电池太阳能生命周期数天或更长数天至数周数月至数年部署方式车载或空投手工部署嵌入式，喷撒概 要：发展历程2022/

6、7/2713MoteWorks 软件平台MoteWorks 硬件平台概 要：发展历程2022/7/2714 http:/概 要：发展历程2022/7/2715 http:/节点网关软件带照相机的节点带显示屏的节点概 要：发展历程2022/7/2716 http:/research/exploratory/motes.htm概 要：发展历程2022/7/2717 /概 要：发展历程2022/7/2718http:/宁波中科集成电路设计中心（中科院计算所宁波分所）概 要：发展历程2022/7/2719自组织 网络的建立和节点间通信不依赖于固定的通信基础设施，而通过分布式网络协议实现组网，自动调整以

7、适应节点的移动、加入和退出、剩余电量和无线传输范围的变化等。节点能力有限 由于低成本、低能耗、体积小、野外部署等要求，传感器节点在供电、计算、存储、通信等方面的能力比较受限。 规模大 传感器网络可能包含多达上千个甚至上万个节点。 高冗余 为了保证网络的可用性和生存能力，传感器网络通常具有较高的节点和网络链路冗余，以及采集的数据冗余。流量不均衡 传感器网络中流向处理中心的数据量往往远大于反方向的流量。数据流向处理中心并在处理中心集中，会出现离处理中心越近，节点负载越重的现象。无线传感器网络特点（1）2022/7/2720空间位置寻址 传感器网络节点不必具有全球惟一的标识，不必采用Internet

8、的IP寻址。用户可不关心数据采集于哪一个节点，而关心数据所属的空间位置，因此可采取空间位置寻址方式。拓扑易变化 传感器网络节点的功率控制、剩余电量下降，以及应用需要使有些节点可能进入休眠状态等因素，将引起网络工作节点在数目和分布上的变化，导致拓扑改变。 数据融合 传感器网络在数据传输过程中，通常要求中间节点能将来自多个传感器的相关数据进行融合，再传送给处理中心。无线传感器网络特点（2）2022/7/2721提 要第1部分第2部分第3部分第4部分第5部分概要协议关键技术应用展望2022/7/2722无线传感器网络协议无线传感器网络自身的特点决定了它不能完全使用目前已经存在的一些标准协议，例如IE

9、EE 802.11已有研究在无线传感器网络使用TCP/IP相关协议（国家发改委下一代互联网示范工程项目“IPv6无线传感器网络节点”） 国外的研究工作者为无线传感器网络的各个层次都提出了一些解决方案，但是总的来说，到目前为止并没有形成较多被广泛认可的协议传输层数据链路层网络层物理层2022/7/2723无线传感器网络协议：物理层物理层负责载波频率产生、信号的调制解调等工作 节点设计利用可获得的元器件构建传感器节点，如围绕TinyOS 项目所设计的系列硬件平台； 采用MEMS 和集成电路技术，设计高度集成化传感器节点，如智能微尘、无线集成网络传感器(WINS) 无线传感器网络的载波媒体可能的选择

10、包括红外线、激光和无线电波。 传输层数据链路层网络层物理层2022/7/2724无线传感器网络协议：数据链路层数据链路层负责媒体访问和错误控制错误控制 媒体访问控制协议（MAC）媒体访问协议保证可靠的点对点和点对多点通信。以竞争为基础的MAC 协议基于预约的MAC 协议研究现状： B-MAC (Berkeley MAC) 、 S-MAC (Sensor MAC)、T-MAC ( Timeout MAC) 、P-MAC (Pattern MAC) 、Z-MAC (Zebra MAC)等传输层数据链路层网络层物理层2022/7/2725无线传感器网络协议：网络层网络层协议主要负责路由发现和维护。无

11、线传感器网络路由协议按照最终形成的拓扑结构，可以划分为平面路由协议和分级路由协议。平面路由协议优点：节点地位平等，原则上不存在瓶颈问题。缺点：可扩充性差，维护动态变化的路由需要大量的控制信息。分级路由协议优点：簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息，可扩充性好。缺点：簇头节点可能会成为网络的瓶颈。 传输层数据链路层网络层物理层2022/7/2726无线传感器网络协议：传输层 传输层负责将传感器网络的数据提供给外部网络。传感器网络节点硬件条件的限制使传输层协议的开发存在一定的困难，每个节点难以如同Internet 上服务器那样存储很多的信息。目前已经开发出的一些演示系统中，一般采用一个特

12、殊的节点作为网关，其硬件配置和电源供给有别于普通节点，网关使用卫星、移动通信网络、Internet 或者其它的链路与外部网络通信。 传输层数据链路层网络层物理层2022/7/2727IEEE 802.15.4/ZigBee协议为低速率的无线个人局域网设计，由IEEE 802.15.4标准的PHY和MAC层再加上ZigBee的网络和应用支持层所组成的。其突出的特点：网络系统支持极低成本易实现可靠的数据传输短距离操作极低功耗各层次的安全性等物理层2.4 GHz 915MHz 868 MHzMAC 层网络层应用接口应用CustomerIEEE802.15.4安全无线传感器网络协议：参考标准2022/

13、7/2728提 要第1部分第2部分第3部分第4部分第5部分概要协议关键技术应用展望2022/7/2729路由技术（1） 面临的问题和挑战：（1）传感器网络的低能量特点使节能成为路由协议最重要的优化目标。 （2）传感器网络的规模更大，要求其路由协议必须具有更高的可扩展性。（3）传感器网络拓扑变化性强，通常的Internet路由协议不能适应这种快速的拓扑变化。 （4）数据融合的特点使传感器网络的路由不同于一般网络。 （5）传感器网络中通信不对称，流量分布不均匀。 2022/7/2730路由技术（2） 研究现状：平面路由协议对候选路径的能耗做出估计，并根据一定的策略选择最佳路由从网络的应用模式出发，

14、进行以数据为中心的路由 定向扩散(directed diffusion)SPIN（Sensor Protocol for Information via Negotiation） 分级路由协议 LEACH、DCHS、PEGAGIS、DAEA、HEED、CEFL、ACMWN、 ACE、EECS、LSCP、TEEN、APTEEN、ECMR等2022/7/2731拓扑管理 拓扑管理：包括拓扑的发现和控制，使生成的网络拓扑满足一定的性质，以延长网络生命周期，降低网络干扰，提高吞吐率。研究进展功率控制： COMPOW、LINT/LILT、LMN/LMA、CBTC、LMST、RNG、DRNG 和DLSS等

15、；层次拓扑控制：TopDisc、GAF、LEACH、HEED等现有研究存在的问题用于建模无线传感器网络的模型过于理想化。节点的分布假设过于理想化。安放无线传感器的区域假设过于理想化。2022/7/2732部署与覆盖 根据被监测的区域或目标的分布情况，对节点部署进行规划，保证网络完全覆盖或以较大概率覆盖被监测区域。部署方式确定部署：需要对网络的物理环境有预先的了解，而且每个部署位置都必须可达，通常适用于工业控制、智能家居等应用中；随机部署：通常用于战场等危险或恶劣的环境。覆盖对象 （a）区域覆盖、（b）点覆盖、（c）栅栏覆盖2022/7/2733数据管理数据管理是确定传感器网络可用性和有效性的关

16、键技术。研究进展数据存储和索引 ：基于地理散列表的方法、DIMENSIONS、DIFS、DIM等 数据融合 ：目前研究集中在聚集算法，包括网络层聚集算法和应用层聚集算法等，这些一般与路由技术（定向扩散、LEECH、TEEN等）紧密结合；数据查询处理与优化 ：目前研究集中在连续查询和近似查询的优化处理技术。 典型系统加州大学伯克利分校TinyDB康奈尔大学COUGAR系统 2022/7/2734安全技术 无线传感器网络的广泛应用，尤其在军事和商业等领域，需要解决安全问题。安全问题 主要存在选择转发、Hello洪泛、女巫攻击、告知收到欺骗、DoS、污水池、蠕虫洞、篡改或重发路由信息等研究进展密钥管

17、理、身份认证和数据加密 TinySec、SensorWare、SPINS、LEAP、基于ECC（椭圆曲线密码）的密钥生成协议安全路由协议：对网络入侵具有抵抗力的路由协议INSENS安全聚集对抗攻击入侵检测2022/7/2735应用操作系统应用操作系统中间件 应用开发平台编译系统工具软件技术2022/7/2736 设计无线传感器的操作系统需要满足传统嵌入式系统对于资源受限、可移植性、实时性等方 面的需求自适应 可信赖：包括可靠性、容错性、安全和私密性、易用性等； 可升级节能目前对无线传感器操作系统的研究集中在资源约束上，主要是采用各种简单有效的运行模式：事件模型、线程模型、状态机模型等 软件技术

18、:操作系统（1）2022/7/2737软件技术:操作系统（2）1TinyOS2MANTIS OS3SOS4Contiki2022/7/2738软件技术:操作系统（3）1TinyOSTinyOS是一个开源的无线传感器网络嵌入式操作系统。它是采用基于组件的体系结构。TinyOS的程序采用的是模块化设计，程序核心一般很小（核心代码和数据大概在400 Bytes左右），能够突破传感器存储资源少的限制，有效运行在无线传感器网络上。TinyOS目标是用最少的硬件支持网络传感器的并发密集型操作。2022/7/2739软件技术:中间件（1）无线传感器网络中间件 一种实现应用系统各成分（如网络节点硬件、操作系统

19、、协议栈和应用逻辑）协同工作的软件基础设施（包含相应的编程模型）。减少项目开发风险缩短应用开发周期增加产品吸引力提供良好的可靠性、可用性和可扩展性提高应用系统质量及可维护性实现应用程序之间透明交互独立于网络通信服务优点2022/7/2740软件技术:中间件（2）研究现状编程支持类编程抽象类虚拟机类数据库类应用驱动类组件类面向消息类全局行为类（宏编程）本地行为类（数据为中心的、几何的）MateMagnet OSImpalaAgillaCougarTinyDBMilanMiresAutoSecGarnetKairosAbstract regionsEnviroTrack DSWareTinyLIM

20、EHoodJanusKenshoCOMiSFACTS2022/7/2741 定位技术自身定位外部目标跟踪 时间同步技术 仿真技术NS2OMNeT+TOSSIMJ-SimShawnSENSSENSE其他技术2022/7/2742提 要第1部分第2部分第3部分第4部分第5部分概要协议关键技术展望应用2022/7/2743无线传感器网络应用无线传感器网络在军事和民用领域有着广阔的应用前景。军事环境监测医疗监护空间探索工业农业基础设施监控商业其他应用 2022/7/2744无线传感器网络是军队在敌对区域中获取情报的重要技术手段，例如，通过飞机将传感器节点撒播在战场上，对化学武器的使用、敌方车辆和士兵的

21、运动进行监测和报告。无线传感器网络应用：军事2022/7/2745无线传感器网络应用：环境监测无线传感器网络为环境监测中的数据收集和处理提供重要的工具，例如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，监测海洋、大气和土壤的成分等。2022/7/2746无线传感器网络应用：环境监测火山喷发监测http:/mdw/proj/volcano/2022/7/2747无线传感器网络应用：环境监测火山喷发监测Tungurahua Volcano （通古拉瓦火山）, Ecuador（厄瓜多尔）2022/7/2748无线传感器网络应用：环境监测火山喷发监测Tungurahua Volcano （通古拉瓦火山）, Ecuador（

22、厄瓜多尔）2022/7/2749无线传感器网络应用：环境监测火山喷发监测Tungurahua Volcano （通古拉瓦火山）, Ecuador（厄瓜多尔）2022/7/2750无线传感器网络应用：环境监测火山喷发监测Tungurahua Volcano （通古拉瓦火山）, Ecuador（厄瓜多尔）2022/7/2751无线传感器网络应用：环境监测火山喷发监测Tungurahua Volcano （通古拉瓦火山）, Ecuador（厄瓜多尔）2022/7/2752无线传感器网络应用：医疗监护在病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，这些节点组成无线传感器网络后，医生就可以随时

23、了解被监护病人的病情，进行及时处理。2022/7/2753无线传感器网络应用：医疗监护中风病人康复中的肢体移动监测http:/mdw/proj/codeblue/2022/7/2754无线传感器网络应用：医疗监护中风病人康复中的肢体移动监测2022/7/2755无线传感器网络应用：空间探索 借助于航天器布撒的传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测是一种经济可行的方案。2022/7/2756无线传感器网络应用：农业在农业生产中，通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。无线传感器网络为研究环境变化对农作物的影响、监测大气和土壤的成分提供了方便。2022/7/2757无线传感器网络应用：工业工业

24、自动控制2022/7/2758无线传感器网络应用：基础设施监控建筑设施健康状态监测2022/7/2759无线传感器网络应用：基础设施监控建筑设施自动控制2022/7/2760无线传感器网络应用：商业很多大公司现已在部署无线传感器网络，以监视库存和检查加油站油泵内的存油状态。 预计2015年传感器网络节点可以成为“超级RFID” ，主动监测货物参数并记录相关数据，还能够在某些参数超过临界值时发出警报。2022/7/2761无线传感器网络应用：其他应用 在灾难拯救、家 庭、交通运输、文物保护等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。灾难拯救2022/7/2762无线传感器网络应用

25、：其他应用 家 庭在灾难拯救、家 庭、交通运输、文物保护等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。2022/7/2763无线传感器网络应用：其他应用 交通运输在灾难拯救、家 庭、交通运输、文物保护等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。2022/7/2764无线传感器网络应用：其他应用 文物保护在灾难拯救、家 庭、交通运输、文物保护等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。2022/7/2765提 要第1部分第2部分第3部分第4部分第5部分概要协议关键技术应用展望2022/7/2766发展趋势：利弊 天使的面孔：智能微尘能带来的用途是显而易见的。魔鬼的力量：个人隐私不复存在 2006 年2 月国务院发布国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020 年），在“亟待科技提供支撑”的国民经济和社会发展重点领域中，“传感器网络及智能信息处理”被列为“信息产业”中七个主题之一。2022/7/2767 发展趋势:节点（1）2022/7/2768 智能微尘（Smart Dust）原型Golem Dust（太阳能供电、双向光通信、加速度和光传感器、11.7立方毫米总外接体积）Daft Dust （双向光通信、63立方毫米总外接体积）Spec（第一个集成射频通信模块，2mmx2.5mm, 类AVR RISC核, 3K存储器, 8 b