无线传感器网络(1)课件

1、第1章 无线传感器网络概述计算机科学系 宋文线传感器网络2本章内容简介无线传感器网络概述无线传感器网络的发展历程无线传感器网络的研究现状和前景无线传感器网络的特点无线传感器网络体系结构无线传感器网络的关键技术无线传感器网络应用与发展典型短距离无线通信网络技术无线传感器网络的主要研究领域使用教材：ZigBee技术与实训教程 姜仲编著 清华大学出版社31.1 无线传感器网络概述无线传感器网络（WSN），是由部署在检测区域内的大量廉价微型传感器节点，通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织的网络系统。它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络、无线通信和分布式信息处理等技术，这些信

2、息通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监测、感知和采集，通过无线方式传送。41.1 无线传感器网络概述无线传感器网络具有以下显著特点:节点数量多，网络密度高分布式的拓扑结构，无基础设施支持自组织特性，可以随时随地自动组网1.3 无线传感器网络的研究现状和前景2001年1月MIT技术评论将无线传感器列于十种改变未来世界新兴技术之首。2003年8月，商业周刊预测：无线传感器网络将会在不远的将来掀起新的产业浪潮。2004年IEEE Spectrum杂志发表一起专集：传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。1.3 无线传感器网络的研究现状和前景我国在未来2

3、0年预见技术的调查报告中，信息领域157项技术课题有7项与传感器网络直接相关。2006年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与无线传感器的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。可以预计，无线传感器网络的研究与应用是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。1.4 无线传感器网络的特点自组织、动态性网络，节点随机加入和离开以数据为中心的网络多跳路由应用相关的网络传感器节点出现故障的可能性较大1.5 无线传感器网络体系结构传感器节点由四部分组成：传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块，如图所示。1.5 无线传感器网络体系结构传感器

4、模块：负责采集监测区域内的信息采集，并进行数据格式的转换，将原始的模拟信号转换成数字信号，将交流信号转换成直流信号，以供后续模块使用；处理器模块：又分成两部分，分别是处理器和存储器，它们分别负责处理节点的控制和数据存储的工作；无线通信模块：专门负责节点之间的相互通信；电源模块就用来为传感器节点提供能量，一般都是采用微型电池供电。 1.5 无线传感器网络体系结构大量传感器节点随机部署在监测区域，通过自组织的方式构成网络。传感器节点采集的数据通过其它传感器节点逐跳地在网络中传输，传输过程中数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到达数据处理中心。也可以沿着相反的方向

5、，通过管理节点对传感器网络进行管理，发布监测任务以及收集监测数据。1.5 无线传感器网络体系结构网络协议体系结构是无线传感器网络的“软件”部分，包括网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件应完成功能的定义与描述。由网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术组成，如图所示。1.5 无线传感器网络体系结构数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制； 实现数据流的多路复用，保证无线传感器网络中节点之间的连接1.5 无线传感器网络体系结构网络层主要负责路由生成与路由选择；无线传感器网络中节点和接收器节点之间需要特殊的多跳无线路由协议。为了增加路由可达度，并考虑到无线传感器网络的节点

6、具有非稳定性，多使用广播通信，路由算法也基于广播方式进行优化 1.5 无线传感器网络体系结构传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；1.5 无线传感器网络体系结构应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件； 能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量； 移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置； 任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。1、时间同步技术:时间同步技术是完成实时信息采集的基本要求，也是提高定位精度的关键手段。常用方法是通过时间同步协议完成节点间的对时，通过滤波技术抑制

7、时钟噪声和漂移。最近，利用耦合振荡器的同步技术实现网络无状态自然同步方法也倍受关注，这是一种高效的、可无限扩展的时间同步新技术。1.6 无线传感器网络的关键技术时间同步技术为了保证节点间能以统一步调运作，必须对各节点进行定期时间同步时间同步对时间敏感监测应用非常关键，同时它也是一些依赖于局部同步或全局同步的网络协议设计的基础基于广播参考的时间同步算法（Reference-Broadcast Synchronization），相邻节点间定期广播参考信号，各节点以自己的时钟记录事件，随后用接收到的广播的参考时间加以校正3、分布式数据管理和信息融合分布式动态实时数据管理是以数据中心为特征的WSN网络

8、的重要技术之一。该技术通过部署或者指定一些节点为代理节点，代理节点根据监测任务收集兴趣数据。监测任务通过分布式数据库的查询语言下达给目标区域的节点。在整个体系中，WSN网络被当作分布式数据库独立存在，实现对客观物理世界的实时和动态的监测。1.6 无线传感器网络的关键技术4、安全技术安全通信和认证技术在军事和金融等敏感信息传递应用中有直接需求。传感器网络由于部署环境和传播介质的开放性，很容易受到各种攻击。但受无线传感器网络资源限制，直接应用安全通信、完整性认证、数据新鲜性、广播认证等现有算法存在实现的困难。鉴于此，研究人员一方面探讨在不同组网形式、网络协议设计中可能遭到的各种攻击形式；另一方面设

9、计安全强度可控的简化算法和精巧协议，满足传感器网络的现实需求。1.6 无线传感器网络的关键技术智能交通智能农业医疗健康工业监控军事应用灾难救援与临时场合家庭应用1.7 无线传感器网络应用与发展中国物联网产业整体发展预测无线传感器网络的产业规模发展预测工业环境监测工业环境的监测范围已经涉及到整个生态环境的各个方面，包括日常环境监测，如大气，水，电磁辐射和放射性监测等；同时还存在一些特殊的区域环境监测，如沙漠、高山和存在放射源等区域的监测。这些环境对传感器产品的灵活性、可靠性和安全性提出了高要求。无线传感器网络产品可以突破传统的监测方法，在满足了灵活性、可靠性和安全性的同时，为工业环境的监测降低了

10、成本，同时也大幅度缩减了传统监测的繁琐流程，为随机性的研究数据获取提供了便利。随着人们对于工业环境的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，对无线传感器网络产品的需求将逐步扩大。智能电网当前，全球能源、环境、气候变化等问题日益突出，世界各国纷纷把开发利用清洁能源作为能源发展与变革的重点。智能电网如今已经成为物联网技术的重要应用之一，也是电网发展的必然趋势。智能电网通过先进的传感测量技术、通讯技术、先进的控制方法和决策支持系统技术的应用，确保电力供应的安全性、可靠性和经济性。为了使智能电网的持续运营，设备安全保障已经成为了关键问题。由于电网设备长期处于高电压、大电流等工作状态，同时面临雷

11、雨等极端自然环境的威胁，对设备实施智能监控显得尤为重要。无线传感器网络产品可对电网设备进行远程的监控，了解设备的工作状态，并将数据传输到控制中心，对设备进行统一管理，同时实时监控也提高了维护效率。随着智能电网计划的推进，对电网设备的智能化监控需求形成了巨大的无线传感器网络产品市场。智能工业我国工业制造业正面临新一轮产业革命的契机，制造企业利用物联网技术进行改造升级的需求十分迫切，IT企业也借助物联网技术，迅速向工业领域渗透。以智能化为核心的工业4.0的提出，契合了物联网技术向工业领域融合的趋势。智能制造中的核心之一是工业过程的智能监测。将无线传感器网络技术应用到智能监测中，将有助于工业生产过程

12、工艺的优化，同时可以提高生产线过程检测、实时参数采集、生产设备监控、材料消耗监测的能力和水平，使得生产过程的智能监控、智能控制、智能诊断、智能决策、智能维护水平不断提高。随着物联网的发展和工业4.0的进一步推进，以智能化为核心的工业过程控制将得到快速发展，进而拉动对基于无线传感器网络技术的工业过程监测系统解决方案的市场需求无线传感器网络产品飞速增长的主要原因随着整个物联网生态环境的成熟，工业物联网也由政府主导开始慢慢发展。中国工业感测终端的数量保持着飞速增长的态势，2014年中国工业感测终端数量为7亿左右，预计伴随着中国制造2025的推行，到2020年，中国工业感测终端将突破20亿个。无线通信

13、、功耗、极端微型化（驱动力之一是MEMS传感器）以及嵌入式计算方面的发展，也促成了面向工业环境的无线传感器网络的兴起。工业无线传感器网络产品会随着“中国制造2025”的提出所带动的企业生产线改造和IT设备升级改造一直高速增长到2019年，并一直保持着上升趋势。红外数据传输(IrDA)红外数据协会(IrDA)为短距离红外无线数据通信制定了一系列开放的标准。IrDA（Infrared Data Association）是点对点的数据传输协议，通信距离很短，一般在01m，通信介质为波长为900nm左右的近红外线，传输速率最快可达16Mbps。其传输具有角度小（30角以内）、距离短、数据直线传输、传输

14、速率较高，保密性强等特点，适用于传输大容量的文件和多媒体数据。并且无须申请频率的使用权，成本较为低廉。目前主流的软硬件平台均提供对IrDA的支持，IrDA已被全球范围内的众多厂商采用。1.8 典型短距离无线通信网络技术蓝牙(Bluetooth)1994年由爱立信公司首先提出的一种短距离无线通信技术规范，这个技术规范是使用无线连接来替代已经广泛使用的有线连接。1999年12月1日发布了“蓝牙”标准1.0B版，2014年12月2日发布最新标准4.1版蓝牙技术能实现单点对多点的无线数据和声音传输，通信距离在10m半径范围内，数据传输带宽最高可达1Mb/s，工作在全球开放的2.4GHz ISM频段，使

15、用跳频技术1.8 典型短距离无线通信网络技术无线局域网802.11(Wi-Fi)Wi-Fi(Wireless Fidelity，无线保真)是属于无线局域网(WLAN)的一种，通常是指IEEE80211b产品，是利用无线接人手段的新型局域网解决方案。Wi-Fi的主要特点是传输速率高、可靠性高、建网快速、便捷、可移动性好、网络结构弹性化、组网灵活、组网价格较低等，因此具有良好的发展前景。1.8 典型短距离无线通信网络技术蓝牙 vs Wi-Fi蓝牙和Wi-Fi有些类似的应用：设置网络、打印、或传输文件。Wi-Fi主要用于替代工作场所一般局域网接入中使用的高速线缆。这类应用有时也称作无线局域网（WLA

16、N）。蓝牙主要用于便携式设备及其应用。这类应用也被称作无线个人域网（WPAN）。蓝牙可以替代很多应用场景中的便携式设备的线缆，能够应用于一些固定场所，如智能家庭能源管理（如恒温器）等。蓝牙 vs Wi-FiWi-Fi和蓝牙的应用在某种程度上是互补的。Wi-Fi通常以接入点为中心，通过接入点与路由网络形成非对称的客户机-服务器连接。蓝牙通常是两个蓝牙设备间的对称连接。蓝牙适用于两个设备通过最简单的配置进行连接的简单应用，如耳机和遥控器的按钮Wi-Fi更适用于一些能够进行稍复杂的客户端设置和需要高速的应用中，尤其像通过存取节点接入网络。但是，Wi-Fi的点对点连接不像蓝牙容么易，但也是可能的。Wi

17、-Fi Direct是最近开发的、为Wi-Fi添加了类似蓝牙的点对点功能。网络拓扑管理网络协议网络安全定位技术时间同步技术数据融合1.9 无线传感器网络的主要研究领域网络拓扑管理无线传感器网络是自组织的，如果有一个很好的网络拓扑控制管理机制，对于提高路由协议和MAC协议效率是很有帮助的，还有利于延长网络寿命目前主要研究方向是在满足网络覆盖度和连通度的情况下，通过选择路由路径，生成一个能高效转发数据的网络拓扑结构节点功率控制控制每个节点的发射功率，均衡节点单跳可达的邻居数目层次型拓扑控制采用分簇机制，部分节点作为簇头，作为簇的中心，簇内每个节点的数据都要通过它来转发网络协议由于传感器节点的计算、

18、存储、通信能力有限，每个节点都只能获得局部网络拓扑信息，在节点上运行的网络协议也要尽可能简单目前研究的重点主要集中在网络层和MAC层上网络层的路由协议主要控制信息的传输路径，好的路由协议不但要考虑到每个节点的能耗，还要关心整个网络的能耗均衡，使网络的寿命尽可能延长MAC层协议主要控制介质访问，控制节点为通信过程和工作模式。设计MAC协议首先要考虑的是节省能量和可扩展性，其次考虑公平性和带宽利用率。能量消耗主要发生在空闲侦听、碰撞重传和接收到不需要的数据等方面，MAC层协议主要研究如何减少这些情况网络安全从维护路由安全的角度出发，寻找安全的路由。如果路由被破坏而导致传送的消息被篡改，对于应用层上的数据包来说没有任何的安