《物联网概论》第7章传感器网络

第7章传感器网络7.1无线传感器网络概述7.2无线传感器网络的通信协议7.3无线传感器网络的组网技术7.4无线传感器网络的核心支撑技术7.5无线传感器网络的应用开发7.6基于现场总线的传感网第一页，共113页。第一页，共113页。传感器网络无线传感器网络WSNWirelessSensorNetwork有线传感器网络现场总线2第二页，共113页。第二页，共113页。7.1无线传感器网络概述7.1.1无线传感器网络的组成7.1.2无线传感器网络的体系结构7.1.3无线传感器网络的特征7.1.4WSN所面临的挑战及发展趋势第三页，共113页。第三页，共113页。无线传感器网络的定义由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成的，并通过无线通信形式形成的一个多跳的自组织的网络系统4第四页，共113页。第四页，共113页。7.1.1无线传感器网络的组成无线传感器节点汇聚节点管理节点5第五页，共113页。第五页，共113页。无线传感器网络的组成6第六页，共113页。第六页，共113页。1.无线传感器节点微型的嵌入式系统信息收集处理传递存储融合转发7第七页，共113页。第七页，共113页。无线传感器网络节点结构8第八页，共113页。第八页，共113页。无线传感器节点组成传感模块处理模块无线通信模块能量供应模块9第九页，共113页。第九页，共113页。2.汇聚节点功能较为强大的嵌入式基站主要负责收集、汇聚数据经由网关提交给管理节点汇聚节点和网关通常集成在一个物理设备中10第十页，共113页。第十页，共113页。3.管理节点一台计算机或者功能强大的嵌入式处理设备配置和管理网络发布监测任务收集监测数据11第十一页，共113页。第十一页，共113页。7.1.2无线传感器网络的体系结构物理层数据链路层网络层传输层应用层12第十二页，共113页。第十二页，共113页。无线传感器网络的协议体系结构13第十三页，共113页。第十三页，共113页。7.1.3无线传感器网络的特征自组网络Adhoc网络无基础设施自组织的无线多跳网络14第十四页，共113页。第十四页，共113页。无线传感器网络的特点自组织网络大规模网络动态性网络数据汇聚型网络以数据为中心的网络与应用相关的网络15第十五页，共113页。第十五页，共113页。7.1.4WSN所面临的挑战及发展趋势灵活、自适应的网络协议体系结构跨层设计与其他网络的融合16第十六页，共113页。第十六页，共113页。

7.2无线传感器网络通信协议7.2.1MAC协议7.2.2路由协议7.2.3传输协议第十七页，共113页。第十七页，共113页。7.2.1MAC协议1．竞争型MAC协议2．调度型MAC协议 3．混合型MAC协议18第十八页，共113页。第十八页，共113页。MAC媒介访问控制MediumAccessControl共享信道的分配19第十九页，共113页。第十九页，共113页。无线传感器网络MAC协议特殊性能量有效性可扩展性冲突避免信道利用率时延吞吐量公平性20第二十页，共113页。第二十页，共113页。MAC协议类型竞争型调度型混合型21第二十一页，共113页。第二十一页，共113页。1．竞争型MAC协议CSMA/CAS-MACT-MACPMACWiseMACSift22第二十二页，共113页。第二十二页，共113页。S-MAC协议S-MAC协议的消息收发序列23第二十三页，共113页。第二十三页，共113页。T-MAC协议T-MAC协议的基本机制24第二十四页，共113页。第二十四页，共113页。T-MAC协议早睡问题时间帧划分25第二十五页，共113页。第二十五页，共113页。

2．调度型MAC协议TRAMASMACSDMAC26第二十六页，共113页。第二十六页，共113页。TRAMA协议包括三个部分：邻居协议NP调度交换协议SEP自适应时隙选择算法AEA27第二十七页，共113页。第二十七页，共113页。分配方法TDMA时分多址时分复用FDMA频分多址CDMA码分多址28第二十八页，共113页。第二十八页，共113页。3．混合型MAC协议μ-MACZMAC29第二十九页，共113页。第二十九页，共113页。μ-MAC协议适合于周期性数据采集的无线传感器网络固定基站提供信标源实现时钟同步信道结构竞争期无竞争期30第三十页，共113页。第三十页，共113页。Z-MAC协议低流量条件下使用CSMA信道访问方式高流量条件下使用TDMA信道方式31第三十一页，共113页。第三十一页，共113页。7.2.2路由协议1．以数据为中心的路由协议2．集群结构路由协议3．基于地理位置信息的路由协议4．基于服务质量的路由协议32第三十二页，共113页。第三十二页，共113页。传感器网络路由特点能量高效可扩展性鲁棒性快速收敛性33第三十三页，共113页。第三十三页，共113页。1．以数据为中心的路由协议对数据进行融合减少冗余的数据传输典型协议SPINDD34第三十四页，共113页。第三十四页，共113页。SPIN协议SPIN协议的工作流程35第三十五页，共113页。第三十五页，共113页。DD协议定向扩散协议DirectedDiffusion36第三十六页，共113页。第三十六页，共113页。2．集群结构路由协议LEACHPEGASISTEENAPTEENTTDD37第三十七页，共113页。第三十七页，共113页。LEACH协议LEACH协议网络结构图38第三十八页，共113页。第三十八页，共113页。PEGASIS协议PEGASIS协议网络结构图39第三十九页，共113页。第三十九页，共113页。3．基于地理位置信息路由协议GAFGPSRGEAR40第四十页，共113页。第四十页，共113页。4．基于服务质量的路由协议SARSPEED41第四十一页，共113页。第四十一页，共113页。7.2.3传输协议1．PSFQ传输协议2．ESRT传输协议42第四十二页，共113页。第四十二页，共113页。无线传感器网络传输协议技术由传感器执行拥塞检测采用事件到汇聚节点的可靠性模型消极确认机制局部缓存和错误恢复机制43第四十三页，共113页。第四十三页，共113页。1．PSFQ传输协议PSFQPumpSlowlyFetchQuickly缓发快取44第四十四页，共113页。第四十四页，共113页。PSFQ传输协议机制缓存机制每个中间节点都缓存数据报文。消极确认机制索取汇聚机制NACK报文中饱含希望接受的所有数据报文的序号。局部错误恢复的快速索取和慢速发布机制45第四十五页，共113页。第四十五页，共113页。2．ESRT传输协议ESRTEvent-to-SinkReliableTransport事件到汇聚节点的可靠传输46第四十六页，共113页。第四十六页，共113页。

7.3无线传感器网络组网技术7.3.1ZigBee网络的特点7.3.2ZigBee网络的设备和拓扑结构7.3.3ZigBee协议栈第四十七页，共113页。第四十七页，共113页。无线传感器网络的组网模式网状模式簇树模式星型模式48第四十八页，共113页。第四十八页，共113页。7.3.1ZIGBEE网络的特点简介特点49第四十九页，共113页。第四十九页，共113页。ZigBee网络简介ZigBee联盟IEEE802.15.4标准个域网标准50第五十页，共113页。第五十页，共113页。ZigBee网络指标2.4GHz传输速率为20~250kbit/s传输距离为10~75m，51第五十一页，共113页。第五十一页，共113页。ZigBee网络的特点省电廉价可靠时延短网络容量大安全保障52第五十二页，共113页。第五十二页，共113页。7.3.2ZIGBEE网络设备和拓扑结构网络设备网络拓扑结构53第五十三页，共113页。第五十三页，共113页。ZigBee网络节点设备全功能设备FFDFull-FunctionDevice精简功能设备RFDReduced-FunctionDevice54第五十四页，共113页。第五十四页，共113页。ZigBee网络设备类型协调器路由器终端设备55第五十五页，共113页。第五十五页，共113页。协调器星型点到点56第五十六页，共113页。第五十六页，共113页。ZigBee网络的拓扑结构星型网状簇树57第五十七页，共113页。第五十七页，共113页。7.3.3ZIGBEE协议栈1．ZigBee物理层2．ZigBee媒介访问控制层3．ZigBee网络层4．ZigBee应用层58第五十八页，共113页。第五十八页，共113页。ZigBee协议栈4层模型59第五十九页，共113页。第五十九页，共113页。ZigBee数据的封装ZigBee各层帧结构的封装关系60第六十页，共113页。第六十页，共113页。1．ZigBee物理层1）激活和休眠射频收发器；2）信道能量检测；3）链路质量指示；4）空间信道评估；5）信道的频段选择；6）收发数据61第六十一页，共113页。第六十一页，共113页。物理层参考模型62第六十二页，共113页。第六十二页，共113页。三个频段27个信道信道的频段中心63第六十三页，共113页。第六十三页，共113页。信道分配及调制方式IEEE802.15.4标准工作频率、带宽以及调制方式等参数物理层（MHz）频段（MHz）扩频参数数据参数码片速率（kchip/s）调制方式比特率（kbps）符号速率（ksymbols/s）符号868/915868~868.6300BPSK2020二进制902~928600BPSK4040二进制24502400~2483.32000O-QPSK25062.5十六进制64第六十四页，共113页。第六十四页，共113页。物理帧结构PPDU组成PHYProtocolDataUnit同步头物理帧头物理帧负载65第六十五页，共113页。第六十五页，共113页。

2．ZigBee媒介访问控制层MAC数据服务MAC管理服务66第六十六页，共113页。第六十六页，共113页。MAC子层功能协调器产生、发送信标帧，普通设备根据信标帧与协调器同步；支持PAN网络的关联和取消关联（association）（disassociation）使用CSMA-CA机制访问物理信道；采用时槽保障机制；GuaranteedTimeSlot，GTS提供MAC实体间的可靠连接；支持无线信道安全67第六十七页，共113页。第六十七页，共113页。MAC层参考模型68第六十八页，共113页。第六十八页，共113页。MAC帧构成帧头MHRMAC负载帧尾MHR69第六十九页，共113页。第六十九页，共113页。MAC帧格式70第七十页，共113页。第七十页，共113页。

3．ZigBee网络层节点加入或离开网络接收或抛弃其它节点路由查找传送数据71第七十一页，共113页。第七十一页，共113页。网络层接口与结构72第七十二页，共113页。第七十二页，共113页。ZigBee网络层帧结构73第七十三页，共113页。第七十三页，共113页。4．ZigBee应用层应用支持子层应用对象应用框架74第七十四页，共113页。第七十四页，共113页。应用支持子层参考模型75第七十五页，共113页。第七十五页，共113页。

7.4无线传感网核心支撑技术7.4.1拓扑控制7.4.2时间同步7.4.3数据融合第七十六页，共113页。第七十六页，共113页。7.4.1拓扑控制1．功率控制算法2．层次拓扑结构控制算法77第七十七页，共113页。第七十七页，共113页。拓扑控制的意义降低节点能量消耗，延长网络生存时间利于应用分布式算法为路由协议提供基础有利于数据融合降低节点通信干扰，提高网络吞吐量78第七十八页，共113页。第七十八页，共113页。1．功率控制算法发射功率决定了节点的通信距离多跳方式尽可能地降低节点的发射功率79第七十九页，共113页。第七十九页，共113页。2．层次拓扑结构控制算法簇内节点簇头节点分簇算法分布式集中式80第八十页，共113页。第八十页，共113页。7.4.2时间同步1．无线传感器网络的传输时延2．时间同步的分类3．无线传感器网络的时间同步协议81第八十一页，共113页。第八十一页，共113页。时间同步的设计要求稳定性能量有效可扩展性82第八十二页，共113页。第八十二页，共113页。1．无线传感器网络的传输时延发送时间访问时间传播时间接收时间83第八十三页，共113页。第八十三页，共113页。

2．时间同步的分类排序相对同步绝对同步84第八十四页，共113页。第八十四页，共113页。

3．WSN的时间同步协议RBSTPSNDMTSLTS85第八十五页，共113页。第八十五页，共113页。7.4.3数据融合1．数据融合的作用2．数据融合的种类和方法86第八十六页，共113页。第八十六页，共113页。1．数据融合的作用节省能量获得更准确的信息提高数据收集效率87第八十七页，共113页。第八十七页，共113页。2．数据融合的种类和方法种类方法88第八十八页，共113页。第八十八页，共113页。数据融合的种类有损融合和无损融合局部融合和全局融合数据级、特征级融合和决策级融合像素级融合特征级融合决策级融合89第八十九页，共113页。第八十九页，共113页。数据融合的方法贝叶斯方法神经网络法D-S证据理论90第九十页，共113页。第九十页，共113页。

7.5无线传感器网络应用开发7.5.1无线传感器网络的硬件开发7.5.2无线传感器网络的软件开发7.5.3无线传感器网络操作系统第九十一页，共113页。第九十一页，共113页。7.5.1无线传感器网络的硬件开发1．无线传感器网络的硬件产品分类2．传感器节点的设计92第九十二页，共113页。第九十二页，共113页。1．WSN的硬件产品分类硬件产品的4个等级H1级H2级H3级H4级93第九十三页，共113页。第九十三页，共113页。

2．传感器节点的设计传感器模块处理器模块无线收发模块能量供应模块94第九十四页，共113页。第九十四页，共113页。7.5.2无线传感器网络的软件开发1软件开发层次2．nesC编程语言简介95第九十五页，共113页。第九十五页，共113页。1软件开发层次传感器应用节点应用网络应用96第九十六页，共113页。第九十六页，共113页。软件开发设计要求软的实时性能量优化模块化面向具体应用可管理，97第九十七页，共113页。第九十七页，共113页。

2．nesC编程语言简介组件的创建和使用相分离组件使用接口进行功能描述接口是双向的组件按功能不同分为两种配件模块nesC的并发模型基于“运行到底”的任务构建98第九十八页，共113页。第九十八页，共113页。7.5.3无线传感器网络操作系统1．无线传感器网络操作系统实例2．TinyOS操作系统99第九十九页，共113页。第九十九页，共113页。1．无线传感网络操作系统实例TinyOSTRONSOSMANTISOS100第一百页，共113页。第一百页，共113页。

2．TinyOS操作系统事件驱动基于组件开源101第一百零一页，共113页。第一百零一页，共113页。

7.6基于现场总线的传感网7.6.1现场总线7.6.2几种有影响的现场总线技术第一百零二页，共113页。第一百零二页，共113页。7.6.1现场总线定义特点103第一百零三页，共113页。第一百零三页，共113页。现场总线的定义现场总线是应用