基于Zigbee的无线传感器网络

wireless

sensor

network无线传感器网络（WSN）综述---王宣丹

2007/6/6主要内容：WSN概述历史以及发展现状

WSN的体系结构

WSN的特征WSN的应用

WSN的协议关键技术未来发展机遇展望WSN概述无线传感器网络（wireless

sensornetwork,WSN）系统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、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等。WSN概述（续）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

卫星传感器节点组成，通过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。《MIT技术评论》：麻省理工学院学刊传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官被列为未来3大高科技产业效用计算、传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官是全球未来的四大高技术产业WSN概述（续）影响力☆美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展报告中将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之

一。☆传感器网络被列为未来3大高科技产业一。☆美国的《技术评论》将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术。☆《商业周刊》预测的未来4大新技术中，无线传感器网络也列入其中等。DARPA：（Defence

Advanced

Research

Projects

Agency）洛杉矶加利福尼亚大学（University

of

California,Los

Angeles，通常缩写为UCLA，也常譯稱為加州大學洛杉磯分校）历史以及发展现状国外：起源于美国，根源可追溯到1978年由国防部高级研究计划署（DARPA）在卡内基-梅隆大学发起的分布式传感器研讨会。具有代表性的项目包括：1993-1999年间由美国国防高级研究计划署(DARPA)资助，加州大学洛杉矶分校(UCLA)承担的WINS项目；1999-2001年间由DAPRA资助UC

Berkeley承担的Smart

Dust项目。在美国军方、美国国家自然科学基金和一些跨国企业的支持下，美国在90年代初便开展了无线传感器网络的研究和开发。其中，具有代表性的项目包括：1993?D1999年间由美国国防高级研究计划署(DARPA)资助，加州大学洛杉矶分校(UCLA)承担的WINS项目；1999?D2001年间由DAPRA资助，UC

Berkeley承担的Smart

Dust项目；1998?D2002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?D2004年间海军研究办公室的SeaWeb计划等。目前为止，已开发的无线传感器网络节点有：Berkeley

Motes、Berkeley

Piconodes、Sensoria

WINS、MITuAMPs、Smart

Mesh

Dust

Mote、Intel

iMote以及Intel

Xscale

Nodes等。不同的节点设计针对不同的应用场合，硬件大小、功耗、设计代价也不尽相同，但大部分的节点都支持TinyOS操作系统。近年来，在中国国家自然科学基金、国家“863”计划基金的支持下，中国的一些研究机构也开始开展无线传感器网络领域的研究，包括中国科学技术大学、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。历史以及发展现状（续）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。历史以及发展现状（续）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。Sink是一个汇聚节点。WSN的体系结构传感器网络结构WSN的体系结构（续）传感器节点结构WSN的体系结构（续）传感器网络协议栈WSN的特征☆与无线网络的区别传感器网络集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目庞大（上千甚至上

万），分布密集，因环境和能量的耗尽，容易出现故障，节点通常固定不动。能量、处理能力、存储能力、通信能力有限。不同于传统无线网络的高服务质量和高效的带宽的利用，节能是其设计的首要考虑因素。WSN的特征（续）☆节点的限制※电池能量有限※通信能力有限能量消耗和通信距离关系E正比于d(n).{2<n<4}※计算和存储能力有限鲁棒是Robust的音译，也就是健壮和强壮的意思。鲁棒性（robustness）就是系统的健壮性。它是在异常和危险情况下系统生存的关键。比如说，计算机软件在输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下，能否不死机、不崩溃，就是该软件的鲁棒性。所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同定

义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。WSN的特征（续）☆传感器网络的特点：大规模网络自组织网络动态性网络可靠性网络应用性相关的网络

以数据为中心的网络C4ISRT（command,control,communication,computing,intelligence,surveillance,reconnaissance

and

targeting）（指挥、控制、通信、计算机、情报、监视、侦察、目标捕获）美海军21世纪C4ISRT（指挥、控制、通信、计算机、情报、监视、侦察、目标捕获）系统包括以下几个领域：第一，建立信息网络，这牵涉到海军和陆战队内部网、"21世纪信息技术"、安全和保障、数据链路、带宽。第二，提高情报、监视、侦察和捕获目标能力，包括空间/卫星通信、无人机/TCS、作战识别（ID）、一体化广播服务、TENCAP计划等领域。第三，建立和共享画面，包括通用作战画面、海军全球指挥控制系统（GCCS－M）。1997

年美海军作战部长提出"网络中心战"概念，认为"这是从平台中心战向网络中心战的根本性转变"。网络中心战的一体化信息网络由信息网、探测装置网、射手（交战）网组成。目的是将各总司令、军种、局的操作者、探测装置、武器系统、信息和知识网络到一起，形成不同于原来烟筒式信息系统的新信息系统，提高掌握态势的能力，缩短决策时间，提高指挥速度，使"观察－判断－决定－行动"所用的时间（∑△T＋决策时间）小于敌人行动的时间，密切各单位的协调和合作。美海军通过建设海军基地地区网络、首都地区网络（NMCT）、广域网、网络操作中心、部署单位或机动单位实施"21世纪信息技术"计划（自99财年到02财年装备几十艘舰艇），将拥有全球保密端对端的通信能力。提高情报、监视、侦察和目标捕获（ISRT）能力。目的是更好地执行监视和侦察、目标捕获和定位、瞄准、武器发射和制

导、武器寻的、战损评估等任务，还包括作战识别，以保证投送支援力量、避免互相误伤、识别未知的事物、交战需要的积极识别、远距离（视线外）精确武器制导，以及非合作、间接/电子战。提高情报、监视、侦察和目标捕获（ISRT）能力包括空间/卫星通信、无人机/TCS、作战识别（ID）、一体化广播服务、TENCAP等计划。改进数据链。现在使用的视线和视线外（高频和卫星通信）的11号链路、"联合战术信息分发系统"的4号链路（E－2、F－14）、"多功能信息分发系统"（F/A－18、EA－6B、"拉法尔"、欧洲战斗机EF2000）16号链路、北约的22号链路、海军陆战队战斗机中队（VMF）F/A－18使用的链路最终统一为J系列链路和CDL宽带链路。同时努力提高近实时数据传输能力，包括通过战术数据链A、B、J获得近实时航空数据；近实时威胁和报警数据（TRAP/时分数据系统、TIBS、TBMD、NRTI/NRTD）；近实时地面与海事数据；支援数据库；支援工具；形成通用大屏幕图像显示。解决带宽问题。1991年沙漠风暴时，美军使用的特高系统每秒48千比特，国际海事卫星每秒传输2.4-9.6千比特，便携式通信系统和移动通信系统每秒1.2-9.6千比特。现在，美军使用的极高频系统（24个低速率信道）每秒21.6千比特，超高频每秒128千比特－1.544兆比特。将来，"全球广播系统"（GBS）每秒1.544-24兆比特，"挑战雅典娜"每秒1.544兆比特，对战士电视直播每秒3.6兆比特，未来极高频MDR每秒4.8千比特－1.544兆比特。重视空间系统的导航、侦察监视、通信、气象和海洋学作用。导航系统包括全球定位系统、导航战、导航探测装置系统接口等领域。空间情报、监视、侦察和目标捕获系统包括海军空间监视、战区弹道导弹防御、目标捕获、交战和战斗管理、国家探测装置系统。气象和海洋学卫星，用于提供战斗空间自然环境特点，包括气象和海洋学（METOC）、舰载终端（SMQ－11）、印度洋（IO）成像卫星等领域。通信领域包括军用和民用卫星通信、舰载卫星通信终端、后继特高频（UFO）、机动用户目标系统（MUOS）、PMW－146改变为PD－14/SSA。现在的特高频卫星星座由舰队卫星和后继特高频（UFO）组成，计划于2003年发射第11颗卫星舰队卫星，以保持特高频卫星利用率高于70％。2007年机动用户目标系统达到初始作战能力。"多功能信息分发系统"计划大量生产。美海军C4系统包括：指挥信息系统。指挥信息系统是海军实现"哥白尼"战略的指挥、控制和情报系统，目的是建成一个通用的C4I结构，为舰队提供通用的战术画面。指挥信息系统使用通用操作环境（COE）、通用编程接口、发展者用的通用综合标准和通用人机接口，WSN的应用☆军事上的应用传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合军事上的应用。通过飞机或炮弹直接将传感器节点散播到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感网络，就能隐蔽而且近距离的准确收集战场信息。例:传感器网络已经成为美军事C4ISRT系统必不可少的一部分。WSN的应用（续）☆环境观测和预报系统可以用于检视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表监测、气象和地理研究、洪水监测等。例：alert系统中就有用于监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。WSN的应用（续）☆医疗护理用于人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。例：一个可以成像的特殊发送器芯片与精巧设计的超低功率无线技术结合，就可以实现可用于一个胃肠道诊断的微型吞服摄像胶囊。患者吞下维C片大小的成像胶囊后，胶囊经过食道、胃和小肠时就可将图象广播出来。胶囊由一个摄象机、LED、电池、特制芯片和天线组成。（如图）WSN的应用（续）WSN的应用（续）☆智能家居家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连在一起。为人提供人性化的家居环境。例：Avaak提供一个只有1立方英寸大小的自治产品。这个微型的无线视频平台包含有一节电池、无线电、摄像相机、(彩色成像器加镜头)、控制器、天线和温度传感器。（如图）WSN的应用（续）WSN的应用（续）☆建筑物状态监控利用传感器网络监控建筑物的安全状态。例：Microstrain在佛蒙特州的一座重载桥梁上安装了一套该公司研制的系统，将位移传感器安装在钢梁上用来测量静态和动态应力，并通过无线网络来采集数据。该无线系统可以保留在桥梁上用于长期监测桥梁是否处于正常受控状态。（如图）WSN的应用（续）美国国家航空航天局（National

Aeronautics

and

Space

Administration，NASA）WSN的应用（续）☆完成空间探索借助于航天器在外星体撒播一些传感器网络节点，可以对星球表面进行长时间监测。成本低、节点体积小，相互之间可以进行通信，也可以和地面站进行通信。例：NASA的JPL（Jet

Propulsion

Laboratory）实验室研制的Sensor

Webs就是为将来的火星

探测进行技术准备。该系统已经在实施测试和完善。WSN的协议MAC协议在无线传感器网络中，介质访问控制协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。☆设计MAC协议时考虑：※节省能量※可扩展性※网络效率WSN的协议（续）MAC协议MAC网络能量浪费主要原因：※数据重传，耗费节点更多能量。※节点接受不必要的数据。※节点不需要发送数据时，过度侦听。※信道分配时，控制消息过多。WSN的协议（续）MAC协议节点无线通信模块的状态包括：发送状态、接受状态、侦听状态、睡眠状态。各状态耗能按上述顺序依次减少，因此通常采用”侦听/睡眠”交替使用的无线信道使用策略。TDMA（time

division

multiple

access）WSN的协议（续）MAC协议针对不同的传感器网络应用，提出不同的

MAC协议，主要分3类：※时分复用（TDMA）的MAC协议。※随机竞争的MAC协议。※其他MAC协议。如：频分复用或码分复用等协议。MD（Mediation

Device）WSN的协议（续）MD协议节点平均耗能表示为：P=a

*

P0

+（1-a）*

PsP：平均功耗。a：节点工作占空比。

P0：活动状态下的功耗。

Ps：待机状态下的功耗。WSN的协议（续）MD协议对于大多数应用P0>>Ps.所以可以通过降低占

空比来延长寿命。但是对于极低的占空比来说，节点间同步非常困难，网络工作时，所有节点

99.9%处于待机状态，引入仲裁设备就是保持

功耗最小化的同时实现稳定的时间同步。工作过程如下：RTS/CTS协议即请求发送/允许发送协议，相当于一种握手协议。RTS是准备好发送（Request

To

Send

）WSN的协议（续）MD协议①节点A连续发送RTS信标并等待RTS应答。②节点B醒来发送一个查询信标，MD记录A、B之间的时间偏移。收到节点B的查询信