无线传感器网络智能技术与应用 课件 第1章绪论

无线传感器网络智能技术与应用武汉理工大学清华大学出版社

2025年5月

无线传感器网络武汉理工大学人工智能与计算机学院

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第1章绪论

第1章绪论◆掌握无线传感器网络的定义。•掌握无线传感器网络系统的组成。•理解无线传感器网络与无线网络的关系。•掌握无线传感器网络的特点。•掌握无线传感器网络的关键性能指标。•了解无线传感器的发展历史。•了解无线传感器网络的应用。学习目标

无线网络的分类，分为两种：1.1WSN的基本概念1.1.1无线网络的描述无线网络的定义：1.全球语音和数据网络（近距离）；

2.红外线技术及射频技术（远距离）；3.

最大的不同在于传输媒介的不同（用无线技术替代了网络）（提问:计算机网络定义?）图1-1无线网络的分类有基础设施：需要固定机站；请举例？无基础设施：没有固定机站。1.1.1无线网络的描述（继）无线AdHoc网络分类（两类）1、移动AdHoc网络；2、无线传感器网络移动AdHoc网络的终端是快速移动的；无线传感器网络的结点是静止的或者移动很慢。Adhoc网络是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络，又称为多跳网、无基础设施网或自组织网。无线自组网定义是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。

单跳是指直接通信;

多跳是指间接通信。无线传感器网络的标准定义：无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络；

目的：是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。

英文及缩写：是WirelessSensorNetwork，简称WSN。

自组织---

在传感器网络应用中,通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方,传感器节点的位置不能预先精确设定,节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。1.1.2WSN的定义（1）图1-2的理解：WSN与现代信息技术的关系

1.1.2WSN的定义（2）数据采集、处理、传输----对应着----传感器技术、计算机技术、通信技术----分别构成了信息系统-------“感官”、“大脑”、“神经”。无线传感器网络组成如图1-3所示。图1-31.1.3WSN系统的组成图1-3WSN系统由（1）传感器节点、（2）汇聚节点（基站、网关节点、Sink节点）、（3）通信卫星和管理节点等构成。大家讨论一下系统组成节点的功能。1.2WSN的特点1.2.1与无线自组网的区别

传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但也存在很大的差别，主要表现在如下三个方面：（1）节点数目更为庞大(上千甚至上万)，节点分布更为密集；（2）通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的；（3）传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的设计目标：（1）是提供高服务质量和高效带宽利用；（2）其次考虑节约能源。

现代无线传感器网络的首要设计目标：是能源的高效使用。1.2.2与现场总线的区别（1）现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。区别如下五方面：（1）是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行数字化的网络；（2）是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线；（3）作为一种网络形式，专门为实现在严格的实时约束条件下工作而特别设计的；（4）严格的实时性要求，现场总线的网络构成通常是有线的；（5）通过报告传感数据来控制物理环境，从某种程度上说现场总线与传感器网络非常相似，无线传感器网络可以看作是无线现场总线的实例。目前市场上较为流行的现场总线有：（1）CAN(控制局域网络)、（2）Lonworks(局部操作网络)、（3）Profibus(过程现场总线)、（4）HART(可寻址远程传感器数据通信)、（5）FF(基金会现场总线)等。在开放式通信系统互联参考模型中,它利用的只有第一层(物理层)、第二层(链路层)和第七层(应用层),避开了多跳通信和中间节点的关联队列延迟。1.2.2与现场总线的区别(2)1.2.3传感器节点的限制（1）1．电源能量有限

传感器节点消耗能量的模块：包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。

图1-4传感器节点能量消耗情况图1-4:无线通信模块由发送、接收、空闲和睡眠四种状态组成。大家讨论一下图1-4的能量消耗情况，说明采取节能的方法。1.2.3传感器节点的限制（2）2．通信能力有限无线通信的能量消耗与距离的关系为：

式中k是系数，参数n满足关系2<n<4，n的取值与很多因素有关。一般而言，传感器节点的无线通信半径在100m以内比较合适。 传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps的速率。

3．计算和存储能力有限

传感器节点是一种微型嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱。每个节点兼顾传统网络终端和路由双重功能。1.2.4WSN的特点1.自组织性

节点放置在没有基础结构设施的地方；位置不能预先精确设定；节点之间的相互邻居关系预先也不知道。2.以数据为中心

因特网是一个以地址为中心的网络；传感器网络是一个以数据为中心的网络。3．应用相关性

不同的传感器网络应用关心不同的物理量；不同的应用背景对传感器网络的要求不同,它们的硬件平台、软件系统和网络协议会有所差别。4．动态性

(1)环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；(2)环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化,甚至时断时通；(3)传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；(4)新节点的加入。5．网络规模大(1)传感器节点分布地理区域大；(2)传感器节点部署很密集；6．可靠性

传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人员不能到达的区域,传感器节点可能工作在露天环境中,遭受太阳的暴晒或风吹雨淋,甚至遭到无关人员或动物的破坏。1.3WSN的关键性能指标（1）

根据WSN的特有结构及应用的特殊要求,WSN的关键性能评估指标为四种：1．网络的工作寿命任何一个传感器网络搭建之前首先要考虑的就是系统的工作寿命。影响网络工作寿命的首要因素是能源供给；多数的应用场合中大部分网络节点还是采用自身供电方式。2.网络覆盖范围

WSN的第二大性能指标是网络的覆盖范围。在WSN中,覆盖范围不仅仅局限于单个节点的无线通信距离,

理论上可以无限地扩展网络的范围；

实际应用中,覆盖范围越大,信息传递所需经过的节点越多；对于处于关键路径的节点,需要传输的次数也会越多,增加网络节点的功耗,降低网络的工作寿命。和覆盖范围相关的是网络容纳节点的数量,即可扩展性。1.3WSN的关键性能指标（2）3.网络搭建成本和难易程度网络搭建容易是WSN的突出优点。

理想情况下,传感器网络可以根据任意的节点布置方式自组织网络；

真实的应用环境中,不同的场景和目的制约着节点的布置方式,节点不可能任意无限制地布置。

搭建网络时,WSN还应该能够自我评定网络组建的性能以及指标潜在的问题,要求任意一个节点都可以发现与其相关的链路信息并评定其链接性能。4.网络响应时间

每个网络都存在一个特定的响应时间,

响应时间可能不会有非常严格的要求,在安全监测类系统中,网络的响应时间是主要的评定指标,即发生安全异常事件时必须立即发送警报消息。1.4WSN的应用(1)1．军事应用

实现对兵力和装备监控、战场的实时监视、目标定位、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。2．环境科学

传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便,可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境状况等,也可用于跟踪鸟类、小型动物和昆虫进行种群复杂度的研究。3．空间探索

借助于航天器在外星体随机撒播无线传感器节点,自组织构建的WSN可以对星球表面实施长时间的监测。4．医疗健康

通过在病人身上安装特殊用途的传感器节点,,医生就可以利用WSN随时了解被监护病人的病情。1.4WSN的应用(2)15．智能家居

家庭自动化(嵌入智能吸尘器、智能微波炉、电冰箱等,实现遥控、自动操作和基于Internet与手机网络等的远程监控)和智能家居环境(如根据亮度需求自动调节灯光,根据家具脏的程度自动进行除尘等)。6．建筑物和大型设备安全状态的监控

对建筑物安全状态的监控,可以检查出建筑物(如房屋、桥梁等)中存在的安全隐患或建筑缺陷,对一些大型设备(如工厂自动化生产线、货物列车等)运行状态的监控及时掌握设备的运行情况,7．紧急援救

发生了地震、水灾、火灾、爆炸或恐怖袭击后8．其他商业应用

自组织、微型化和对外部世界的感知能力是WSN的三大特点,城市车辆监测和跟踪系统、仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具等众多领域。1.5WSN的发展历史11.5.1计算设备的演化历史图1-2直观描述了计算设备的演化历史图1-2计算设备的演化历史11．第一阶段：传统的传感器系统2．第二阶段：传感器网络结点集成化3．第三阶段：多跳自组网1.5.2无线传感器网络发展的三个阶段1.6WSN未来的发展趋势11.无线多媒体传感器网络2.泛在传感器网络3.具有认知功能的传感器网络4.基于超宽带(UWB)技术的无线传感器网络5.基于协作通信技术的无线传感器网络小结第1章绪论1.1WSN的基