第1章 无线传感器网络基础知识

1、无线传感器网络,大理大学数学与计算机学院 电话通信工程教研室&物联网实验室,主讲人：罗桂兰,1,参考教材,课程导论,主要参考教材 曾圆圆 .无线传感器网络技术与应用，清华大学出版社 ,2014-09 崔逊学，左从菊.无线传感器网络简明教程，清华大学出版社，2009-07. 余成波，李洪兵，陶红艳.无线传感器网络实用教程，清华大学出版社 ，2012-04.(21世纪高等学校规划教材物联网 ) 许毅.无线传感器网络原理及方法M.北京:清华大学出版社,2012,2,2020/10/20,课程要求,课程导论,课程性质 专业教育选修课程 成绩评定： 总成绩=平时 (50%)+期

2、末考试(50%) 平时成绩：考勤50%+课堂互动作业50% 期末成绩：课程设计 学时安排： 总学时32,3,2020/10/20,教学方法,课程导论,专业教育选修课，重在专业知识的实用性、实时性及创新性教育。 实用性：讲解与通信工程专业相关的知识 实时性：结合多种教材和社会发展实时资料 创新性：通过多种教学和考试方法培养学生能动性 交互讨论式教学 重在启发学生思维，激发学生兴趣，能够主动学习，并理论联系实际，学以致用。 以项目设计引导学生自主创新 针对通信工程专业所涉及的知识给予学生创新思维和创新能力培养。,4,2020/10/20,课程意义,2001年911历史事件,寻找拉登藏身之处,应用需

3、求引发无线传感器网络研究热潮,课程导论,设想如果在拉登经常活动的地区大量投放各种微型探测传感器，采用无线多跳自组网方式，将发现的信息以类似接力赛的方式，传送给远在波斯湾的美国军舰。,5,2020/10/20,综观计算机网络技术的发展史，应用需求始终是推动和左右全球网络技术进步的动力与源泉。,无线传感器网络的发展几乎呈爆炸式的趋势,课程导论,6,2020/10/20,课程内容,课程导论,第1 章 无线传感器网络基础知识 第2 章 无线传感器网络组网技术 第3 章 无线传感器网络通信技术 第4 章 无线传感器网络应用开发,7,2020/10/20,1.1 无线传感器网络的概念,1.2 传感器网络的

4、发展历史,1.3 传感器网络的应用情况,1.4 传感器网络的关键技术,8,2020/10/20,教学目的：掌握传感器网络的基本情况,本章重点：基本概念、应用情况,9,2020/10/20,回顾：什么是计算机网络?,计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。,10,2020/10/20,什么是无线网络?,所谓无线网络，就是利用无线电波作为信息传输的媒介构成的无线局域网（WLAN），与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网

5、线，可以和有线网络互为备份。,11,2020/10/20,无 线 网 络,有基础设施网,无基础设施网,移动Ad hoc网络,无线传感器网络,1.1 无线传感器网络的概念,无线蜂窝网,无线局域网,12,2020/10/20,无线传感器网络与移动ad hoc的不同,WSN 结点数量更为庞大 多数节点为静止 节点分布更为密集 能量约束 结点更容易出错 拓扑结构变化频繁,Ad hoc 几十至上百个节点 局域网 节点全移动 结构变化（移动） 能量可连续提供 点到点通信,Wireless Sensor Network, 简称WSN,13,2020/10/20,无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组

6、织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。,“无线传感器网络”术语的标准定义,传感器技术,计算机技术,通信技术,计算机技术,14,2020/10/20,处理能力,无线通信能力,感知能力,WSN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。,思考：什么是节点? 传感器节点？网络节点？,15,2020/10/20,与WSN相关的技术： 微电子技术 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 由部署在观测环境附近的大量的微型廉价低功耗的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的无线网络系统。,解

7、释1,16,2020/10/20,解释2,传感器网络的三个基本要素： 传感器 感知对象 观察者 传感器网络的四个基本功能： 协作地感知 采集 处理 发布感知信息,17,2020/10/20,传感器技术,计算机技术,通 信 技 术,感 官,大 脑,神 经,现代信息技术,信息系统,无线传感器网络,18,2020/10/20,传感模块负责探测目标的物理特征和现象,计算模块负责处理数据和系统管理,存贮模块负责存放程序和数据,通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收,电源模块负责节点供电,节点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议,思考：什么是传感器？传感(器)模块？传感器节点？,19,

8、2020/10/20,物 理 层,数据链路层,网 络 层,传 输 层,应 用 层,能 量 分 配,移 动 管 理,应 用 优 化,无线传感器网络五层协议,物理层负责载波频率的产生、信号调制、解调,数据链路层负责媒体接入和差错控制,网络层负责路由发现与维护,传输层负责数据流的传输控制,应用层负责任务调度、数据分发等具体业务,跨层设计,能量分配是尽量延长网络的可用时间,移动管理主要对节点移动进行检测和注册,应用优化是根据应用需求优化调度任务,20,2020/10/20,传感器网络的常用逻辑结构图,传感器1,传感器2,传感器N,无线链路,无线接口 模块,监控主机,21,2020/10/20,传感器网

9、络体系结构,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(sensor node -传感器节点 )既是信息包的发起者，也是信息包的转发者。,sensor field -监测区域,22,2020/10/20,传感器网络的实体,传感器节点 功能：采集、处理、控制和通信等 网络功能：兼顾节点和路由器 资源受限：存储、计算、通信、能量 Sink节点 功能：连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转

10、发收集到的数据。 特点：连续供电、功能强、数量少等,23,2020/10/20,感知能力计算能力通信能力 体积小 能耗小 由六部分组成,现代微型传感器节点,24,2020/10/20,传感器节点实物示例,25,2020/10/20,水温传感器实物示例,水温传感器的作用是把冷却水温度转换为电信号,26,2020/10/20,温湿度传感器实物示例,热电阻温度传感器,温湿度传感器,红外测温传感器,温湿度传感器,27,2020/10/20,红外传感器实物示例,28,2020/10/20,位移/运动传感器实物示例,29,2020/10/20,速度传感器实物示例,感应式车速传感器,30,2020/10/2

11、0,传感器节点实物示例,31,2020/10/20,传感器节点实物示例,32,2020/10/20,传感器节点实物示例,33,2020/10/20,第一阶段,最早可以追溯二十世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。,美越战争 胡志明小道,1.2 传感器网络的发展历史,美军投放了2万多个“热带树”传感器。,34,2020/10/20,热带树,热带树,轰炸机,所谓“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁

12、或炸坏4.6万辆卡车。,震动和声响传感器节点,35,2020/10/20,传统的感知方法,有线/无线连接,传感器接近感知对象 传感器仅产生数据流 传感器无计算能力 无传感器间通信能力,36,2020/10/20,现代感知方法,Sensing Area,传感器网络覆盖感知对象区域 每个传感器完成其临近感知对象的观测 多传感器协同完成感知区域的大观测任务 使用多跳路由算法向用户报告观测结果,Sink,Internet 或 通信卫星,Sensor network,终端节点,协调器,网关（汇聚节点）,37,2020/10/20,第二阶段,感知能力计算能力通信能力,1999年商业周刊将传感器网络列为二十

13、一世纪最具影响的21项技术之一 。,二十世纪80年代至90年代之间,38,2020/10/20,第三阶段,21世纪开始至今,2001,911事件,2002,橡树岭实验室提出“网络就是传感器”。,2003,2006,美国技术评论杂志评出深远影响人类未来生活的十大新兴技术，传感器网络列为第一 。,我国发布国家中长期科学与技术发展规划纲要。,39,2020/10/20,计算设备的演化历史,贝尔定律：每10年会有一类新的计算设备诞生。,40,2020/10/20,改变世界的十个新兴技术,41,2020/10/20,未来四大高技术将掀起新产业浪潮,42,2020/10/20,无线传感器网络节点发展特点,

14、43,2020/10/20,概念区分：,互联网（抽象） 计算机网络(统称) Internet（专有） 无线网络 无线蜂窝网 无线局域网 无线自组织网络 移动Ad hoc网络 无线传感器网络 网络节点（统称） 无线传感器网络节点 汇聚节点(Sink node) 传感器节点 传感(器)模块 传感器,44,2020/10/20,（一）民事应用,1.3 传感器网络的应用情况,45,2020/10/20,大鸭岛海燕监测,无人干扰监测,鸟 巢,海 燕,大 鸭 岛,思考：如何设计？,2002年英特尔研究人员传感器放置在海燕鸟巢附近，获取海燕生活环境的数据。他们使用的传感器包括光、湿度、气压、红外、图像等，通

15、过无线自组网，将数据经卫星传输到加州的服务器，实现了对敏感野生动物的无人干扰监测。,46,2020/10/20,桥 梁 监 测,健 康 监 测,海 洋 监 测,环 境 监 测,采用位移传感器测量桥梁建筑的应力，确保桥梁长期处于正常状态。,用于检测人类慢性疾病的指标，特别是中老年人的健康监护。,利用移动机器人和固定采集点，对生态环境进行监测。,对海洋表面的污染程度进行监测，采用飞机收集数据。,思考：如何设计？,47,2020/10/20,电力高压线,高尔夫球场,葡 萄 园,道 路 交 通,实时监控电力高压线的应力、温度和震动，在大雪覆盖时可以快速诊断出故障发生的地点。,监测高尔夫球场草皮植被的湿

16、度，以便适时地喷洒浇水。,监测葡萄园的温室气候，因为葡萄园温湿度的细微变化对葡萄酒的质量影响很大。,监测道路状况，如大雾、地面积水、冰冻。,思考 ：如何设计？,48,2020/10/20,智能停车场,物流系统,列车铁轨,高速公路系统,在停车场智能引导停车泊位。,在物流系统中，监测物资的保存状态和数量。,对列车铁轨的状态是否正常进行监测。,在高速公路系统，辅助完成不停车收费功能。,思考 ：传感器作用？,49,2020/10/20,韩国济州岛智能渔场,北京大兴区菊花基地,克尔斯博公司,主要是实现了自动收集渔场饲养环境的参数，确定投放饲料的数量 。,采集日光温室和土壤的温湿度参数，提高了菊花生产的管

17、理水平，使得生产成本至少下降了25%。他们采用克尔斯博公司提供的产品，这个公司是全球最大的传感器网络产品制造商。,50,2020/10/20,浙江温州的奶牛牧场,沈阳玫瑰园,沈阳玫瑰园采用传感器网络设备，实现了整个玫瑰花观光温室参数的自动采集 。,浙江温州的奶牛牧场，结合传感器网络和射频识别技术，给奶牛戴上身份标识，防止走失。,51,2020/10/20,课堂讨论,请结合中国实际应用，充分发挥想象力，分组展开课堂讨论：举例列出传感器网络还可以有哪些用途？,52,2020/10/20,二零零八年五月十二日汶川地区发生强烈地震,光纤传感器网络,53,2020/10/20,医疗监护,在病人身上安装特

18、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，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。,54,2020/10/20,中风病人康复中的肢体移动监测,/ mdw/proj/codeblue/,医疗监护,55,2020/10/20,中风病人康复中的肢体移动监测,医疗监护,56,2020/10/20,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。,57,2020/10/20,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

19、的影响、监测大气和土壤的成分提供了方便。,58,2020/10/20,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。 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。,59,2020/10/20,（二）军事应用,60,2020/10/20,联合国维和部队,伊 拉 克,微型感应传感器网络,核武器和生化武器,2003年联合国维和部队进入伊拉克，综合使用了商用间谍卫星和超微型感应的传感器网络，对伊拉克的空气、水和土壤进行连续不断的监测，以确定伊拉克有无违反国际公约的核武器和生化武器。,61,

20、2020/10/20,美军未来战斗系统的战场警戒示意图,传感器节点,通行车辆,在美军的未来战斗系统中，布置在道路两侧的传感器网络探测出通行的车辆目标信号，传输给士兵的手持终端设备，实现战场警戒功能。,62,2020/10/20,枪声定位反恐系统,最近美军装备的枪声定位系统，用于打击恐怖分子和战场上的狙击手。部署在街道或道路两侧的声响传感器，检测轻武器射击时产生的枪口爆炸波，以及子弹飞行时产生的震动冲击波，这些声波信号通过传感器网络传送给附近的计算机，计算出射手的坐标位置。,63,2020/10/20,F-22猛禽战斗机,美国F-22猛禽战斗机,机外传感器网络,美国空军F-22猛禽战斗机，现在在

21、机体外侧也安装了传感器网络，能够提前发现敌机，通过与机载火控系统相结合，可以在没有任何征兆的情况下，超视距发射空空导弹将敌机击落。,64,2020/10/20,美军“沙地直线”项目,无线链路,目标探测、分类和跟踪,传感器节点,传感器节点,2002年美军在俄亥俄州大规模试验了“沙地直线”项目系统，也就是地面战场无线传感器网络，能够检测出入侵的高金属含量目标。,65,2020/10/20,密封形封装罩,节点封装示例（一）,特点： 表面光滑 可以滚动 自动调整姿态位置 万向节固定架设计,66,2020/10/20,节点封装示例（二）,锥形罩,特点： 底基重量大 自正位 “悬垂钟摆”式电路板 飞机抛撒

22、,67,2020/10/20,“狼群”地面传感器网络,美军共计完成23项传感器网络项目,通信工程专业、计算机专业,68,2020/10/20,无线传感器网络带来什么弊端？,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。,69,2020/10/20,通信能力有限 节点通信覆盖范围只有几十到几百米,关键之一 如何在有限的通信能力条件下, 完成探测数据的传输？ 无线通信技术是第一项关键技术！,1.4 传感器网络的关键技术,70,2020/10/20,电源能量有限 通常电池供电，工作环境恶劣，一次部署终生使用，更换电池困难,关键之二 如何节省电源、最大化网络的使用寿命？ 低功耗设计问题是第二项关键技术！,71,2020/10/20,从图中可知传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块