1、无线传感器网络技术基础无线传感器网络技术基础适用：电气信息类专业适用：电气信息类专业章节内 容 学时学时 1绪论32常用微型传感器13传感器网络的通信技术44传感器网络的支撑技术65传感器网络的应用开发基础66传感器网络协议的技术标准27传感器网络技术的应用28无线传感器网络设计与实验8 本课章节与课时安排教材及参考书教材及参考书n1、无线传感器网络简明教程，崔逊学，清华大、无线传感器网络简明教程，崔逊学，清华大学出版社学出版社n2、无线传感器网络，孙利民，清华大学出版社、无线传感器网络，孙利民，清华大学出版社n3、智能无线传感器网络，于海斌，科学出版社、智能无线传感器网络，于海斌，科学出版社
2、 联系方式联系方式办公室：基础实验楼办公室：基础实验楼340340电电 话：话：8431546884315468E-mailE-mail：911历史事件历史事件寻找拉登藏身之处寻找拉登藏身之处应用需求引发研究热潮应用需求引发研究热潮综观计算机网络技术的发展史，应用需求始终是推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。动和左右全球网络技术进步的动力与源泉。一一什么是无线传感器网络什么是无线传感器网络二二传感器网络的发展历史传感器网络的发展历史三三传感器网络的应用情况传感器网络的应用情况四四传感器网络的关键技术传感器网络的关键技术v教学目的：掌握传感器网络的
3、基本情况v本章重点：基本概念、应用情况无无 线线 网网 络络有基础设施网有基础设施网无基础设施网无基础设施网移动移动Ad hocAd hoc网络网络无线传感器网络无线传感器网络有基础设施的网络有基础设施的网络n需要固定基站需要固定基站, ,如使用的手机，属于无线蜂窝网，如使用的手机，属于无线蜂窝网，需要高大的天线和大功率基站来支持，基站就是需要高大的天线和大功率基站来支持，基站就是最重要的基础设施；最重要的基础设施；n使用无线网卡上网的无线局域网，由于采用了接使用无线网卡上网的无线局域网，由于采用了接入点这种固定设备，也属于有基础设施网。入点这种固定设备，也属于有基础设施网。无基础设施网无基础
4、设施网- -无线无线Ad hocAd hoc网络网络n节点是分布式的，没有专门的固定基站节点是分布式的，没有专门的固定基站。n无线无线Ad hoc网络分为两类网络分为两类: : 一类是一类是移动移动Ad hoc网络网络( (Mobile Ad hoc Network, ,简称简称MANET) )，终端是快速移动的。终端是快速移动的。n另一类就是另一类就是无线传感器网络无线传感器网络, ,节点是静止的或者移节点是静止的或者移动很慢。动很慢。 无线传感器网络无线传感器网络(WSN)是是大量大量的静止或移动的的静止或移动的传感传感器器以以自组织自组织和和多跳多跳的方式构成的无线网络，目的是的方式构成
5、的无线网络，目的是协协作作地地采集采集、处理处理和和传输传输网络覆盖地域内感知对象的网络覆盖地域内感知对象的监监测信息测信息，并报告给，并报告给用户用户。传感器技术传感器技术计算机技术计算机技术通通 信信 技技 术术感感 官官大大 脑脑神神 经经现代信息技术现代信息技术信息系统信息系统无线传感器网络无线传感器网络物物 理理 层层数据链路层数据链路层网网 络络 层层传传 输输 层层应应 用用 层层能能 量量 分分 配配移移 动动 管管 理理应应 用用 优优 化化1.1传感器网络的常用逻辑结构图传感器网络的常用逻辑结构图传感器传感器1 1传感器传感器2 2传感器传感器N N无线链路无线链路无线接口
6、无线接口模块模块监控主机监控主机基本工作过程基本工作过程n(1) 传感器节点的处理器模块完成计算与控制功能，传感器节点的处理器模块完成计算与控制功能，射频模块完成无线通信传输功能，传感器探测模射频模块完成无线通信传输功能，传感器探测模块完成数据采集功能，通常由电池供电，封装成块完成数据采集功能，通常由电池供电，封装成完整的低功耗无线传感器网络。完整的低功耗无线传感器网络。n(2) 网关节点只需要具有处理器模块和射频模块，网关节点只需要具有处理器模块和射频模块，通过无线方式接收探测终端发送来的数据信息，通过无线方式接收探测终端发送来的数据信息，再传输给有线网络的再传输给有线网络的PC机或服务器。
7、机或服务器。n(3) 各种类型的低功耗网络终端节点可以构成星形各种类型的低功耗网络终端节点可以构成星形拓扑结构，或者混合型的拓扑结构，或者混合型的ZigBee拓扑结构，有的拓扑结构，有的路由节点还可以采用电源供电方式。路由节点还可以采用电源供电方式。1.2传感器网络节点的结构 1 1、节点的体系组成、节点的体系组成 从无线联网的角度来看，传感器网络节点从无线联网的角度来看，传感器网络节点的体系由分层的的体系由分层的网络通信协议、网络管理平台网络通信协议、网络管理平台和应用支撑平台和应用支撑平台三个部分。三个部分。1.3 1.3 网络体系结构网络体系结构节点的体系组成节点的体系组成 类似于传统类
8、似于传统InternetInternet网络中的网络中的TCP/IPTCP/IP协议体系，协议体系，它由物理层、数据它由物理层、数据链路层、网络层、链路层、网络层、传输层和应用层组传输层和应用层组成。成。(1) 网络通信协议网络通信协议(2) (2) 网络管理平台网络管理平台 网络管理平台网络管理平台主要是对传感器节点自身的管主要是对传感器节点自身的管理和用户对传感器网络的管理，包括拓扑控制、理和用户对传感器网络的管理，包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。网络管理等。(3) (3) 应用支撑平台应用支撑平台 应用支撑
9、平台应用支撑平台建立在网络通信协议和网络建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上，包括一系列基于监测管理技术的基础之上，包括一系列基于监测任务的应用层软件任务的应用层软件; ; 通过应用服务接口和网络管理接口来为通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。终端用户提供各种具体应用的支持。应用支撑平台包括如下内容：应用支撑平台包括如下内容： 时间同步时间同步 定位定位 应用服务接口应用服务接口 网络管理接口网络管理接口2 2、传感器网络的结构、传感器网络的结构 根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。分为平面
10、结构和分级结构。 如果网络的规模较小，一般采用平面结构。如如果网络的规模较小，一般采用平面结构。如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。(1) (1) 平面结构平面结构 平面结构的网络平面结构的网络比较简单，所有节点比较简单，所有节点的地位平等，又称为的地位平等，又称为对等式结构。对等式结构。 源节点和目的节源节点和目的节点之间一般存在多条点之间一般存在多条路经，网络负荷由这路经，网络负荷由这些路径共同承担，一些路径共同承担，一般情况下不存在瓶颈，般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。网络比较健壮。平面结构的不足平面结构的不足 平面型的网络结构在节点的组织
11、、路由建平面型的网络结构在节点的组织、路由建立、控制与维持的报文开销上都存在问题；立、控制与维持的报文开销上都存在问题； 这些开销会占用很大的带宽，影响网络数这些开销会占用很大的带宽，影响网络数据的传输速率；据的传输速率； 整个系统在宏观上将损耗很大的能量；整个系统在宏观上将损耗很大的能量； 可扩充性差。可扩充性差。(2) (2) 分层结构分层结构分层结构的特点分层结构的特点 传感器网络被划分为多个簇；传感器网络被划分为多个簇； 每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。簇头形成了高一级的网络。 簇头节点负责簇间数据的转发，簇成员只负簇
12、头节点负责簇间数据的转发，簇成员只负责数据的采集。大大减少了网络中路由控制信息责数据的采集。大大减少了网络中路由控制信息的数量；的数量； 具有很好的可扩充性。具有很好的可扩充性。分层结构的不足分层结构的不足 簇头的能量消耗问题较大，簇头发送和接收簇头的能量消耗问题较大，簇头发送和接收报文的频率要高出普通节点几倍或十几倍；报文的频率要高出普通节点几倍或十几倍； 在簇内运行簇头选择程序来更换簇头。在簇内运行簇头选择程序来更换簇头。1.41.4传感器节点的限制条件传感器节点的限制条件 传感器网络由数据获取子网、数据分布子网和传感器网络由数据获取子网、数据分布子网和控制管理中心三部分组成。控制管理中心
13、三部分组成。 主要组成部分是集成了主要组成部分是集成了传感器、数据处理单元传感器、数据处理单元和通信模块的节点，和通信模块的节点，节点通过协议自组织成一个分节点通过协议自组织成一个分布式网络，将采集的数据优化后经无线电波传输给布式网络，将采集的数据优化后经无线电波传输给信息处理中心。信息处理中心。 传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在一些限制和约束。存在一些限制和约束。 1 1、电源能量有限、电源能量有限 耗能模块包括传耗能模块包括传感器模块、处理器模感器模块、处理器模块和无线通信模块。块和无线通信模块。 随着集成电路工随着集成电路工艺的进步
14、，处理器和艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能得很低，绝大部分能量主要消耗在无线通量主要消耗在无线通信模块上。信模块上。 1 1、电源能量有限、电源能量有限 传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。传感器节点传输信息时要比执行计算时更模块。传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能；消耗电能； 传输传输l l比特信息比特信息100m100m距离需要的能量大约相距离需要的能量大约相当于执行当于执行30003000条计算指令所消耗的能量。条计算指令所消耗的能量。2 2、通信能力受限、通信能力受限 通常无线通信的能量消耗
15、与通信距离的关系符合通常无线通信的能量消耗与通信距离的关系符合如下规律：如下规律： n n满足关系满足关系2n42n4。n n的取值与很多因素有关，如的取值与很多因素有关，如传感器节点部署贴近地面时，障碍物多、干扰大，传感器节点部署贴近地面时，障碍物多、干扰大，n n取值就大；天线质量对信号发射质量影响也很大。取值就大；天线质量对信号发射质量影响也很大。 通常取通常取n n为为3 3，假定通信能耗与距离三次方成正比。，假定通信能耗与距离三次方成正比。 随着通信距离的增加，能耗会急剧增加；随着通信距离的增加，能耗会急剧增加； 在满足通信连通性的前提下应尽量减少单跳的在满足通信连通性的前提下应尽量
16、减少单跳的通信距离；通信距离； 一般而言，传感器节点的无线通信半径在一般而言，传感器节点的无线通信半径在100m100m以内比较合适。以内比较合适。3 3、计算和存储能力受限、计算和存储能力受限 节点是微型嵌入式设备，价格低、功耗小，导节点是微型嵌入式设备，价格低、功耗小，导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。 节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。等多种工作。 如何利用有限的计算和存储资源完成诸多
17、协同如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计所需要考虑的问题。任务成为传感器网络设计所需要考虑的问题。1.5 1.5 组网特点组网特点 无线传感器网络具有无线传感器网络具有Ad HocAd Hoc网络的移动网络的移动性、断接性、电源能力局限性等共同特征；性、断接性、电源能力局限性等共同特征； 在组网方面具有一些鲜明的自身特点。在组网方面具有一些鲜明的自身特点。它的主要特点包括它的主要特点包括自组织性自组织性、以数据为中心以数据为中心、应用相关性应用相关性、动态性动态性、网络规模大和网络规模大和需要需要高高的可靠性的可靠性等等。第一阶段第一阶段最早可以追溯二十世纪最早可以追
18、溯二十世纪7070年代越战时期使用的年代越战时期使用的传统的传感器系统。传统的传感器系统。胡志明小道胡志明小道胡志明小道胡志明小道热带树热带树热带树热带树轰炸机轰炸机有线有线/ /无线连接无线连接第二阶段第二阶段19991999年商业周刊将传感器网络年商业周刊将传感器网络列为二十一世纪最具影响的列为二十一世纪最具影响的2121项技术之一项技术之一 。二十世纪二十世纪8080年代年代至至9090年代之间年代之间第三阶段第三阶段2121世纪开始至今世纪开始至今20012001911911事件事件20022002橡树岭实验室提出橡树岭实验室提出“网络就是传网络就是传感器感器”。20032003200
19、62006美国美国技术评论技术评论杂志评出深远杂志评出深远影响人类未来生活的十大新兴技影响人类未来生活的十大新兴技术，传感器网络列为第一术，传感器网络列为第一 。我国发布我国发布国家中长期科学与技国家中长期科学与技术发展规划纲要术发展规划纲要。巨型机巨型机 小型机小型机 工作站工作站 PC PDA WSNWSN 节点等节点等 生物芯片生物芯片 计算设备的演化历史计算设备的演化历史无人干扰监测无人干扰监测鸟鸟 巢巢海海 燕燕大大 鸭鸭 岛岛桥桥 梁梁 监监 测测健健 康康 监监 测测海海 洋洋 监监 测测环环 境境 监监 测测韩国济州岛智能渔场韩国济州岛智能渔场北京大兴区菊花基地北京大兴区菊花基
20、地克尔斯博公司克尔斯博公司沈阳玫瑰园沈阳玫瑰园二零零八年五月十二二零零八年五月十二日汶川地区发生强烈日汶川地区发生强烈地震地震联合国维和部队联合国维和部队伊伊 拉拉 克克微型感应传感器网络微型感应传感器网络核武器和生化武器核武器和生化武器美军未来战斗系统的战场警戒示意图美军未来战斗系统的战场警戒示意图传感器节点传感器节点通行车辆通行车辆枪声定位反恐系统枪声定位反恐系统美国美国F-22F-22猛禽战斗机猛禽战斗机机外传感器网络机外传感器网络 美军美军“沙地直线沙地直线”项目项目无线链路无线链路目标探测、目标探测、分类和跟踪分类和跟踪传感器节点传感器节点传感器节点传感器节点节点封装示例（一）节点封
21、装示例（一）特点：特点：表面光滑表面光滑可以滚动可以滚动自动调整姿态位置自动调整姿态位置万向节固定架设计万向节固定架设计节点封装示例（二）节点封装示例（二）特点：特点：底基重量大底基重量大自正位自正位“悬垂钟摆悬垂钟摆”式式电路板电路板飞机抛撒飞机抛撒“狼群狼群”地面传感器网络地面传感器网络美军共计完成美军共计完成2323项传感器网络项目项传感器网络项目网络工程专业网络工程专业n 本章小结本章小结 本章主要介绍传感器网络的概念、发本章主要介绍传感器网络的概念、发展历史、应用情况和关键技术。展历史、应用情况和关键技术。人有了知识，就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说古人说“书中自有黄金屋。书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进鼓舞我们前进。
