1、无线传感网络讲义(Wireless Sensor Network)课程关系无线传感网络计算机网络 嵌入式系统传感器与检测技术环境监测工业控制硬件描述语言安全生产 医疗卫生物联网应用. 移动支付单片机开发与设计课程考核（百分制，60分及格） 4.项目考核：占40%1.平时作业：占10%2.实验报告：占20% 3.期末考试（闭卷）：占30%项目1-树联网：在学校任选一颗树，以自己姓名来命名，以微博发布;项目2-人流量检测仪：利用红外传感器进行通道口的人流量自动计数和报警;要求：前者侧重网络与传输，后者侧重传感与处理，两个项目任选一个；强烈要求：每个人独立完成旅游行程第一站：游览WSN王国第二站：参
2、观WSN各站景点第三站：造访WSN应用作坊第一站：了解WSN王国概貌 第一站 WSN王国 景点一：WSN简介景点二：WSN发展渊源景点四：WSN与IOT关系景点三：WSN技术特点景点一：WSN简介1.什么是无线传感网络n无线传感网络，也叫无线传感器网络，或者WSN网络。n无线传感网络是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和监测外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，节点位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。n通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。1.WSN与相关前沿技术纳米微电子技术 微机电系统（MEMS)Micro-Electro-Me
3、chanical System新型微型传感器技术SoC片上系统技术低功耗嵌入式技术移动互联网技术大数据处理技术1.无线传感网络与其他无线网络关系n目前无线网络从是否需要基础设施的角度来看，可以分为两大类：有基础设施的无线网络和无基础设施的无线网络。1.无线多媒体传感网（WMSN，Wireless Multimedia Sensor Networks ）n无线多媒体传感器网络（WMSN，Wireless Multimedia Sensor Networks）是在传统WSN的基础上引入视频、音频、图像等多媒体信息感知功能的新型传感器网络。nWMSN集成和拓展了传统WSN的应用场合，广泛用于安全生产
4、、智能交通、智能家居、健康护理等需要多媒体信息的场合。1.无线传感网络节点类型n无线传感网络中的工作节点按其所承担的任务角色一般可分为感知节点、汇聚节点和任务管理节点。1. 无线传感网络节点功能单元n无线传感网络应用系统对感知节点的一般要求是体积小、成本低、功耗低、使用或部署起来比较方便，有些节点甚至需要做成可穿戴式，或者直接植入目标体内等。n物理环境中的感知节点是无线传感网络的基本单元，节点往往承担着信息采集和信息传递的双重功能，其主要功能模块包括传感器模块、处理器模块（含存储功能）、无线通信模块和电源管理模块等四个部分。1. 无线传感网络节点功能单元1.无线传感网络体系结构景点二：WSN发
5、展与应用主要景点1.发展历程与方向2.应用举例2. 发展历程n无线传感网络的发展历程大体可分成三个阶段：智能传感器无线智能传感器无线传感网络。2. 发展方向 n未来，无线传感网络技术的发展方向将主要集中在以下几个方面的研究：n数据管理n能效n标准与协议2. 应用举例 2. 应用举例-军事侦测 n由于WSN是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统崩溃，也正是这一点，使无线传感网络非常适合应用于恶劣的战场环境中,协助实现有效的战场态势感知，满足作战力量“知己知彼”的要求。2. 应用举例-农业种植 n在传统农业中人们获取农田信息
6、的方式都很有限（主要是人工），使用WSN可以有效降低人力消耗，获取精确的作物环境和作物信息。将各类传感器节点布撒到要监测的区域构成监控网络，通过这些传感器采集信息，可以帮助农民及时发现问题，并且准确定位发生问题的位置，使农业逐渐从以人力为中心、依赖于孤立的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式。2. 应用举例-环境保护 n由于环境监测的区域一般较广，有些甚至是全球性的，而观测数据往往需要长期连续地采集，因而对环境的监测手段也提出了新的要求。显然传统的环境监测站已经不能完全满足社会的环境监测需求，无线传感网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入
7、式破坏。2. 应用举例-交通管理 n城市交通管理一直是整个城市管理的重要环节。智能交通（ITS)将重点支持交通数据实时获取、交通信息交互、交通数据处理、交通安全智能化组织管控等。n在城市的交叉路口布设各种无线感知节点，利用无线传感网络的无线传输和实时监测特性可以将路灯、信号灯等其他交通标志组成一个网络，对交通情况进行实时监测和控制。2. 应用举例-ETC收费 n不停车收费系统（Electronic Toll Collection System，ETC）利用RFID技术完成车辆与收费站之间的无线数据通讯，进行车辆自动识别和有关收费数据的交换，实现不停车自动收费的全电子收费系统。n除了用于高速公路
8、自动扣费，ETC系统也用于市区过桥、过隧道自动扣费、停车场自动收费等应用。2. 应用举例-医疗监护 n无线传感网络利用其自身的优点（如低费用、简便、快速、实时无创地采集患者的各种生理参数等），使其在医疗研究、医院普通病房/ICU病房以及家庭日常监护等领域中有很大的发展潜力n无线传感网络在检测人体生理数据、老年人健康状况、医院药品管理以及远程医疗等方面可以发挥出色的作用。2. 应用举例-智能家居 n无线传感网络在未来家庭的智能家居中有着广阔的应用空间，如通过分布在各个房间中的传感器，获得每个房间的温度信息，实现智能控制平衡居室温度。同时，还可以在家电、家具以及门窗上安装相应的传感器节点，利用这些
9、节点来构建一个智能家居系统。2. 应用举例-大坝桥梁监测 n我国正处在基础设施建设的高峰期，各类大型工程的安全施工及监控是建筑设计单位长期关注的问题，如三峡大坝、港珠澳大桥等。采用无线传感网络，可以让大楼、桥梁和其他建筑物自身感知并意识到它们的状况，使得安装了无线传感网络的智能建筑自动告诉管理部门它们的状态信息，从而让管理部门按照优先级进行定期的维修维护以及预警等工作。2. 应用举例-安全生产 n无线传感网络系统应用于危险工作环境中，实时监控在煤矿、石油钻井、核电厂和组装线工作的员工。系统可以告诉工作现场有哪些员工、他们在做什么，以及他们的安全保障等重要信息。n在相关工厂的每个排放口安装相应的
10、无线节点，进行工厂废水、废气污染源的监测以及样本的采集、分析和流量测定等。2. 应用举例-海洋监测 n随着我国海洋事业的迅速发展，有关海洋监测等方面问题已经提上议事日程，如海洋水体的监测与保护成为人们越来越关注的现实问题。n无线传感借助于节点中内置的多种传感器测量所在周边环境的各类信息，部署方便，无需电缆等基础设施支持，而且传感器节点价格低廉，能密集部署于大范围水域中，便于利用节点采集信息的空间相关性获取更加精确的环境信息。2. 应用举例-其他领域 n1.无线传感网络还可在遭受重大自然灾害后提供应急救援信息n2.铁路的运行与监控n3.建筑节能监控 n4.动物栖息地监控n特别值得指出的是，“智慧
11、地球”、“感知中国”等概念的提出和兴起以及“智慧城市”、“智慧农业”、“智慧环保”等智慧化项目的开展和运营，必将给无线传感网络带来全新的应用空间景点三：WSN特点与关键技术1. 主要特点n1.大规模n3.动态性n2.自组织n4.可靠性n5.以任务为中心n6.多种节点唤醒方式n7.集成化n8.协作方式执行任务1. 主要特点n1.大规模n无线传感网络的大规模性包括两方面的含义：n一方面：传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用无线传感网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点n另一方面：传感器节点部署很密集，在面积较小的空间内，密集部署了大量的传感器节点。1. 主要特点n1.
12、大规模n无线传感网络的大规模性包括两方面的含义：n一方面：传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用无线传感网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点n另一方面：传感器节点部署很密集，在面积较小的空间内，密集部署了大量的传感器节点。1. 主要特点n2.动态性n无线传感网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：n环境因素或电能耗尽造成的传感器节点故障或失效。n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。n无线传感网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性。n新节点的加入。1. 主要特点n3.自组织n无线传感网络的自组织性要能够适应这种拓扑结构会经常动态变化
13、网络。n传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。1. 主要特点n4. 可靠性n传感器节点要非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣的环境条件。n要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。n无线传感网络的软硬件必须具有鲁棒性（Robustness）和容错性。1. 主要特点n5. 以数据为中心n无线传感网络是任务型的网络，通常以数据本身作为查询或传输线索。n在应用于目标跟踪的无线传感网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标1. 主要特点n6.集成化n传感器节点的
14、功耗低，体积小，价格便宜，实现了集成化。其中，微机电系统技术的快速发展为无线传感网络节点实现上述功能提供了相应的技术条件。n在未来，类似智能微尘（Smart Dust)或智能灰尘(Smart Mote)的传感器节点也将会被研发出来。1. 主要特点n7. 协作方式执行任务n协作方式通常包括协作式采集、处理、存储以及传输信息。通过协作方式，传感器的节点可以共同实现对监测对象的感知，得到完整的信息。协作方式可以有效克服处理和存储能力不足的缺点，共同完成复杂任务的执行。在协作方式下，传感器之间的节点实现远距离通信，可以通过多跳中继转发，也可以通过多节点协作发送的方式进行。1. 主要特点n8. 多种节点
15、唤醒方式n无线传感网络节点由于供电能量受限，大部分时间处于休眠状态，只有任务来临时才被唤醒并进入工作状态。一般节点都具有多种唤醒方法。n全唤醒模式、随机唤醒模式、任务循环唤醒模式、由预测机制选择唤醒模式.2. 关键技术2. 关键技术n1. 拓扑控制n拓扑控制技术就是一种使网络中的节点按照一定的拓扑控制算法做出某些决定以改变网络的拓扑结构的技术, 如增大或减小节点的发送功率，或者改变节点自身的地理位置等。n2. 路由协议n路由协议是一套将数据从源节点传输到目的节点的机制。由于无线传感网络节点的硬件资源有限和拓扑结构的动态变化，网络协议不能太复杂但又要高效。目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协
16、议。网络层的路由协议决定检测信息的传输路径。2. 关键技术关键技术n3. 时间同步n时间同步就是要求无线传感网络中节点本地时钟的同步，或者按照要求达到某种精度的全网时间同步。n基于无线传感网络的应用，如目标追踪、协同休眠、定位、协同数据采集、时分多址、数据整合等都需要与网络中节点的时钟保持同步。2. 关键技术关键技术n4. 定位技术n无线传感器网络中的节点定位技术是指传感器节点根据网络中少数已知节点的位置信息，通过一定的定位技术确定网络中其他节点的位置信息的技术。无线传感网络的许多应用要求节点知道自身的位置信息，这样才能向用户提供有用的检测服务。没有节点位置信息的监测数据在很多场合下是没有意义
17、的。2. 关键技术关键技术n5. 数据融合n无线传感网络存在能量约束，减少传输的数据量就能够有效地节省能量，因此在从各个节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。 2. 关键技术关键技术n6.异构网络的互连互通n异构系统的互连互通就是解决无线传感网络与其他传输网络等异构网络的互连互通和异构节点系统的互连互通问题。 。 2. 关键技术关键技术n7. 信息安全技术n在设计无线传感网络时，要充分考虑通信和信息安全，结合无线传感网络的特点，满足其独特的安全需求。另外无线传感网络具有很强的动态性和不确定性，包括网络拓扑的变化、节点的消失或加
18、入、面临各种威胁等。因此，无线传感网络对各种安全攻击应具有较强的适应性，即使某次攻击行为得逞，该性能也能保障其影响最小化。 2. 关键技术关键技术n8. 大结构关联协同处理数据n无线传感网络产生的大数据与一般的大数据有不同的特点，无线传感网络的数据是异构的、多样性的、非结构和有噪声的，更大的不同是它的高增长率。这些数据需要使用存储挖掘、合并压缩、清洗过滤、格式转换、数据分析、知识发现、可视化等方法进行大结构关联系统处理。 2. 关键技术关键技术景点四：WSN与IOT1. 物联网IOTn物联网即物物相连的互联网，其英文名称为IOT（Internet of Things）。n和传统的互联网相比，物
19、联网具有以下鲜明特征:n物联网是各种感知技术的广泛应用。n物联网是一种建立在互联网上的泛在网络。n物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。1. 物联网IOTn物联网技术与IPv6技术、M2M技术、 WSN技术、嵌入式系统技术、全球定位技术、RFID技术、普适计算技术、云计算技术等技术密切相关。 n和传统的互联网相比，物联网具有以下鲜明特征:n物联网是各种感知技术的广泛应用。n物联网是一种建立在互联网上的泛在网络。n物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。1. 物联网IOTn物联网的体系结构一般划分为三个层次
20、，从下而上依次是：感知层、网络层、应用层1. 物联网IOTn无线传感网络技术的发展为物联网信息的采集提供方便快捷的手段，同时也出现了以往所没有的大量数据，处理必须借助专用的数据处理以及数据挖掘、云计算等前沿技术手段。1. 物联网IOTn物联网感知层中用来获取信息的手段主要有两种：一种是基于RFID的物联网感知，另一种就是基于无线传感网络WSN的物联网感知。1. 物联网IOTn例如，可以扩充现有的RFID阅读器功能，增加UPnP和SNMP等技术将无线传感网络包括进来，这样RFID阅读器就可以为RFID应答器数据和无线传感器数据提供适用的、统一的接口配置，使得无线传感网络数据能当作RFID的数据送给高层应用，这样上层不需要区别RFID和WSN的数据来源，从而实现WSN与RFID结合来共同实现物联网的目标信息获取。1. 物联网IOTn从物联网的发展趋势来看，RFID最终将会与WSN融合，成为物联网感知层的一个信息采集整体。课后习题n1.简述无线传感网络的体系结构与功能单元。n2.举一到两个无线传感网络的应用案例。n3.请想象一下无线传感网络可以解决我们身边的哪些问题？
