1、第第7章章 传感器网络传感器网络&7.1 7.1 有线传感器网络有线传感器网络&7.2 7.2 无线传感器网络概述无线传感器网络概述&7.3 7.3 无线传感器网络的通信协议无线传感器网络的通信协议&7.4 7.4 无线传感器网络的组网技术无线传感器网络的组网技术&7.5 7.5 无线传感器网络的核心支撑技术无线传感器网络的核心支撑技术&7.6 7.6 无线传感器网络的应用开发无线传感器网络的应用开发传感器网络传感器网络 无线传感器网络无线传感器网络WSNWireless Sensor Network 有线传感器网络有线传感器网络现场总线物联网概论-韩毅刚27.1 有线传感器网络有线传感器网络
2、&7.1.1 7.1.1 现场总线现场总线&7.1.2 CAN7.1.2 CAN总线总线&7.1.3 M-bus7.1.3 M-bus总线总线7.1.1 7.1.1 现场总线现场总线物联网概论-韩毅刚4 定义定义 特点特点现场总线的定义现场总线的定义 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统 也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络网络物联网概论-韩毅刚5现场总线的技术特点现场总线的技术特点 系统的开放性系统的开放性 互可操
3、作性与互用性互可操作性与互用性 现场设备的智能化与功能自治性现场设备的智能化与功能自治性 系统结构的高度分散性系统结构的高度分散性 对现场环境的适应性对现场环境的适应性物联网概论-韩毅刚6现场总线的优点现场总线的优点 节省硬件数量与投资节省硬件数量与投资 节省安装费用节省安装费用 节省维护开销节省维护开销 用户具有高度的系统集成主动权用户具有高度的系统集成主动权 提高了系统的准确性与可靠性提高了系统的准确性与可靠性物联网概论-韩毅刚7几种几种有影响的现场总线有影响的现场总线技术技术 FF LonWorks Profibus HART CAN物联网概论-韩毅刚87.1.2 CAN7.1.2 CA
4、N总线总线 控制器局域网络控制器局域网络Control Area Network 德国德国BoschBosch公司推出公司推出汽车内部测量与执行部件之间的数据通信物联网概论-韩毅刚9CANCAN总线的特点总线的特点 多主站总线多主站总线 分布式实时控制分布式实时控制 载波侦听多路访问载波侦听多路访问/冲突检测冲突检测 短报文短报文物联网概论-韩毅刚10CANCAN总线的分层结构总线的分层结构 数据链路层数据链路层逻辑链路控制子层LLC媒体访问控制子层MAC 物理层物理层物联网概论-韩毅刚11CANCAN协议协议的信息帧类型的信息帧类型 数据帧数据帧用于传送数据 远程帧远程帧请求发送数据 错误帧
5、错误帧标识探测到发生的错误 超载帧超载帧延迟下一个信息帧物联网概论-韩毅刚12CANCAN数据帧数据帧的组成字段的组成字段 帧起始帧起始 仲裁仲裁 控制控制 数据数据 校验校验 应答应答 帧结束帧结束物联网概论-韩毅刚137.1.3 M-BUS7.1.3 M-BUS总线总线 M-BusM-Bus的协议的协议模型模型物理层链路层网络层应用层物联网概论-韩毅刚147.2 无线传感器网络概述无线传感器网络概述&7.2.17.2.1无线传感器网络的组成无线传感器网络的组成&7.2.2 7.2.2 无线传感器网络的体系结构无线传感器网络的体系结构&7.2.3 WSN7.2.3 WSN所面临的挑战及发展趋
6、势所面临的挑战及发展趋势无线传感器无线传感器网络网络的定义的定义 由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成的，并通过无线通信形式形成的一个多跳的组成的，并通过无线通信形式形成的一个多跳的自组织的网络系统自组织的网络系统物联网概论-韩毅刚167.2.17.2.1无线传感器网络的无线传感器网络的组成组成物联网概论-韩毅刚17 无线传感器无线传感器节点节点 汇聚节点汇聚节点 管理管理节点节点无线传感器网络的组成无线传感器网络的组成物联网概论-韩毅刚181.1.无线传感器无线传感器节点节点 微型的嵌入式系统微型的嵌入式系统 信息收集信息收集 处理处理 传
7、递传递 存储存储 融合融合 转发转发物联网概论-韩毅刚19无线传感器网络节点结构无线传感器网络节点结构物联网概论-韩毅刚20无线传感器无线传感器节点组成节点组成 传感模块传感模块 处理模块处理模块 无线通信模块无线通信模块 能量供应模块能量供应模块物联网概论-韩毅刚212.2.汇聚汇聚节点节点 功能较为强大的嵌入式基站功能较为强大的嵌入式基站 主要负责收集、汇聚数据主要负责收集、汇聚数据 经由网关提交给管理节点经由网关提交给管理节点 汇聚节点和网关通常集成在一个物理设备中汇聚节点和网关通常集成在一个物理设备中物联网概论-韩毅刚223.3.管理管理节点节点 一台计算机一台计算机 或者功能强大的嵌
8、入式处理设备或者功能强大的嵌入式处理设备 配置和管理配置和管理网络网络 发布监测任务发布监测任务 收集监测数据收集监测数据物联网概论-韩毅刚237.2.2 7.2.2 无线传感器网络的无线传感器网络的体系结构体系结构 物理层物理层 数据链路层数据链路层 网络层网络层 传输层传输层 应用层应用层物联网概论-韩毅刚24无线传感器网络的协议体系结构无线传感器网络的协议体系结构物联网概论-韩毅刚257.1.4 7.1.4 WSNWSN所面临的挑战及发展所面临的挑战及发展趋势趋势 灵活灵活、自适应的网络协议、自适应的网络协议体系结构体系结构 跨跨层层设计设计 与其与其他网络的融合他网络的融合物联网概论-
9、韩毅刚26无线传感器网络无线传感器网络的特点的特点 自组织网络自组织网络 大规模网络大规模网络 动态性网络动态性网络 数据汇聚型网络数据汇聚型网络 以数据为中心的网络以数据为中心的网络 与应用相关的网络与应用相关的网络物联网概论-韩毅刚27无线无线传感器网络的传感器网络的特征特征 自组网络自组网络Ad hoc网络 无基础设施无基础设施 自组织的无线多跳网络自组织的无线多跳网络物联网概论-韩毅刚287.3 无线传感器网络通信协议无线传感器网络通信协议&7.3.1 MAC7.3.1 MAC协议协议&7.3.2 7.3.2 路由协议路由协议&7.3.3 7.3.3 传输协议传输协议7.3.1 7.3
10、.1 MACMAC协议协议物联网概论-韩毅刚30 1 1竞争型竞争型MACMAC协议协议 2 2调度型调度型MACMAC协议协议 3 3混合型混合型MACMAC协议协议MACMAC 媒介访问控制媒介访问控制Medium Access Control 共享信道的分配共享信道的分配物联网概论-韩毅刚31无线传感器网络无线传感器网络MACMAC协议特殊协议特殊性性 能量有效性能量有效性 可扩展性可扩展性 冲突避免冲突避免 信道利用率信道利用率 时延时延 吞吐量吞吐量 公平性公平性物联网概论-韩毅刚32MACMAC协议类型协议类型 竞争型竞争型 调度型调度型 混合型混合型物联网概论-韩毅刚331 1竞
11、争型竞争型MACMAC协议协议 CSMA/CA S-MAC T-MAC PMAC WiseMAC Sift物联网概论-韩毅刚34S-MACS-MAC协议协议 S-MAC协议的消息收发序列协议的消息收发序列物联网概论-韩毅刚35T-MACT-MAC协议协议 T-MAC协议的基本机制协议的基本机制物联网概论-韩毅刚36T-MACT-MAC协议协议早睡问题早睡问题 时间帧划分时间帧划分物联网概论-韩毅刚372 2调度型调度型MACMAC协议协议 TRAMA SMACS DMAC物联网概论-韩毅刚38TRAMATRAMA协议协议 包括三个部分：包括三个部分：邻居协议NP调度交换协议SEP自适应时隙选择
12、算法AEA物联网概论-韩毅刚39分配方法分配方法 TDMA时分多址时分复用 FDMA频分多址 CDMA码分多址物联网概论-韩毅刚403 3混合型混合型MACMAC协议协议-MAC ZMAC物联网概论-韩毅刚41-MAC-MAC协议协议 适合于周期性数据采集的无线传感器网络适合于周期性数据采集的无线传感器网络 固定基站提供信标源固定基站提供信标源实现时钟同步 信道结构信道结构竞争期无竞争期物联网概论-韩毅刚42Z-MACZ-MAC协议协议 低流量条件下低流量条件下使用CSMA信道访问方式 高流量条件下高流量条件下使用TDMA信道方式物联网概论-韩毅刚437.2.2 7.2.2 路由路由协议协议
13、1 1以数据为中心的路由以数据为中心的路由协议协议 2 2集群结构路由集群结构路由协议协议 3 3基于地理位置信息的路由基于地理位置信息的路由协议协议 4 4基于服务质量的路由协议基于服务质量的路由协议物联网概论-韩毅刚44传感器网络传感器网络路由特点路由特点 能量高效能量高效 可扩展性可扩展性 鲁棒性鲁棒性 快速收敛性快速收敛性物联网概论-韩毅刚451 1以数据为中心的路由以数据为中心的路由协议协议 对数据进行融合对数据进行融合减少冗余的数据传输 典型协议典型协议SPINDD物联网概论-韩毅刚46SPINSPIN协议协议 SPIN协议的工作流程协议的工作流程物联网概论-韩毅刚47DDDD协议
14、协议 定向扩散协议定向扩散协议Directed Diffusion物联网概论-韩毅刚482 2集群结构路由集群结构路由协议协议 LEACH PEGASIS TEEN APTEEN TTDD物联网概论-韩毅刚49LEACHLEACH协议协议 LEACH协议网络结构图协议网络结构图物联网概论-韩毅刚50PEGASISPEGASIS协议协议 PEGASIS协议网络结构图协议网络结构图物联网概论-韩毅刚513 3基于地理位置基于地理位置信息路由协议信息路由协议 GAF GPSR GEAR物联网概论-韩毅刚524 4基于服务质量的路由基于服务质量的路由协议协议 SAR SPEED物联网概论-韩毅刚537
15、.3.3 7.3.3 传输协议传输协议 1 1PSFQPSFQ传输传输协议协议 2 2ESRTESRT传输协议传输协议物联网概论-韩毅刚54无线传感器网络传输无线传感器网络传输协议技术协议技术 由传感器执行拥塞检测由传感器执行拥塞检测 采用事件到汇聚节点的可靠性模型采用事件到汇聚节点的可靠性模型 消极确认机制消极确认机制 局部缓存和错误恢复机制局部缓存和错误恢复机制物联网概论-韩毅刚551 1PSFQPSFQ传输传输协议协议 PSFQPump Slowly Fetch Quickly缓发快取物联网概论-韩毅刚56PSFQPSFQ传输传输协议机制协议机制 缓存机制缓存机制每个中间节点都缓存数据报
16、文。消极确认机制消极确认机制 索取汇聚机制索取汇聚机制NACK报文中饱含希望接受的所有数据报文的序号。局部错误恢复的快速索取和慢速发布机制局部错误恢复的快速索取和慢速发布机制物联网概论-韩毅刚572 2ESRTESRT传输传输协议协议 ESRTEvent-to-Sink Reliable Transport事件到汇聚节点的可靠传输物联网概论-韩毅刚587.4 无线传感器网络组网技术无线传感器网络组网技术&7.4.1 ZigBee7.4.1 ZigBee&7.4.2 Z-WAVE7.4.2 Z-WAVE&7.4.3 EnOcean7.4.3 EnOcean&7.4.4 Thread7.4.4 T
17、hread无线传感器网络的组网模式无线传感器网络的组网模式 网状模式网状模式 簇树模式簇树模式 星型模式星型模式物联网概论-韩毅刚607.4.1 7.4.1 ZIGBEEZIGBEE网络网络物联网概论-韩毅刚61 简介简介 特点特点ZigBeeZigBee网络简介网络简介 ZigBee联盟联盟 IEEE 802.15.4标准标准 个域网标准个域网标准物联网概论-韩毅刚62ZigBeeZigBee网络指标网络指标 2.4GHz 传输速率为传输速率为20250kbit/s 传输距离为传输距离为1075m，物联网概论-韩毅刚63ZigBeeZigBee网络的特点网络的特点 省电省电 廉价廉价 可靠可
18、靠 时延短时延短 网络容量大网络容量大 安全保障安全保障物联网概论-韩毅刚64ZigBeeZigBee网络设备网络设备和和拓扑结构拓扑结构 网络网络设备设备 网络网络拓扑结构拓扑结构物联网概论-韩毅刚65ZigBeeZigBee网络网络节点节点设备设备 全功能设备全功能设备FFDFull-Function Device 精简功能设备精简功能设备RFDReduced-Function Device物联网概论-韩毅刚66ZigBeeZigBee网络设备网络设备类型类型 协调器协调器 路由器路由器 终端设备终端设备物联网概论-韩毅刚67协调器协调器 星型星型 点到点点到点物联网概论-韩毅刚68Zig
19、BeeZigBee网络的拓扑结构网络的拓扑结构 星型星型 网状网状 簇树簇树物联网概论-韩毅刚69ZigBeeZigBee协议栈协议栈 1ZigBee物理层物理层 2ZigBee媒介访问控制层媒介访问控制层 3ZigBee网络层网络层 4ZigBee应用层应用层物联网概论-韩毅刚70ZigBeeZigBee协议栈协议栈 4层模型层模型物联网概论-韩毅刚71ZigBeeZigBee数据数据的封装的封装 ZigBee各层帧结构的封装关系各层帧结构的封装关系物联网概论-韩毅刚721 1ZigBeeZigBee物理层物理层 1）激活和休眠射频收发器；）激活和休眠射频收发器；2）信道能量检测；）信道能量
20、检测；3）链路质量指示；）链路质量指示；4）空间信道评估；）空间信道评估；5）信道的频段选择；）信道的频段选择；6）收发数据）收发数据物联网概论-韩毅刚73物理层参考模型物理层参考模型物联网概论-韩毅刚74三个三个频段频段2727个信道个信道 信道的频段中心信道的频段中心物联网概论-韩毅刚75868.309062(1)1,2,1024055(1)11,12,26cccfMHzkfkMHzkfkMHzk信道分配及调制方式信道分配及调制方式 IEEE 802.15.4标准标准工作频率、带宽以及调制方式等参数物联网概论-韩毅刚76物理层物理层（MHz）频段频段（MHz）扩频参数扩频参数数据参数数据参
21、数码片速率（k chip/s）调制方式比特率（kbps）符号速率（k symbols/s）符号868/915868868.6300BPSK2020二进制902928600BPSK4040二进制245024002483.32000O-QPSK25062.5十六进制物理帧结构物理帧结构 PPDU组成组成PHY Protocol Data Unit同步头物理帧头物理帧负载物联网概论-韩毅刚772 2ZigBeeZigBee媒介访问控制媒介访问控制层层 MAC数据服务数据服务 MAC管理服务管理服务物联网概论-韩毅刚78MACMAC子层功能子层功能 协调器产生、发送信标帧，普通设备根据信标帧协调器产生
22、、发送信标帧，普通设备根据信标帧与协调器同步；与协调器同步；支持支持PAN网络的关联和取消关联网络的关联和取消关联（association）（disassociation）使用使用CSMA-CA机制访问物理信道；机制访问物理信道；采用时槽保障机制；采用时槽保障机制；Guaranteed Time Slot，GTS 提供提供MAC实体间的可靠连接；实体间的可靠连接；支持无线信道安全支持无线信道安全物联网概论-韩毅刚79MACMAC层参考模型层参考模型物联网概论-韩毅刚80MACMAC帧构成帧构成 帧头帧头MHR MAC负载负载 帧尾帧尾MHR物联网概论-韩毅刚81MACMAC帧格式帧格式物联网概
23、论-韩毅刚823 3ZigBeeZigBee网络层网络层 节点加入或离开网络节点加入或离开网络 接收或抛弃其它节点接收或抛弃其它节点 路由查找路由查找 传送数据传送数据物联网概论-韩毅刚83网络层接口与结构网络层接口与结构物联网概论-韩毅刚84ZigBeeZigBee网络层帧结构网络层帧结构物联网概论-韩毅刚854 4ZigBeeZigBee应用层应用层 应用支持子层应用支持子层 应用对象应用对象 应用框架应用框架物联网概论-韩毅刚86应用支持子层参考模型应用支持子层参考模型物联网概论-韩毅刚877.4.2 7.4.2 Z-WAVEZ-WAVE 节点节点类型类型 路由路由 协议栈协议栈物联网概
24、论-韩毅刚88Z-WAVEZ-WAVE网络网络节点节点类型类型 控制节点控制节点 子节点子节点物联网概论-韩毅刚89Z-WAVEZ-WAVE路由机制路由机制 动态路由动态路由 源路由源路由物联网概论-韩毅刚90Z-WAVEZ-WAVE协议栈协议栈 6层层物联网概论-韩毅刚917.4.3 7.4.3 ENOCEANENOCEAN 1.1.EnOceanEnOcean的特点的特点 2.2.EnOceanEnOcean协议栈协议栈物联网概论-韩毅刚921.1.EnOceanEnOcean的的特点特点 能量采集和转换能量采集和转换 高质量的无线通信高质量的无线通信 超低功耗的芯片组超低功耗的芯片组物联
25、网概论-韩毅刚932.2.EnOceanEnOcean协议协议栈栈标标 准准层层服务服务数据单元数据单元 在该标准中在该标准中没有定义没有定义应用层 表示层 会话层 传输层 ISO/IEC14543-3-10 网络层目的地寻址报文（封装/解封装）报文报文转换开关（RORG和STATUS处理）重复(STATUS处理)数据链路层子报文结构 子报文散列算法子报文计时先听后说 物理层编码/解码(INV和SYNC)位/帧无线接收/发送物联网概论-韩毅刚947.4.4 THREAD7.4.4 THREAD 1.Thread1.Thread网络的特点网络的特点 2 2ThreadThread网络设备和拓扑网
26、络设备和拓扑 3 3ThreadThread协议栈协议栈模型模型 4 4.Thread.Thread网络的路由网络的路由 5 5.Thread.Thread网络的连接网络的连接物联网概论-韩毅刚957.5 无线传感网核心支撑技术无线传感网核心支撑技术&7.5.1 7.5.1 拓扑控制拓扑控制&7.5.2 7.5.2 时间同步时间同步&7.5.3 7.5.3 数据融合数据融合7.5.1 7.5.1 拓扑拓扑控制控制物联网概论-韩毅刚97 1 1功率控制功率控制算法算法 2 2层次拓扑结构控制算法层次拓扑结构控制算法拓扑拓扑控制的控制的意义意义 降低节点能量消耗，延长网络生存时间降低节点能量消耗，
27、延长网络生存时间 利于应用分布式算法利于应用分布式算法 为路由协议提供基础为路由协议提供基础 有利于数据融合有利于数据融合 降低节点通信干扰，提高网络吞吐量降低节点通信干扰，提高网络吞吐量物联网概论-韩毅刚981 1功率控制功率控制算法算法 发射功率决定了节点的通信距离发射功率决定了节点的通信距离 多跳方式多跳方式 尽可能地降低节点的发射功率尽可能地降低节点的发射功率物联网概论-韩毅刚992 2层次拓扑结构控制层次拓扑结构控制算法算法 簇内节点簇内节点 簇头节点簇头节点 分簇算法分簇算法分布式集中式物联网概论-韩毅刚1007.5.2 7.5.2 时间同步时间同步 1 1无线传感器网络的传输无线
28、传感器网络的传输时延时延 2 2时间同步的时间同步的分类分类 3 3无线传感器网络的时间同步协议无线传感器网络的时间同步协议物联网概论-韩毅刚101时间同步的设计要求时间同步的设计要求 稳定性稳定性 能量有效能量有效 可扩展性可扩展性物联网概论-韩毅刚1021 1无线无线传感器网络的传输时延传感器网络的传输时延 发送时间发送时间 访问时间访问时间 传播时间传播时间 接收时间接收时间物联网概论-韩毅刚1032 2时间同步的时间同步的分类分类 排序排序 相对同步相对同步 绝对同步绝对同步物联网概论-韩毅刚1043 3WSNWSN的的时间同步时间同步协议协议 RBS TPSN DMTS LTS物联网
29、概论-韩毅刚1057.5.3 7.5.3 数据融合数据融合 1 1数据融合的数据融合的作用作用 2 2数据融合的种类和方法数据融合的种类和方法物联网概论-韩毅刚1061 1数据融合的数据融合的作用作用 节省能量节省能量 获得更准确的信息获得更准确的信息 提高数据收集效率提高数据收集效率物联网概论-韩毅刚1072 2数据融合的种类和数据融合的种类和方法方法 种类种类 方法方法物联网概论-韩毅刚108数据融合的种类数据融合的种类 有损融合和无损融合有损融合和无损融合 局部融合和全局融合局部融合和全局融合 数据级、特征级融合和决策级融合数据级、特征级融合和决策级融合像素级融合特征级融合决策级融合物联
30、网概论-韩毅刚109数据数据融合融合的方法的方法 贝叶斯方法贝叶斯方法 神经网络法神经网络法 D-S证据理论证据理论物联网概论-韩毅刚1107.6 无线传感器网络应用开发无线传感器网络应用开发&7.6.1 7.6.1 无线传感器网络的硬件开发无线传感器网络的硬件开发&7.6.2 7.6.2 无线传感器网络操作系统的移植无线传感器网络操作系统的移植&7.6.3 7.6.3 无线传感器网络的软件开发无线传感器网络的软件开发7.6.1 7.6.1 无线传感器网络的硬件无线传感器网络的硬件开发开发物联网概论-韩毅刚112 1 1无线传感器网络的硬件产品无线传感器网络的硬件产品分类分类 2 2传感器节点
31、的设计传感器节点的设计1 1WSNWSN的的硬件产品硬件产品分类分类 硬件产品硬件产品的的4个等级个等级H1级H2级H3级H4级物联网概论-韩毅刚1132 2传感器节点的传感器节点的设计设计 传感器模块传感器模块 处理器模块处理器模块 无线收发模块无线收发模块 能量供应模块能量供应模块物联网概论-韩毅刚1147.6.2 7.6.2 无线无线传感网操作系统移植传感网操作系统移植 1 1无线传感器网络操作系统无线传感器网络操作系统实例实例 2 2TinyOSTinyOS操作系统操作系统物联网概论-韩毅刚1151 1无线无线传感网络传感网络操作系统操作系统实例实例 TinyOS TRON SOS M
32、ANTIS OS物联网概论-韩毅刚1162 2TinyOSTinyOS操作系统操作系统 事件驱动事件驱动 基于组件基于组件 开源开源物联网概论-韩毅刚1177.6.3 7.6.3 无线传感器网络的无线传感器网络的软件开发软件开发 1 1 软件开发软件开发层次层次 2 2nesCnesC编程语言简介编程语言简介物联网概论-韩毅刚1181 1 软件开发软件开发层次层次 传感器应用传感器应用 节点应用节点应用 网络应用网络应用物联网概论-韩毅刚119软件开发设计要求软件开发设计要求 软的实时性软的实时性 能量优化能量优化 模块化模块化 面向具体应用面向具体应用 可管理，可管理，物联网概论-韩毅刚1202 2nesCnesC编程语言编程语言简介简介 组件的创建和使用相分离组件的创建和使用相分离 组件使用接口进行功能描述组件使用接口进行功能描述 接口是双向的接口是双向的 组件按功能不同分为两种组件按功能不同分为两种配件模块 nesC的并发模型基于的并发模型基于“运行到底运行到底”的任务构建的任务构建物联网概论-韩毅刚121总结总结&无线传感器网络无线传感器网络&现场总线现场总线
