1、 第一章 无线传感器网络概述 l无线传感器网络介绍无线传感器网络介绍l无线传感器网络的体系结构无线传感器网络的体系结构l无线传感器网络研究及发展现状无线传感器网络研究及发展现状l无线传感器网络所面临的挑战无线传感器网络所面临的挑战第一章 无线传感器网络概述 第一章 无线传感器网络概述 l无线传感器网络介绍无线传感器网络介绍一般概念一般概念 随着计算机及相关技术的发展，使得将计算、通信、传感等功能都集成在一个设备成为了可能，无线传感器网络正是这些技术的紧密结合。无线传感器网络是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的环境或观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、
2、湿度、噪声和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去。无线传感器网络使普通物体具有了感知能力和通信能力，在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。第一章 无线传感器网络概述 l无线传感器网络介绍无线传感器网络介绍典型场景典型场景 无线传感器网络由传感区域内大量的无线节点、Sink节点、外部网络构成。如图中节点A感知到数据之后，通过节点B、C、D、E多跳传送给Sink节点，再由Sink节点传送给外部网络（如Internet）。第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络介绍无线传感器网络介绍作为无线自组网作为无线自组网自
3、组织：自组织：在节点位置确定之后，节点需要自己寻找其邻居节点，实现相邻节点之间的通信，通过多跳传输的方式搭建整个网络，并且需要根据节点的加入和退出来重新组织网络，使网络能够稳定正常的运行。分布式：分布式：网络的感知能力由若干冗余节点共同完成，每一个节点具有相同等的硬件资源和通信距离，没有哪一个节点严格地控制网络的运行，节点消亡之后网络能够重组，任意一个节点的加入或退出都不会影响网络的运行，抗击毁能力强。节点平等：节点平等：除了Sink节点之外，无线传感器节点的分布随机，以自己为中心只负责自己通信范围内的数据交换；每个节点都是平等的，没有先后优先级之间的差别，具有相同的通信能力，既可以产生数据也
4、可以转发数据。可靠性要求高：可靠性要求高：自组织网络采用的是无线信道，通信需要通过多跳路由，因此数据的可靠性不高；而且信道容易受到干扰、和窃听，保密性能差。第一章 无线传感器网络概述 l无线传感器网络介绍无线传感器网络介绍独特的特征独特的特征节点资源有限：节点资源有限：如节点的电源能量、通信能力、计算存储能力有限。而且难以维护，对节点运行的程序包括使用的存储空间、算法时间开销有较高的要求；网络规模大：网络规模大：大部分无线传感器网络的覆盖范围很大并且部署密集，在单位面积内可能存在大量的传感器节点；时效性：时效性：无线传感器网络采集的信息需要在一定时间内及时送达观察者或是数据处理中心，对可能发生
5、的事故和危险情况进行及时预告和提醒第一章 无线传感器网络概述 l无线传感器网络介绍无线传感器网络介绍独特的特征独特的特征节点的可感知，微型化和自组织能力是无线传感器网络所具有的三个最基本的特点无线传感器网络的特点决定了无线传感器网络非常适合非常适合应用于恶劣的环境尤其是无人值守的场景应用于恶劣的环境尤其是无人值守的场景即使被监测区域中的部分节点损坏或休眠时，也不会造成该区域的无线传感网络崩溃或影响数据的获得，网络仍能为系统提供可靠的监测数据。第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络介绍无线传感器网络介绍信息感知优势信息感知优势分布节点中多角度和多方位信息的综合，有效地提高了对被监测区域的
6、观测的准确度和信息的全面性传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力。即使在极为恶劣的应用环境中，监控系统也可以正常工作节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标多节点联合，可形成覆盖面积较大的实时探测区域。借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力，可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络介绍无线传感器网络介绍未来发展趋势未来发展趋势节点进一步微型化节点进一步微型化。利用芯片集成技术、微机电技术和微无线通信技术，设计体积更小、生存周期更长，成本更低的节点寻求更好的系统节能策略寻求更好的系统节能策略。绝大部分无线
7、传感器网络的电源不可更换或不能短时间更换，因此功耗问题一直是制约无线传感器网络发展的核心进一步降低节点成本进一步降低节点成本。由于传感器网络的节点数量非常大，往往是成千上万个。要使传感器网络达到实用化，要求每个节点的价格控制在较为低廉的价格，甚至是一次性使用进一步提高传感器网络安全性和抗干扰能力进一步提高传感器网络安全性和抗干扰能力。如何利用较少的能量和较小的计算量来完成数据加密、身份认证等功能，在破坏或受干扰的情况下可靠地完成执行的任务第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络介绍无线传感器网络介绍未来发展趋势未来发展趋势提高节点的自动配置能力提高节点的自动配置能力。使网络在部分节点出现
8、错误或休眠能将大量的节点迅速按照一定的规则组成一定的结构完善高效的跨层网络协议栈完善高效的跨层网络协议栈。在无线传感器网络已有的分层体系结构上引入跨层的机制和参数，打破层的界限多层合作实现某些优化目标网络的多应用和异构化网络的多应用和异构化。随着无线传感器网络的发展,同一传感器网络将从支持单一应用向支持多种不同应用发展,大规模的无线传感器网络中将包括大量的异构的传感器节点。进一步与其他网络的融合进一步与其他网络的融合。无线传感器网络与现有网络的融合将带来新的应用。传感器网络专注于探测和收集环境信息，复杂的数据处理和存储等服务则交给基于无线传感器网络的网格体系来完成。第一章 无线传感器网络概述
9、l 无线传感器网络介绍无线传感器网络介绍应用前景应用前景军事领域军事领域。无线传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，因此军事领域成为无线传感器网络最早展开的领域，由于战争的伤亡性，传感器节点将取代人去执行一些危险任务，如监控我军兵力、装备和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击。第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络介绍无线传感器网络介绍应用前景应用前景环境监测和保护环境监测和保护。在监测区域撒播大量的无线传感器节点，并提高环境监控的覆盖范围、精度和实时性。包括跟踪生物种群，监测水位水质，预警火灾、地震、泥石流和台风等灾害。还可用
10、于海洋、深空等环境工业监控与故障诊断工业监控与故障诊断。通过无线传感器网络可方便地对煤矿、石油钻井、核电厂和组装线工作的设备和员工进行监控和诊断，保障设备安全和员工人身安全智能农业智能农业。在农业领域无线传感器网络有着卓越的技术优势。它可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气变更情况、牲畜和家禽的环境状况以及大面积地表检测智能家居智能家居。智能家居系统的设计目标是将住宅内的各种家居设备联系起来，使各个家居设备能够自动运行，相互协作，为居住者提供尽可能多的便利和舒适第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络介绍无线传感器网络介绍应用前景应用前景医疗健康与监护医疗健康与监护。无线传感器网络节点微小的
11、特点在医学上有特殊的用途。可以利用传感器监测病人的心率和血压等生理特征，以随时了解病人的病情进行及时有效地处理。并可以利用传感器网络长期不间断地收集医学实验对象的生理数据，为医学研究提供依据。智能交通系统智能交通系统。可通过运用大量传感器网络，并配合GPS系统、区域网络系统等资源，优化交叉路口信号灯控制，提供车辆诱导，缓解道路拥堵，提高驾驶安全。智能仓储物流智能仓储物流。利用无线传感器网络的多传感器高度集成，以及部署方便、组网灵活的特点，可用来进行粮食、蔬菜、水果、蛋肉存储仓库的温度、湿度控制，中央空调系统的监测与控制，以及厂房环境控制，特殊实验室环境的控制等。第一章 无线传感器网络概述 l
12、无线传感器网络介绍无线传感器网络介绍应用前景应用前景智慧城市智慧城市通过物联网基础设施、云计算基础设施、地理空间基础设施等新一代信息技术以及百科、社交网络、综合集成等工具和方法的应用，实现全面透彻的感知、宽带泛在的互联、智能融合的应用。知识社会环境下的智慧城市是信息化城市发展的高级形态。智慧城市的建设覆盖诸多领域，交通、医疗、安防、社区、电网等等都是智慧城市建设中不可或缺的部分。其中智慧社区、智能家居是与人最为密切相关的部分，是智慧城市建设的必经步骤。第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络介绍无线传感器网络介绍应用前景应用前景智慧城市智慧城市：2010年，IBM正式提出了“智慧城市”远
13、景：城市六个核心系统组成：组织（人）、业务/政务、交通、通讯、水和能源。国内不少公司也提出有关智慧城市的架构体系，如“智慧城市4+1体系”，已在城市综合体智能化（如株洲神农城）、天津智慧和平区等智能化项目中得到应用。2013年1月国家住建布提出了建设智慧城市的首批名单：包括北京、石家庄、无锡、温州等90个城市通过审核，正式成为国内首批试点智慧城市。第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络介绍无线传感器网络介绍应用前景应用前景住建部2013年1月宣布，北京市东城区、江苏省无锡市、河北省石家庄市、浙江省温州市等90个城市通过审核，成为首批国家智慧城市试点。在90个试点中，37个地级市，50个
14、区（县），3个镇。试点城市将要在3-5年完成创建此后由相关部门组织评估并进行等级评定。评定等级将由低到高分为一星、二星和三星。住建部与国家开发银行签订合作协议，未来三年，住建部与国家开发银行合作投资智慧城市，资金规模将达800亿，同时推进智慧城市试点项目的遴选、调查、发款等工作。除了通过审批试点的90个城市，目前还有近三百个城市已经开始建设智慧城市项目，而未来几年将有600-800个城市打造智慧城市，预计国家在“十二五”期间用于建设智慧城市的投资规模将达5000亿元，而带动相关产业发展的市场规模预计将在2万亿元左右，前景非常广阔。第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络体系结构无线传感器
15、网络体系结构可以从这几个角度来认识无线传感器网络的系统结构：u无线传感器网络的节点结构u无线传感器网络的软件体系结构u无线传感器网络的网络拓扑结构u无线传感器网络的协议结构第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络体系结构无线传感器网络体系结构节点结构节点结构 传感器节点通常用于部署，其成本低廉、重量轻，同时支持一些基本的功能，如事件检测、分类、追踪以及汇报，在一般情况下，节点支持以下功能：动态配置，以支持多种网络功能；u节点可以动态配置成网关、普通节点等；u远程可编程，以便增加新的功能，如支持新的信号处理算法；u定位功能，以便确定自己的绝对或者相对位置，如利用全球定位系统（Global
16、Position System，GPS）；u支持低功耗的网络传输；u支持长距离通信的能力，以便数据传输，如网关之间的通信。第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络体系结构无线传感器网络体系结构节点结构节点结构主要组成部分：u数据采集模块(传感器、信号调理、A/D转换器)u数据处理和控制模块(微处理器、存储器)u无线通信模块(射频收发器)u能量供应模块(电池及电源管理模块)可以选择的其他功能单元：u定位模块u移动模块u电源自供电模块l 无线传感器网络的系统结构无线传感器网络的系统结构节点结构节点结构第一章 无线传感器网络概述 第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络的系统结构无线传感
17、器网络的系统结构软件结构软件结构最靠近基础硬件并对各种软硬件资源进行管理的是操作系统，无线传感器网络操作系统一般采用事件驱动的组件设计模式，完整的系统由调度器和分层组件组成每一类完整的无线传感器网络的软件结构，都需要有面向特定应用的业务逻辑部分软件。可根据传感器网络节点采集的数据的类型、特性、用途和用户的需要对数据进行特定的处理在现代的无线传感器网络软件体系中，还会设计处理分布系统所特有功能的软件，形成无线传感器网络中间件软件，用于支撑各种应用第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络的系统结构无线传感器网络的系统结构软件结构软件结构第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络的系统结构
18、无线传感器网络的系统结构网络拓扑结构网络拓扑结构平面网络结构分级网络结构混合网络结构Mesh网络结构 l无线传感器网络的系统结构无线传感器网络的系统结构网络拓扑结构网络拓扑结构平面网络结构：无线传感器网络中最简单的一种拓扑结构，所有节点为对等结构，具有完全一致的功能特性第一章 无线传感器网络概述 l无线传感器网络的系统结构无线传感器网络的系统结构网络拓扑结构网络拓扑结构分级网络结构：分级网络结构分为上层和下层两个部分：上层为中心骨干节点；下层为一般传感器节点。这种网络拓扑结构扩展性好，便于集中管理，可以降低系统建设成本，提高网络覆盖率和可靠性第一章 无线传感器网络概述 l无线传感器网络的系统结
19、构无线传感器网络的系统结构网络拓扑结构网络拓扑结构Mesh网络结构：Mesh网络结构是一种新型的无线传感器网络结构，该结构是规则分布的网络结构，该结构中通常只允许节点和节点最近的邻居通信第一章 无线传感器网络概述 第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络的系统结构无线传感器网络的系统结构协议结构协议结构无线传感器网络协议设计所需要考虑的特殊特性（1）无线传感器网络中的节点数目高出Ad hoc网络节点数目几个数量级，这就对传感器网络的可扩展性提出了要求（2）无线传感器网络最大的特点就是能量受限。在各层协议设计时，节能是设计的主要考虑目标之一（3）传感器网络节点受损的概率远大于传统网络节点，
20、因此自组织网络的健壮性保障是必须的（4）传感器节点高密度部署，网络拓扑结构变化快，对于拓扑结构的维护也提出了挑战第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络的系统结构无线传感器网络的系统结构协议结构协议结构传感器网络体系结构具有横向的通信协议层和纵向的传感器网络管理面这样的二维结构。通信协议层可以划分为物理层、链路层、网络层、传输层和应用层五层，网络管理面则可以划分为能耗管理面、移动性管理面以及任务管理面。第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络的系统结构无线传感器网络的系统结构协议结构协议结构无线传感器网络的各通信协议层u物理层u数据链路层u网络层u传输层u应用层第一章 无线传感器网
21、络概述 l 无线传感器网络的系统结构无线传感器网络的系统结构协议结构协议结构无线传感器网络的各通信协议层功能u物理层物理层负责载波频率产生、信号的调制解调等工作，提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术。u数据链路层数据链路层（1）媒体访问控制。主要负责网络结构的建立和为传感器节点有效、合理地分配资源。（2）差错控制。保证源节点发出的信息可以完整、无误地到达目标节点。u网络层网络层负责路由发现和维护，是无线传感器网络的重要因素。无线传感器网络中，大多数节点无法直接与网关通信，需要通过中间节点进行多跳路由。（以数据为中心）第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络的系统结构无线传感器网络的系统
22、结构协议结构协议结构无线传感器网络的各通信协议层功能u传输层传输层 负责将传感器网络的数据提供给外部网络，也就是负责网络中节点间和节点与外部网络之间的通信。u应用层应用层 主要由一系列应用软件构成，主要负责监测任务。这一层主要解决三个问题：传感器管理协议、任务分配和数据广播管理协议，以及传感器查询和数据传播管理协议。第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络的系统结构无线传感器网络的系统结构协议结构协议结构无线传感器网络的各管理平台功能如下：u能量管理平台能量管理平台 管理传感器节点如何使用资源，在各个协议层都需要考虑节省能量。u移动管理平台移动管理平台 检测传感器节点的移动，维护到汇聚节
23、点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。u任务管理平台任务管理平台 在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络的发展无线传感器网络的发展20世纪70年代，第一代传感器网络第一代传感器网络诞生，第一代传感器网络特别简单，传感器只能获取简单信号，数据传输采用点对点模式，传感器节点与传感控制器相连就构成了这样一个传感器网络。第二代传感器网络第二代传感器网络比第一代传感器网络在功能上稍有增强，它能够读取多种信号，硬件上采用串/并接口来连接传感控制器，是一种能够综合多种信息的传感器网络。传感器网络更新的速度越来越快。第一章 无线传感器网络概述 l 无线
24、传感器网络的发展无线传感器网络的发展在20世纪90年代后期，第三代传感器网络第三代传感器网络问世，它更加智能化，综合处理能力更强，能够智能地获取各种信息，网络采用局域网形式，通过一根总线实现传感器控制器的连接，是一种智能化的传感器网络。到现在为止，第四代传感器网络第四代传感器网络还在开发之中，虽然实验室的无线传感器网络已经能够运行，但限于节点成本、电池生命周期等原因，大规模使用的产品出现得还很少，这一代网络结构采用无线通信模式，大规模地撒播具有简单数据处理和融合能力的传感器节点，无线自组织地实现网络间节点的相互通信，这就构成了第四代传感器网络，即无线传感器网络。第一章 无线传感器网络概述 l
25、无线传感器网络的发展无线传感器网络的发展在20世纪90年代后期，第三代传感器网络第三代传感器网络问世，它更加智能化，综合处理能力更强，能够智能地获取各种信息，网络采用局域网形式，通过一根总线实现传感器控制器的连接，是一种智能化的传感器网络。到现在为止，第四代传感器网络第四代传感器网络还在开发之中，虽然实验室的无线传感器网络已经能够运行，但限于节点成本、电池生命周期等原因，大规模使用的产品出现得还很少，这一代网络结构采用无线通信模式，大规模地撒播具有简单数据处理和融合能力的传感器节点，无线自组织地实现网络间节点的相互通信，这就构成了第四代传感器网络，即无线传感器网络。l 无线传感器网络的发展无线
26、传感器网络的发展第一章 无线传感器网络概述 第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络的发展无线传感器网络的发展 1993年，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）联合rockwell研究中心在 DARPA的资助下开始进行了WINS（Wireless Integrated Network Sensors）的项目研究 1996年起麻省理工学院(MIT)进行了AMPS(Micro-Adaptive Multi-domain Power-aware Sensors)项目的研究，该项目主要关注网络问题，提出了无线传感器网络的组织应该以节能、自组织和可重构为目标。（LEACH协议）加州大学伯克利分校（U
27、C Berkeley）于1999年在DARPA的资助下开始进行Smart Dust项目的研究，该项目的目标是研制体积不超过一立方毫米，使用太阳能电池供电，具有光通信能力的自治传感器节点 在美国自然科学基金（NSF）等单位的资助下，UCLA联合其他一些机构成立了CENS（Center for Embedded Network Sensing）。该中心对无线传感器网络的跟踪定位与节点部署、调试工具、数据存储与查询、能量管理等等诸多方面进行研究。UC Berkeley成立了WEBS（wireless Embedded Systems），WEBS负责Smart Dust和NEST等项目，涉及硬件平台、
28、安全路由、环境监测和定位系统等许多方面。第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络的发展无线传感器网络的发展 空间探索领域和军事领域方面：uNASA的Sensor Web项目 应用于火星探测uDARPA资助的Sensor IT(Sensor Information Technology)项目，战场环境不同种类的传感器的部署战场的组成的传感器网络u美国海军研究局资助的DADS（Deployable Autonomous Distributed System）项目，开发可在近海水域部署的水下无线传感器网络 在民用方面u2002年Intel公司的“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，制定了微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用第一章 无线传感器网络概述 l 无线传感器网络面临的挑战无线传感器网络面临的挑战 低能耗 实时性 低成本 安全和抗干扰 协作第一章 无线传感器网络概述 l 主要参考书目：主要参考书目：李晓维,徐勇军,任丰原.无线传感器网络技术 北京理工大学出版社.2007年8月王殊,阎毓杰,胡富平,屈晓旭.无线传感器网络的理论和应用.北京航空航天大学出版社.2007年8月谭励.无线传感器网络理论与技术应用.机械工业出版社.2011年7月
