電子科大 無線傳感器網(wǎng)絡課件 wsn_chapter_1_概述.ppt

無線傳感器網(wǎng)絡黃樂天 上課時間 周三1 2節(jié) 立人樓B109 email huanglt Tel 61831105 O Office 科研樓B224 B 實驗地點 科B237 待定 課程考核方式 平時考核 15 期末考試 60 和實驗考核 25 CourseOverview Textbook WirelessSensorNetworks無線傳感器網(wǎng)絡 LanF Akyildiz MehmetCanVuran編 徐平平 劉昊 褚宏云等譯 電子工業(yè)出版社 第1版 2013年3月 參考書及預備知識 Referencebooks1 無線傳感器網(wǎng)絡原理與應用 姚向華 楊新宇 易勁剛 韓九強 高等教育出版社 第1版 2012年4月 2 智能網(wǎng)絡傳感器與無線傳感器網(wǎng)絡 景博 張劼 孫勇 國防工業(yè)出版社 第1版 2011年1月 3 物聯(lián)網(wǎng) 無線傳感網(wǎng)原理與實踐 賈靈 王新宇 鄭淑軍 北京航空航天大學出版社 第1版 2011年1月 Prerequisiteknowledgeand orskills計算機通信網(wǎng) 微機原理 傳感原理與信息感知技術 WSN是一門交叉學科 涉及計算機 微電子 網(wǎng)絡 通信 信號處理 傳感器等諸多領域 隨著現(xiàn)代微電子技術 微機電系統(tǒng) MEMS 片上系統(tǒng)soc 納米材料 無線通信技術 信號處理技術 計算機網(wǎng)絡技術等的進步以及互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展傳統(tǒng)傳感器信息獲取技術從獨立的單一化模式向集成化 微型化 智能化 網(wǎng)絡化方向發(fā)展 成為信息獲取最重要和最基本的技術之一 無線傳感器網(wǎng)絡涉及這么多知識 技術 需要哪些基礎 達到什么目標 需要掌握哪些重點 WSN的定義 維基百科 無線傳感器網(wǎng)絡是由許多在空間中分布的自動裝置組成的一種無線通信計算機網(wǎng)絡 這些裝置使用傳感器協(xié)作地監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況 比如溫度 聲音 振動 壓力 運動或污染物 無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展最初起源于戰(zhàn)場監(jiān)測等軍事應用 而現(xiàn)今無線傳感器網(wǎng)絡被應用于很多民用領域 如環(huán)境與生態(tài)監(jiān)測 健康監(jiān)護 家居自動化以及交通控制等 起源于軍事目的的無線傳感器網(wǎng)絡在民用化過程中會出現(xiàn)哪些問題 對其后續(xù)發(fā)展帶來什么影響 WSN的特征 大規(guī)模為了獲取精確信息 在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點 可能達到成千上萬 甚至更多 自組織在傳感器網(wǎng)絡應用中 通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎結構的地方 傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定 節(jié)點之間的相互鄰居關系預先也不知道 動態(tài)性傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構可能因為下列因素而改變 環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點故障或失效 環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化 甚至時斷時通 傳感器網(wǎng)絡的傳感器 感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性 新節(jié)點的加入 這就要求傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)要能夠適應這種變化 具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構性 WSN的特征 可靠性由于監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點數(shù)目巨大 不可能人工 照顧 每個傳感器節(jié)點 網(wǎng)絡的維護十分困難甚至不可維護 以數(shù)據(jù)為中心用戶使用傳感器網(wǎng)絡查詢事件時 直接將所關心的事件通告給網(wǎng)絡 而不是通告給某個確定編號的節(jié)點 網(wǎng)絡在獲得指定事件的信息后匯報給用戶 這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習慣 集成化傳感器節(jié)點的功耗低 體積小 價格便宜 實現(xiàn)了集成化 以上哪些特征是 普世化 的 哪些特征只針對特定的應用場景 VWSN的特征 可靠性由于監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點數(shù)目巨大 不可能人工 照顧 每個傳感器節(jié)點 網(wǎng)絡的維護十分困難甚至不可維護 以數(shù)據(jù)為中心用戶使用傳感器網(wǎng)絡查詢事件時 直接將所關心的事件通告給網(wǎng)絡 而不是通告給某個確定編號的節(jié)點 網(wǎng)絡在獲得指定事件的信息后匯報給用戶 這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習慣 集成化傳感器節(jié)點的功耗低 體積小 價格便宜 實現(xiàn)了集成化 以上哪些特征是 普世化 的 哪些特征只針對特定的應用場景 網(wǎng)絡體系結構 從無線聯(lián)網(wǎng)的角度來看 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的體系由分層的網(wǎng)絡通信協(xié)議 網(wǎng)絡管理平臺和應用支撐平臺三個部分 無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議 網(wǎng)絡通信協(xié)議類似于傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡中的TCP IP協(xié)議體系 它由物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 網(wǎng)絡層 傳輸層和應用層組成 各層內容將在后續(xù)章節(jié)依次介紹討論 Contents 第1章概述 4學時chap1 2第2章傳感器與執(zhí)行器 2學時chap14第3章傳感器網(wǎng)絡設計影響因素 2學時chap3第4章物理層 4學時chap4第5章介質訪問控制 6學時chap5第6章差錯控制 2學時chap6第7章網(wǎng)絡層 4學時chap7實驗基礎類實驗 8學時實驗指導書自學 第8 9 10章了解 第13 15 16 17 18章 Chapter1 Introduction 什么是無線傳感器網(wǎng)絡 巨型機說 我認為全球大概只需要五臺計算機就夠了 PC機說 每個家庭的桌面上都應該有一臺電腦 PocketPC說 太大了 應該每人口袋里放一臺 WSN說 每粒沙子都應該是一臺計算機 Internet 衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡等 匯聚節(jié)點 監(jiān)測區(qū)域 傳感器節(jié)點 什么是無線傳感器網(wǎng)絡 WSN是一種分布式網(wǎng)絡系統(tǒng) 采用無線多跳的通信方式 其網(wǎng)絡拓撲結構動態(tài)變化 具有自組織 自控制以及自適應等智能屬性 由傳感器節(jié)點 感知對象和觀察者三個基本要素組成 Sink 傳感器節(jié)點 Internet 衛(wèi)星或移動通信網(wǎng) WSN體系結構 終端用戶 檢測區(qū)域 SensorTypes LightThermopileUltravioletIRVisibleLightColorsensorsMagneticSoundUltrasoundAccelerometerTemperaturePressureHumidityTouchsensors 回顧微機原理或嵌入式系統(tǒng)內容理解無線傳感器節(jié)點系統(tǒng)平臺結構和組成 工作原理及應用無線傳感器網(wǎng)絡都是以此為基礎 SmallLowpowerLowbitrateHighdensityLowcost dispensable AutonomousAdaptive 傳感器節(jié)點硬件 各種節(jié)點系統(tǒng)平臺 傳感器節(jié)點的具體產品 SensorNodeHardware TwomaincomponentsBase Processor Transceiver SensorBoardBase SensorBoard s SensorNode SensorNodeFeatures SensorMotesTimeline RockwellWINS SmartDust JPLSensorWebs Dust ExamplesforSensorNodes MICAMote ReneMote weCMote DotMote ExamplesforSensorNodes CurrentPlatforms 1stGeneration Mica2DOT 2003 16KbprogrammemRFMTR1000 CSMA ASK LightweightandsmallMica2 Cricketplatform 2003 128KbprogrammemChipconCC1000 CSMA FSK 40KhzUltrasounders Cricketonly MicaZ 2004 Telos 2005 802 15 4 ZigbeestackSpreadSpectrumradiohandlesmultipathbetterIntegratedantenna Telosonly CurrentPlatforms 2ndGeneration Imote 2003 Imote2 2007 HigherprocessingpowerBluetooth 802 11capable Imote2only Stargate 2005 Stargate2 0PentiumclassprocessorLinuxOS easydevelopment C C Higherprocessingcapabilities energyintensive802 11capable SENSORNODEFEATURESProcessingandStorage Multipleprocessorspeedlevels Imote Stargate andImote2useasingleFlashforprogramandmeasurementdata Imote Imote2 andTelosuseSRAM Mica2andMicaZuseEEPROM StargateusesSDRAM Imote2willhavedifferentversions SRAMchangesaccordingly SENSORNODEFEATURESCommunicationandPower WithexternalBluetoothadapter WithexternalWLANadapter Differentsleeplevels MICAzPlatform Microprocessor AtmelATmega128L7 3728MHzclock128kBofFlashforprogrammemory4kBofSRAMfordataandvariables2UARTs UniversalAsynchronousReceiveandTransmit SerialPortInterface SPI busDedicatedhardwareI2CbusRadio Chipcon sCC2420 IEEE802 15 4 250kbit sExternalserialflashmemory 512Kbxbowestimates 100000samples51 pinexpansionconnectorEight10 bitanalogI O21generalpurposedigitalI OUserinterface 3programmableLEDsPoweredbytwoAAbatteries1850mAhcapacity LoggerFlash ATMega128L controllerAnalogI ODigitalI O Freq TunableRadio 51 PinExpansionConnector Antenna MMCXconnector LEDs TelosPlatform RobustUSBinterfaceIntegratedantenna 30m 125m Externalantennacapability 500m HighPerformance10kBRAM 48KBROM12 bitADCandDAC 200ksamples sec Hardwarelink layerencryption TelosPlatform SingleboardphilosophyRobustness Easeofuse LowerCostIntegratedHumidity125moutdoorranges SunSPOTPlatform Microprocessor 32bitARM920Tcore180MHzclock512kBofFlashforprogrammemory4MBofFlashfordataUSBConnectionRadio Chipcon sCC2420 IEEE802 15 4 250kbit s3 7Vrechargeable720mAhlithium ionbatterySoftware SquawkVMFullycapableJ2MECLDC1 1JavaVMwithOSfunctionalityVMexecutesdirectlyoutofflashmemoryDevicedriversinJavaAutomaticbatterymanagement 實驗平臺 無線傳感器網(wǎng)絡的通信標準 傳感器網(wǎng)絡中的應用一般不需要很高的信道帶寬 卻要求具有較低的傳輸延時和極低的功率消耗 使用戶能在有限的電池壽命內完成任務IEEE802 15 4標準把低功耗 低成本作為主要目標 為傳感器網(wǎng)絡提供了一種互連互通的平臺 各大射頻芯片廠商也陸續(xù)推出支持該標準的無線收發(fā)芯片ZigBee 無線HART和6LoWPAN等無線傳感器網(wǎng)絡標準或規(guī)范均是基于IEEE802 15 4 2006低速率無線個域網(wǎng)標準 無線網(wǎng)絡標準 The802 15 4 Zigbeesandbox WirelessTechnologiesCompared ZigBee聯(lián)盟簡介 ZigBee聯(lián)盟組成成立于2001年9月成員為半導體廠商 無線IP供應商 OEM廠商及終端用戶擁有150個成員 包括飛思卡爾 菲利普 三菱 三星 IBM及華為等ZigBee聯(lián)盟的宗旨在一個開放式全球標準的基礎上使穩(wěn)定的 低成本的 低功耗的 無線聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控和控制產品成為可能 ZigBee標準 ZigBee來源于蜜蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式 蜜蜂通過跳ZigZig形狀的舞蹈傳遞新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置 距離與方向等信息ZigBee是一種近距離 低復雜度 低功耗 低數(shù)據(jù)速率 低成本的雙向無線通信技術 ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee標準時 采用了IEEE802 15 4作為其物理層和媒體接入層規(guī)范 在其基礎之上 ZigBee聯(lián)盟制定了數(shù)據(jù)鏈路層 DLL 網(wǎng)絡層 NWK 和應用編程接口API規(guī)范 并負責高層應用 測試和市場推廣等方面的工作ZigBee技術將主要嵌人在消費性電子設備 家庭和建筑物自動化設備 工業(yè)控制裝置 電腦外設 醫(yī)用傳感器 玩具和游戲機等設備 支持小范圍的基于無線通信的控制和自動化等領域中的應用 同時還支持地理定位功能 ZigBee 802 15 4 ZigBee IEEE802 15 4 ZigBeeStackArchitecture IEEE802 15 4 為滿足低功耗 低成本的無線網(wǎng)絡要求 城服標準委員會在2000年12月正式批準并成立802 15 4工作組 工作組的任務是開發(fā)一個低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)腤PN LR WPAN 標準IEEE802 15 4標準就是802 15 4工作小組開發(fā)出的標準 它具有復雜度低 成本極少 功耗很小的特點 能在低成本設備之間低速率傳輸數(shù)據(jù)標準滿足國際標準組織開放系統(tǒng)互聯(lián) OSI 參考模式 包括物理層 介質訪問802 15 4標準定義了無線個域網(wǎng)中的設備互聯(lián)進行無線通信的協(xié)議 它采用了CSMA CA介質訪問機制 支持星型和對等 點到點 拓撲結構網(wǎng)絡 IEEE802 15 4標準的主要特征 四種傳輸速率 20kbps 40kbps 100kbps 250kbps在網(wǎng)絡中采取兩種地址方式 16位地址和64位地址采用可選的時槽保障 GuaranteedTimeSlots GTS 機制采用CSMA CA信道訪問機制支持ACK機制以保證可靠傳輸 低功耗機制 信道能量檢測 EnergyDetection ED 鏈路質量指示 Linkqualityindication LQI 工作在ISM頻段上 其中在2450MHz波段上有16個信道 在915MHz波段上有10個信道 在868MHz上有1個信道數(shù)據(jù)安全策略 802 15 4has16channels 2 4GHzband IEEE802 15 4標準 網(wǎng)絡組成及拓撲結構物理層信道分配及調制方式物理層幀格式MAC子層的幀格式 ReducedFunctionDevice RFD LimitedtobeingleafdevicesCannotbecomeanetworkcoordinatorTalksonlytoanetworkcoordinatorVerysimpleimplementationsimpledevices e g Lightswitch infraredsensor38primitives FullFunctionDevice FFD AnytopologyNetworkcoordinatorcapableTalkstoanyotherdevice3modes PANCoordinator Coordinator Device49primitives 14PHY 35MAC 1 3ofBluetooth IEEE802 15 4Topologies Star PANCoordinator 802 15 4Topology Peer PeerTopologyCombinedTopology Fullfunctiondevice Reducedfunctiondevice Clusteredstars forexample clusternodesexistbetweenroomsofahotelandeachroomhasastarnetworkforcontrol Pointtopoint NetworkPieces PANCoordinator PANCoordinator owns thenetworkStartsitAllowsotherdevicestojoinitProvidesbindingandaddress tableservicesSavesmessagesuntiltheycanbedeliveredAndmore couldalsohavei ocapabilityA full functiondevice FFDMainspowered NetworkPieces Router RoutersRoutesmessagesDoesnotownorstartnetworkScanstofindanetworktojoinGivenablockofaddressestoassignA full functiondevice FFDMainspowereddependingontopologyCouldalsohavei ocapability NetworkPieces EndDevice EndDeviceCommunicateswithasingledeviceDoesnotownorstartnetworkScanstofindanetworktojoinCanbeanFFDorRFD reducedfunctiondevice Usuallybatterypowered 物理層 信道分配和調制方式 注 項為可選項目 系802 15 4 2006新增內容 IEEE802 15 4PHY OperatingFrequencyBands 868MHz 915MHzPHY The2 4GHzISMband 802 11DSSS IEEE802 15 4PHY幀格式 PHY負載 物理幀頭 PHR 同步頭 SHR PSDU Reserved 1比特 Framelength 7比特 SFD 前導碼 preamble 可變 1字節(jié) 1字節(jié) Ocets 4字節(jié) SFD Start of FrameDelimiterPSDU PHYServiceDataUnit IEEE802 15 4MAC幀格式 幀頭MHR MACHeader 包括幀控制域 幀序列號 地址和用于加解密的附加安全頭部幀尾MFR MACFooter 16位CRC校驗碼 802 15 4 GeneralFrameStructure 4TypesofMACFrames BeaconFrameDataFrameAcknowledgmentFrameMACCommandFrame 無線HART 無線HART WirelessHART 標準是HART通訊協(xié)議的擴展 專為如過程監(jiān)視和控制等工業(yè)環(huán)境應用所設計 IEC6259 Ed 1 0 是國際電工委員會于2010年4月批準發(fā)布的完全國際化的無線HART標準 是過程自動化領域的第一個無線傳感器網(wǎng)絡國際標準 圖示網(wǎng)絡有5種組件 6LoWPAN IEEE于2004年11月成立了一個6Lowpan IPv6overIEEE802 15 4或IPv6overLRPAN 工作組 專門致力于如何實現(xiàn)IPv6數(shù)據(jù)包在IEEE802 15 4上的傳輸 研究基于1Pv6overIEEE與無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議相關的通信標準6LoWPAN是 IPv6overLowpowerWirelessPersonalAreaNetworks 低功率無線個域網(wǎng)上的IPv6 縮寫屬IETF 因特網(wǎng)工程任務組 中的一個工作組 負責制訂基于IEEE802 15 4標準個域網(wǎng)上IPv6傳輸?shù)耐ㄓ嵓夹g標準 現(xiàn)已發(fā)布了RFC4944基礎性的技術規(guī)范 6LowPan草案 6Lowpan是IPv6overLowPowerwirelessPersonalAreaNetwork的縮寫 該草案的目標是制訂如何在Lowpan上傳輸IPv6報文 當前Lowpan采用的開放協(xié)議主要指IEEE802 15 4MAC層標準 在上層并沒有一個真正開放的標準支持路由等功能 由于IPv6是下一代互聯(lián)網(wǎng)標準 在技術上均趨于成熟 并且在Lowpan上采用IPv6協(xié)議可以與現(xiàn)有網(wǎng)絡實現(xiàn)無縫連接 因此IETF成立了專門的工作組制定如何在802 15 4協(xié)議上發(fā)送和接收IPv6報文等相關技術標準 Overview 6LoWPANisanacronymofIPv6overLowpowerWirelessPersonalAreaNetworks Asimplelowthroughputwirelessnetworkcomprisingtypicallylowcostandlowpowerdevices Commontopologiesinclude star mesh andcombinationsofstarandmesh ThePhyandMAClayersconformtoIEEE802 15 4 2003standard 6LoWPANCharacteristics Smallpacketsize 127Byte 16 bitshortorIEEE64 bitextendedmediaaccesscontroladdressesLowbandwidth 250kbps Lowpower typicallybatteryoperatedRelativelylowcost 6LoWPAN TheWorkingGroupwillgeneratethenecessarydocumentstoensureinteroperableimplementationsof6LoWPANnetworksandwilldefinethenecessarysecurityandmanagementprotocolsandconstructsforbuilding6LoWPANnetworks 6lowpanwillworkcloselywiththeRoutingOverLowpowerandLossynetworks roll workinggroupwhichisdevelopingIPv6routingsolutionsforlowpowerandlossynetworks LLNs ROLL ROLL definingtheroutingsolutionwithintheLLN LowpowerandLossyNetwork DescriptionofWorkingGroup LowpowerandLossynetworks LLNs aremadeupofmanyembeddeddeviceswithlimitedpower memory andprocessingresources Theyareinterconnectedbyavarietyoflinks suchasIEEE802 15 4 Bluetooth LowPowerWiFi wiredorotherlowpowerPLC PowerlineCommunication links LLNsaretransitioningtoanend to endIP basedsolutiontoavoidtheproblemofnon interoperablenetworksinterconnectedbyprotocoltranslationgatewaysandproxies Problem NomethodexiststomakeIPrunoverIEEE802 15 4networksStackingIPandabovelayers