無線網(wǎng)絡(luò)傳感器課件

1、1.1 引言引言n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前備受關(guān)注的、由多學(xué)科交叉的一個新興前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域n新型微型傳感器的出現(xiàn)u功能強(qiáng)大n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛u后PC時代u智能塵埃u應(yīng)用廣泛n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)意義重大1.1 引言引言n國內(nèi)外大量投入n技術(shù)上的發(fā)展u“后PC時代”u微機(jī)電系統(tǒng)u片上系統(tǒng)u微信傳感器n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與功能n總之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將改變?nèi)伺c自然界的交互方式。一一什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)二二傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史三三傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用情況傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用情況四四傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)五五傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征通過第一章的學(xué)習(xí)達(dá)到如下目

2、的：通過第一章的學(xué)習(xí)達(dá)到如下目的：n學(xué)習(xí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義，特點(diǎn)與功能等n了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)u結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)u網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)n了解相關(guān)基本概念u例如，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，拓?fù)淇刂?，能量管理等n了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況n了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用情況n了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)1.無線網(wǎng)絡(luò)的分類無線網(wǎng)絡(luò)的分類2.什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)1 1、無線網(wǎng)絡(luò)的分類、無線網(wǎng)絡(luò)的分類 無線網(wǎng)絡(luò)可以分為無線網(wǎng)絡(luò)可以分為2種，如圖種，如圖1.1所所示示 如何劃分無線網(wǎng)絡(luò)：是否有基站，結(jié)點(diǎn)是否移動如何劃分無線網(wǎng)絡(luò)：是否有基站，結(jié)點(diǎn)是否移動 無線無線網(wǎng)絡(luò)的例子：移動自組織網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)的例子：移動自組織網(wǎng)絡(luò)pa3

3、 移動移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳感器網(wǎng)絡(luò)都是沒有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，二者進(jìn)行簡網(wǎng)絡(luò)都是沒有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，二者進(jìn)行簡單對比如下：單對比如下： 有有相似相似都沒有基礎(chǔ)設(shè)施都沒有基礎(chǔ)設(shè)施功率優(yōu)化功率優(yōu)化 也有不同也有不同移動性移動性方面方面出現(xiàn)的時間不同，前者早于后者出現(xiàn)出現(xiàn)的時間不同，前者早于后者出現(xiàn)后者制定協(xié)議的時候往往借鑒前者的協(xié)議，但是二者的協(xié)議是有差別不同的后者制定協(xié)議的時候往往借鑒前者的協(xié)議，但是二者的協(xié)議是有差別不同的無無 線線 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò)有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)移動移動Ad hocAd hoc網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)什么

4、是無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要素?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)要素 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)構(gòu)架無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)構(gòu)架無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種現(xiàn)代信息處理系統(tǒng)傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)計算機(jī)技術(shù)計算機(jī)技術(shù)通通 信信 技技 術(shù)術(shù)感感 官官大大 腦腦神神 經(jīng)經(jīng)現(xiàn)代信息技術(shù)現(xiàn)代信息技術(shù)信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)什么

5、是無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本要素?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本要素 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) 無線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本要素簡介傳感器網(wǎng)絡(luò)基本要素簡介 無線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)構(gòu)架：圖傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)構(gòu)架：圖1.3物物 理理 層層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) 層層傳傳 輸輸 層層應(yīng)應(yīng) 用用 層層能能 量量 分分 配配移移 動動 管管 理理應(yīng)應(yīng) 用用 優(yōu)優(yōu) 化化計算設(shè)備的演化歷史巨型機(jī) 小型機(jī) 工作站 PC PDA WSN 節(jié)點(diǎn)等 生物芯片 發(fā)展歷程（一） 二十世紀(jì)二十世紀(jì)70年代。年代。冷戰(zhàn)時期的

6、聲音監(jiān)測系統(tǒng)（Sound Surveillance System-SOSUS）、空中預(yù)警與控制系統(tǒng)（Air borne Warning and Control System-AWACS）1980年。年。DARPA的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目（Distributed Sensor Networks-DSN）1994年年 。加州大學(xué)洛杉磯分校的William J. Kaiser 向DARPA提交建議書“Low Power Wireless Integrated Microsensors” ，里程碑。 二十世紀(jì)二十世紀(jì)80年代至年代至90年代之間年代之間。美國海軍研制的協(xié)同交戰(zhàn)能力系統(tǒng)（Cooperati

7、ve Engagement Capability-CEC），用于反潛的確定性分布系統(tǒng)（Fixed Distributed System-FDS）和高級配置系統(tǒng)（Advanced Deployment System-ADS），以及遠(yuǎn)程戰(zhàn)場傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（Remote Battlefield Sensor System-REMBASS）和戰(zhàn)術(shù)遠(yuǎn)程傳感器系統(tǒng)（Tactical Remote Sensor System）等無人看管地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展歷程（二）1998 年。年。Gregory. J. Pottie 闡釋了WSN 的科學(xué)意義，DARPA巨資啟動了SensIT項(xiàng)目，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“超視距”戰(zhàn)

8、場監(jiān)測。1999年年9月。月。商業(yè)周刊將其列位21世紀(jì)最重要的21項(xiàng)技術(shù)之一。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory ,ORNL) 提出了“網(wǎng)絡(luò)就是傳感器”（Network is Sensor）的論斷。2001年年1月。月。MIT技術(shù)評論將WSN列于十種改變未來世界新興技術(shù)之首。2003年年8月。月。商業(yè)周刊預(yù)測：WSN和其他三項(xiàng)信息技術(shù)將會在不遠(yuǎn)的將來掀起新的產(chǎn)業(yè)浪潮。2004年年IEEE Spectrum雜志發(fā)表一期專集：傳感器的國度，論述WSN的發(fā)展和可能的廣泛應(yīng)用。我們國家未來20年預(yù)見技術(shù)的調(diào)查報告，信息領(lǐng)域157項(xiàng)技術(shù)課題中有7項(xiàng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)直

9、接相關(guān)。2006年初年初發(fā)布的國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要為信息技術(shù)確定了三個前沿方向，其中兩個與WSN的研究直接相關(guān)，即智能感知技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。WSN的應(yīng)用 目標(biāo)跟蹤 大鴨島海燕監(jiān)測 冰河監(jiān)測 醫(yī)療健康 電子牧場 結(jié)構(gòu)化監(jiān)測 火山觀測 目標(biāo)跟蹤槍聲定位系統(tǒng)大鴨島海燕監(jiān)測無人干擾監(jiān)測無人干擾監(jiān)測鳥鳥 巢巢海海 燕燕大大 鴨鴨 島島冰河監(jiān)測冰河監(jiān)測 利用WSN監(jiān)測冰河的變 化情況，目的在于通過分 析冰河環(huán)境的變化來推斷 地球氣候的變化。 美國ALERT計劃火山觀測家庭與醫(yī)療健康智能家居系統(tǒng)，家居環(huán)境控制農(nóng)業(yè)領(lǐng)域 引言 數(shù)字農(nóng)業(yè)的興起 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)助推數(shù)

10、字農(nóng)業(yè) 實(shí)例 智能漁場系統(tǒng) 菊花生產(chǎn)管理 玫瑰園 葡萄園電子牧場結(jié)構(gòu)化監(jiān)測討討 論論 題題 請大家思考和組織課堂討論：請大家思考和組織課堂討論：傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以有哪些用途？傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以有哪些用途？1.2.2 1.2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)TinyOS TinyOS是UC Berkeley的David Culler領(lǐng)導(dǎo)的研究小組為WSN量身定制的嵌入式操作系統(tǒng)。 WSN對操作系統(tǒng)的特殊要求主要表現(xiàn)在：（1）節(jié)點(diǎn)的計算資源有限，需要盡可能的減小系統(tǒng)開銷；（2）節(jié)點(diǎn)由電池供電，且要求較長的工作周期，因此需要系統(tǒng)的能耗管理策略與方案，包括操作系統(tǒng)的支持；（3）節(jié)點(diǎn)的各

11、模塊之間需要一定的調(diào)度協(xié)調(diào)機(jī)制，同時支持并發(fā)控制；（4）觀測任務(wù)需要操作系統(tǒng)支持實(shí)時性。TinyOS簡介 1 1、結(jié)點(diǎn)體系組成、結(jié)點(diǎn)體系組成 從無線聯(lián)網(wǎng)從無線聯(lián)網(wǎng)的角度來看，傳的角度來看，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體系體系由分層的網(wǎng)由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理平臺和應(yīng)絡(luò)管理平臺和應(yīng)用支撐平臺三個用支撐平臺三個部分部分。1.2.3 1.2.3 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)(1) (1) 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議議 類似于傳統(tǒng)類似于傳統(tǒng)InternetInternet網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)中的的TCP/IPTCP/IP協(xié)議體協(xié)議體系，它由物理層、系，它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、

12、傳輸層和絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。應(yīng)用層組成。(2) (2) 網(wǎng)絡(luò)管理平臺網(wǎng)絡(luò)管理平臺 網(wǎng)絡(luò)管理平臺主要是對傳感器節(jié)點(diǎn)自身的管理和用網(wǎng)絡(luò)管理平臺主要是對傳感器節(jié)點(diǎn)自身的管理和用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，包括：戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，包括： 拓?fù)淇刂仆負(fù)淇刂?服務(wù)質(zhì)量管理服務(wù)質(zhì)量管理 能量管理能量管理 安全管理安全管理 移動管理移動管理 網(wǎng)絡(luò)管理等網(wǎng)絡(luò)管理等關(guān)于拓?fù)淇刂频囊粋€簡單討論關(guān)于拓?fù)淇刂频囊粋€簡單討論 動機(jī)動機(jī) 拓?fù)淇刂苹痉椒ㄍ負(fù)淇刂苹痉椒?降低發(fā)送功率降低發(fā)送功率 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等 評價指標(biāo)評價指標(biāo)*動機(jī)動機(jī) 一個密集網(wǎng)絡(luò)（什么是：一個結(jié)點(diǎn)周圍有很多），如下圖所示，太多的結(jié)點(diǎn)處于通信

13、里程之內(nèi)，這樣會帶來如下問題： 結(jié)點(diǎn)互相干擾，增加了通信協(xié)議的復(fù)雜度，例如，各種可能的路由方式很多, 基本的解決方法: 降低拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜度 拓?fù)淇刂票仨毐３帜承┲笜?biāo)，例如連通不變性 兩種解決方法降低發(fā)送功率降低發(fā)送功率 降低發(fā)送功率 不要總是使用最大功率 相比之前，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡化了，如下圖 降低了串?dāng)_, 采用分級結(jié)構(gòu)采用分級結(jié)構(gòu) 劃分為多個簇 劃分網(wǎng)絡(luò)為多個簇 簇有一個簇頭簇頭 每一個結(jié)點(diǎn)屬于一個簇，稱為簇成員 簇成員與簇頭直接連接(3) (3) 應(yīng)用支撐平臺應(yīng)用支撐平臺 應(yīng)用支撐平臺建立在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技應(yīng)用支撐平臺建立在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)之上，包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)

14、用層軟術(shù)的基礎(chǔ)之上，包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件，通過應(yīng)用服務(wù)接口和網(wǎng)絡(luò)管理接口來為終端用戶件，通過應(yīng)用服務(wù)接口和網(wǎng)絡(luò)管理接口來為終端用戶提供各種具體應(yīng)用的支持。提供各種具體應(yīng)用的支持。 時間同步時間同步 定位定位 應(yīng)用服務(wù)接口應(yīng)用服務(wù)接口 網(wǎng)絡(luò)管理接口網(wǎng)絡(luò)管理接口2 2、傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) 根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的多少，傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的多少，傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以分為平面分為平面結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)和分級結(jié)構(gòu)。如果網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小，分級結(jié)構(gòu)。如果網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小，一般采用平面結(jié)構(gòu)。如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大，則必須采一般采用平面結(jié)構(gòu)。如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大，則必須采用分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。用分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)

15、構(gòu)。(1) (1) 平面結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu) 定義：平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)比較簡單，所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，所以又可以稱為對等式結(jié)構(gòu)，例如右圖。 優(yōu)點(diǎn)：源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間一般存在多條路經(jīng)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷由這些路徑共同承擔(dān)，一般情況下不存在瓶頸，網(wǎng)絡(luò)比較健壯。 缺點(diǎn)：平面型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)的組織、路由建立、控制與維持的報文開銷上都存在問題，這些開銷會占用很大的帶寬，影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸速率。另外，整個系統(tǒng)在宏觀上將損耗很大的能量。還有一個缺點(diǎn)就是可擴(kuò)充性差。(2) (2) 分級結(jié)構(gòu)分級結(jié)構(gòu) 定義：在分級結(jié)構(gòu)中，傳感器網(wǎng)絡(luò)被劃分為多個簇。每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。這些簇頭形成了高一級的網(wǎng)絡(luò)。簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，簇成員只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。 優(yōu)點(diǎn)：這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，具有很好的可擴(kuò)充性。 缺點(diǎn)：問題就是簇頭的能量消耗問題，簇頭發(fā)送和接收報文的頻率要高出普通節(jié)點(diǎn)幾倍或十幾倍，因而要求可以在簇內(nèi)運(yùn)行簇頭選擇程序來更換簇頭。1 1、無線網(wǎng)絡(luò)的分類、無線網(wǎng)絡(luò)的分類 移動移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳感器網(wǎng)絡(luò)都是沒有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，二者進(jìn)行簡網(wǎng)絡(luò)都是沒有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，二者進(jìn)行簡單對比如下：單對比如下： 有有相似相似都沒有基礎(chǔ)設(shè)施都沒有基礎(chǔ)設(shè)施功率優(yōu)化功率優(yōu)化 也有不同也有不同移動性移動性方面方面出現(xiàn)的時間不同，前者早于后者出現(xiàn)出