無線網(wǎng)絡傳感器課件

1、1.1 引言引言n無線傳感器網(wǎng)絡是當前備受關注的、由多學科交叉的一個新興前沿熱點領域n新型微型傳感器的出現(xiàn)u功能強大n無線傳感器網(wǎng)絡應用廣泛u后PC時代u智能塵埃u應用廣泛n無線傳感器網(wǎng)絡意義重大1.1 引言引言n國內(nèi)外大量投入n技術上的發(fā)展u“后PC時代”u微機電系統(tǒng)u片上系統(tǒng)u微信傳感器n無線傳感器網(wǎng)絡的結(jié)構與功能n總之，無線傳感器網(wǎng)絡將改變?nèi)伺c自然界的交互方式。一一什么是無線傳感器網(wǎng)絡什么是無線傳感器網(wǎng)絡二二傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展歷史傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展歷史三三傳感器網(wǎng)絡的應用情況傳感器網(wǎng)絡的應用情況四四傳感器網(wǎng)絡的結(jié)構傳感器網(wǎng)絡的結(jié)構五五傳感器網(wǎng)絡的特征傳感器網(wǎng)絡的特征通過第一章的學習達到如下目

2、的：通過第一章的學習達到如下目的：n學習無線傳感器網(wǎng)絡的定義，特點與功能等n了解無線傳感器網(wǎng)絡的結(jié)構u結(jié)點結(jié)構u網(wǎng)絡結(jié)構n了解相關基本概念u例如，網(wǎng)絡協(xié)議，拓撲控制，能量管理等n了解無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展情況n了解無線傳感器網(wǎng)絡的應用情況n了解無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術1.無線網(wǎng)絡的分類無線網(wǎng)絡的分類2.什么是無線傳感器網(wǎng)絡什么是無線傳感器網(wǎng)絡1 1、無線網(wǎng)絡的分類、無線網(wǎng)絡的分類 無線網(wǎng)絡可以分為無線網(wǎng)絡可以分為2種，如圖種，如圖1.1所所示示 如何劃分無線網(wǎng)絡：是否有基站，結(jié)點是否移動如何劃分無線網(wǎng)絡：是否有基站，結(jié)點是否移動 無線無線網(wǎng)絡的例子：移動自組織網(wǎng)絡網(wǎng)絡的例子：移動自組織網(wǎng)絡pa3

3、 移動移動Ad Hoc網(wǎng)絡與傳感器網(wǎng)絡與傳感器網(wǎng)絡都是沒有基礎設施的網(wǎng)絡，二者進行簡網(wǎng)絡都是沒有基礎設施的網(wǎng)絡，二者進行簡單對比如下：單對比如下： 有有相似相似都沒有基礎設施都沒有基礎設施功率優(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) 絡絡有基礎設施網(wǎng)有基礎設施網(wǎng)無基礎設施網(wǎng)無基礎設施網(wǎng)移動移動Ad hocAd hoc網(wǎng)絡網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡什么是無線傳感器網(wǎng)絡什么

4、是無線傳感器網(wǎng)絡 無線傳感器網(wǎng)絡定義無線傳感器網(wǎng)絡定義 無線傳感器網(wǎng)絡功能無線傳感器網(wǎng)絡功能 無線傳感器網(wǎng)絡特點無線傳感器網(wǎng)絡特點 無線傳感器網(wǎng)絡要素無線傳感器網(wǎng)絡要素 無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)構架無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)構架無線傳感器網(wǎng)絡(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成的無線網(wǎng)絡，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網(wǎng)絡覆蓋地域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。無線傳感器網(wǎng)絡是一種現(xiàn)代信息處理系統(tǒng)傳感器技術傳感器技術計算機技術計算機技術通通 信信 技技 術術感感 官官大大 腦腦神神 經(jīng)經(jīng)現(xiàn)代信息技術現(xiàn)代信息技術信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡什么是無線傳感器網(wǎng)絡什么

5、是無線傳感器網(wǎng)絡 無線傳感器網(wǎng)絡定義無線傳感器網(wǎng)絡定義 無線傳感器網(wǎng)絡的基本要素無線傳感器網(wǎng)絡的基本要素 無線傳感器網(wǎng)絡的基本功能無線傳感器網(wǎng)絡的基本功能 無線傳感器網(wǎng)絡特點無線傳感器網(wǎng)絡特點 無線無線傳感器網(wǎng)絡基本要素簡介傳感器網(wǎng)絡基本要素簡介 無線無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)構架：圖傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)構架：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) 絡絡 層層傳傳 輸輸 層層應應 用用 層層能能 量量 分分 配配移移 動動 管管 理理應應 用用 優(yōu)優(yōu) 化化計算設備的演化歷史巨型機 小型機 工作站 PC PDA WSN 節(jié)點等 生物芯片 發(fā)展歷程（一） 二十世紀二十世紀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)絡項目（Distributed Sensor Networks-DSN）1994年年 。加州大學洛杉磯分校的William J. Kaiser 向DARPA提交建議書“Low Power Wireless Integrated Microsensors” ，里程碑。 二十世紀二十世紀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），以及遠程戰(zhàn)場傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)（Remote Battlefield Sensor System-REMBASS）和戰(zhàn)術遠程傳感器系統(tǒng)（Tactical Remote Sensor System）等無人看管地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)展歷程（二）1998 年。年。Gregory. J. Pottie 闡釋了WSN 的科學意義，DARPA巨資啟動了SensIT項目，目標是實現(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世紀最重要的21項技術之一。橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory ,ORNL) 提出了“網(wǎng)絡就是傳感器”（Network is Sensor）的論斷。2001年年1月。月。MIT技術評論將WSN列于十種改變未來世界新興技術之首。2003年年8月。月。商業(yè)周刊預測：WSN和其他三項信息技術將會在不遠的將來掀起新的產(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)展和可能的廣泛應用。我們國家未來20年預見技術的調(diào)查報告，信息領域157項技術課題中有7項與傳感器網(wǎng)絡直

9、接相關。2006年初年初發(fā)布的國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要為信息技術確定了三個前沿方向，其中兩個與WSN的研究直接相關，即智能感知技術和自組織網(wǎng)絡技術。WSN的應用 目標跟蹤 大鴨島海燕監(jiān)測 冰河監(jiān)測 醫(yī)療健康 電子牧場 結(jié)構化監(jiān)測 火山觀測 目標跟蹤槍聲定位系統(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)領域 引言 數(shù)字農(nóng)業(yè)的興起 無線傳感器網(wǎng)絡助推數(shù)

10、字農(nóng)業(yè) 實例 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)絡還可以有哪些用途？傳感器網(wǎng)絡還可以有哪些用途？1.2.2 1.2.2 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的結(jié)構傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的結(jié)構操作系統(tǒng)TinyOS TinyOS是UC Berkeley的David Culler領導的研究小組為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)點的計算資源有限，需要盡可能的減小系統(tǒng)開銷；（2）節(jié)點由電池供電，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)點的各

11、模塊之間需要一定的調(diào)度協(xié)調(diào)機制，同時支持并發(fā)控制；（4）觀測任務需要操作系統(tǒng)支持實時性。TinyOS簡介 1 1、結(jié)點體系組成、結(jié)點體系組成 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)絡節(jié)點的感器網(wǎng)絡節(jié)點的體系體系由分層的網(wǎng)由分層的網(wǎng)絡通信協(xié)議、網(wǎng)絡通信協(xié)議、網(wǎng)絡管理平臺和應絡管理平臺和應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)絡體系結(jié)構網(wǎng)絡體系結(jié)構(1) (1) 網(wǎng)絡通信協(xié)網(wǎng)絡通信協(xié)議議 類似于傳統(tǒng)類似于傳統(tǒng)InternetInternet網(wǎng)絡中網(wǎng)絡中的的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)絡層、

12、傳輸層和絡層、傳輸層和應用層組成。應用層組成。(2) (2) 網(wǎng)絡管理平臺網(wǎng)絡管理平臺 網(wǎng)絡管理平臺主要是對傳感器節(jié)點自身的管理和用網(wǎng)絡管理平臺主要是對傳感器節(jié)點自身的管理和用戶對傳感器網(wǎng)絡的管理，包括：戶對傳感器網(wǎng)絡的管理，包括： 拓撲控制拓撲控制 服務質(zhì)量管理服務質(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)絡管理等網(wǎng)絡管理等關于拓撲控制的一個簡單討論關于拓撲控制的一個簡單討論 動機動機 拓撲控制基本方法拓撲控制基本方法 降低發(fā)送功率降低發(fā)送功率 網(wǎng)絡結(jié)構等網(wǎng)絡結(jié)構等 評價指標評價指標*動機動機 一個密集網(wǎng)絡（什么是：一個結(jié)點周圍有很多），如下圖所示，太多的結(jié)點處于通信

13、里程之內(nèi)，這樣會帶來如下問題： 結(jié)點互相干擾，增加了通信協(xié)議的復雜度，例如，各種可能的路由方式很多, 基本的解決方法: 降低拓撲結(jié)構復雜度 拓撲控制必須保持某些指標，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，拓撲結(jié)構簡化了，如下圖 降低了串擾, 采用分級結(jié)構采用分級結(jié)構 劃分為多個簇 劃分網(wǎng)絡為多個簇 簇有一個簇頭簇頭 每一個結(jié)點屬于一個簇，稱為簇成員 簇成員與簇頭直接連接(3) (3) 應用支撐平臺應用支撐平臺 應用支撐平臺建立在網(wǎng)絡通信協(xié)議和網(wǎng)絡管理技應用支撐平臺建立在網(wǎng)絡通信協(xié)議和網(wǎng)絡管理技術的基礎之上，包括一系列基于監(jiān)測任務的應

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

15、構。(1) (1) 平面結(jié)構平面結(jié)構 定義：平面結(jié)構的網(wǎng)絡比較簡單，所有節(jié)點的地位平等，所以又可以稱為對等式結(jié)構，例如右圖。 優(yōu)點：源節(jié)點和目的節(jié)點之間一般存在多條路經(jīng)，網(wǎng)絡負荷由這些路徑共同承擔，一般情況下不存在瓶頸，網(wǎng)絡比較健壯。 缺點：平面型的網(wǎng)絡結(jié)構在節(jié)點的組織、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。還有一個缺點就是可擴充性差。(2) (2) 分級結(jié)構分級結(jié)構 定義：在分級結(jié)構中，傳感器網(wǎng)絡被劃分為多個簇。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。簇頭節(jié)點負責簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，簇成員只負責數(shù)據(jù)的采集。 優(yōu)點：這大大減少了網(wǎng)絡中路由控制信息的數(shù)量，具有很好的可擴充性。 缺點：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)點幾倍或十幾倍，因而要求可以在簇內(nèi)運行簇頭選擇程序來更換簇頭。1 1、無線網(wǎng)絡的分類、無線網(wǎng)絡的分類 移動移動Ad Hoc網(wǎng)絡與傳感器網(wǎng)絡與傳感器網(wǎng)絡都是沒有基礎設施的網(wǎng)絡，二者進行簡網(wǎng)絡都是沒有基礎設施的網(wǎng)絡，二者進行簡單對比如下：單對比如下： 有有相似相似都沒有基礎設施都沒有基礎設施功率優(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