物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用：第4章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)---概述

1、第4章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)第1講 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks, WSN）？WSN的體系結(jié)構(gòu)？WSN的基本特點(diǎn)？WSN發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)？WSN面臨的挑戰(zhàn)？泛在網(wǎng)問題引入物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)問題引入物流中應(yīng)用案例遠(yuǎn)程監(jiān)控中心用戶車載智能終端GPSGPRSGPRS溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）？第一種解釋，由部署在觀測(cè)環(huán)境附近的大量的微型廉價(jià)低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一個(gè)多跳的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。第二種解釋，大規(guī)模、無線、自組織、多跳、無分區(qū)、無基礎(chǔ)設(shè)施支持的網(wǎng)絡(luò)，其中的節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)的、成本較低、體積較小、大部分

2、節(jié)點(diǎn)不移動(dòng)、被隨意撒布在工作區(qū)域，要求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有盡可能長(zhǎng)的工作時(shí)間。三個(gè)基本要素：傳感器、感知對(duì)象、觀察者。基本功能：協(xié)作地感知、采集、處理和發(fā)布感知信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程第一代 第二代 第三代監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由智能傳感器和傳感控制器組成，傳感器和傳感控制器之間采用串口、并口相連。傳感器與傳感控制器采用現(xiàn)場(chǎng)總線型的方式相互連接。 第四代由具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)傳輸功能的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。WSN的影響力美國(guó)的技術(shù)評(píng)論雜志評(píng)選無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是對(duì)人類生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)之一。美國(guó)的商業(yè)周刊將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位為21世紀(jì)高技術(shù)領(lǐng)域中的四大支柱型產(chǎn)業(yè)之一。美國(guó)的今日防務(wù)雜志認(rèn)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

3、和發(fā)展，將引起一場(chǎng)劃時(shí)代的軍事技術(shù)革命和未來戰(zhàn)爭(zhēng)的變革。我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)于1999年首次出現(xiàn)于中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究的信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告中，作為該領(lǐng)域提出的五個(gè)重大項(xiàng)目之一。2001年中科院依托上海微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，引領(lǐng)院內(nèi)的相關(guān)工作，并通過該中心在無線傳感器網(wǎng)的方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項(xiàng)目和方向性項(xiàng)目，初步建立了傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺(tái)，于2004年9月在北京演示了相關(guān)成果。2006年初發(fā)布的國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要為信息技術(shù)定義了3個(gè)前沿方向，其中2個(gè)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)。我國(guó)2010年遠(yuǎn)景規(guī)劃和“十五”計(jì)劃中，

4、將WSN列為重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Internet/StatelineSinkSensor NodesManagement Station無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要組成傳感器節(jié)點(diǎn)（Sensor Node）功能：采集、處理、控制和通信等網(wǎng)絡(luò)功能：兼顧節(jié)點(diǎn)和路由器資源受限：存儲(chǔ)、計(jì)算、通信、能量匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink Node）功能：連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，轉(zhuǎn)發(fā)收集到的數(shù)據(jù)特點(diǎn)：連續(xù)供電、功能強(qiáng)、數(shù)量少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要組成傳感器節(jié)點(diǎn)（Sensor Node）功能：采集、處理、控制和通信等網(wǎng)絡(luò)功能：兼顧節(jié)點(diǎn)和路由

5、器資源受限：存儲(chǔ)、計(jì)算、通信、能量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠x網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)互相連接的方法和形式。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂婆c優(yōu)化的意義：影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期；減少節(jié)點(diǎn)間通信干擾，即節(jié)點(diǎn)傳輸半徑控制；為路由協(xié)議提供基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠x網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)互相連接的方法和形式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淦矫娼Y(jié)構(gòu) 所有節(jié)點(diǎn)的地位是平等的，即對(duì)等結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含相同的MAC、路由、管理和安全等協(xié)議。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以向一定范圍的節(jié)點(diǎn)通信，容易維護(hù)，較好的健壯性。 由于沒有中心管理節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須維護(hù)龐大的路由記錄，而且維護(hù)這些路由

6、信息需要占用有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞旨?jí)結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)不需要維護(hù)復(fù)雜的路由信息，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擴(kuò)展性好，具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性。 缺點(diǎn)是集中管理開銷大，硬件成本高，一般傳感器節(jié)點(diǎn)之間可能不能夠相互之間通信。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銶esh結(jié)構(gòu) Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)任意節(jié)點(diǎn)之間存在多條路由路徑，網(wǎng)絡(luò)對(duì)于單點(diǎn)或單個(gè)鏈路故障具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是盡管所有節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的地位，且具有相同的計(jì)算和通信傳輸功能，但某個(gè)節(jié)點(diǎn)可被指定為簇首節(jié)點(diǎn)，而且可執(zhí)行額外的功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無中心互相協(xié)作大規(guī)模自組織多跳路由動(dòng)態(tài)可靠以數(shù)據(jù)為中心與應(yīng)用相關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種無中心節(jié)點(diǎn)的全分布系統(tǒng)，通過隨機(jī)

7、投放的方式，眾多傳感器節(jié)點(diǎn)被密集部署于監(jiān)控區(qū)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無中心互相協(xié)作大規(guī)模自組織多跳路由動(dòng)態(tài)可靠以數(shù)據(jù)為中心與應(yīng)用相關(guān)傳感器節(jié)點(diǎn)具有良好的協(xié)作能力，通過局部的數(shù)據(jù)交換來完成全局任務(wù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無中心互相協(xié)作大規(guī)模自組織多跳路由動(dòng)態(tài)可靠以數(shù)據(jù)為中心與應(yīng)用相關(guān)為了獲取精確信息，在監(jiān)測(cè)區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量可能達(dá)到成千上萬，甚至更多。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無中心互相協(xié)作大規(guī)模自組織多跳路由動(dòng)態(tài)可靠以數(shù)據(jù)為中心與應(yīng)用相關(guān)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)通常被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方，這樣就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的

8、特點(diǎn)無中心互相協(xié)作大規(guī)模自組織多跳路由動(dòng)態(tài)可靠以數(shù)據(jù)為中心與應(yīng)用相關(guān)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通信距離有限，節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰居直接通信，如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無中心互相協(xié)作大規(guī)模自組織多跳路由動(dòng)態(tài)可靠以數(shù)據(jù)為中心與應(yīng)用相關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因?yàn)槎喾N因素而改變，這就要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)多種變化，具有動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)重構(gòu)性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無中心互相協(xié)作大規(guī)模自組織多跳路由動(dòng)態(tài)可靠以數(shù)據(jù)為中心與應(yīng)用相關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造的監(jiān)測(cè)信息，因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有魯棒

9、性和容錯(cuò)性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無中心互相協(xié)作大規(guī)模自組織多跳路由動(dòng)態(tài)可靠以數(shù)據(jù)為中心與應(yīng)用相關(guān)用戶使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時(shí)，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個(gè)確定編號(hào)的節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)在獲得指定事件的信息后匯報(bào)給用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無中心互相協(xié)作大規(guī)模自組織多跳路由動(dòng)態(tài)可靠以數(shù)據(jù)為中心與應(yīng)用相關(guān)不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，因此對(duì)傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)電源能量有限1挑戰(zhàn)1如何高效使用能量來最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)！無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)通信能力有限2挑戰(zhàn)2如何在如此有限通信能力的條件下，高質(zhì)量地完成感知數(shù)據(jù)的查詢

10、、分析、挖掘與傳輸？節(jié)點(diǎn)帶寬窄，而且經(jīng)常變化節(jié)點(diǎn)通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米，受環(huán)境影響大。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限3挑戰(zhàn)3如何利用有限的計(jì)算和存儲(chǔ)資源完成諸多協(xié)同任務(wù)？傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)通常都具有嵌入式處理器和存儲(chǔ)器，但是它的處理器性能、存儲(chǔ)容量都很有限。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)多源、多跳的主要通信方式4挑戰(zhàn)4如何為多源信息傳輸選擇優(yōu)化通信路徑？多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)向一個(gè)目標(biāo)傳送信息一次多源信息傳輸需要多條由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的路徑。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的其他挑戰(zhàn) 傳感器的投放和撒播技術(shù)； 傳感器的定位問題； 時(shí)鐘同步問題； 組網(wǎng)連通可靠性和探測(cè)覆蓋率研究； 傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性和抗干擾問題

11、研究； 信號(hào)的協(xié)作處理； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)價(jià)能源有效性 能源有效性是指該網(wǎng)絡(luò)在有限的能源條件下能夠處理的請(qǐng)求數(shù)量，能源有效性是傳感器網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)價(jià)能源有效性能耗控制 能耗控制中最直接的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是網(wǎng)絡(luò)生命周期，影響網(wǎng)絡(luò)生命周期的因素很多，其中硬件因素包括CPU、存儲(chǔ)器、無線通信模塊的能耗；軟件因素包括通信協(xié)議棧的設(shè)計(jì)、基于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合算法等。在設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件時(shí)，必須充分考慮能源有效性，最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)價(jià)能源有效性能耗控制時(shí)間延遲 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間延遲是指當(dāng)觀察者發(fā)出請(qǐng)求到其接收到回答信息所需要的時(shí)間，時(shí)間延遲與應(yīng)用密切相關(guān)，直接影響傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用性和應(yīng)用范圍。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)價(jià)能源有效性能耗控制時(shí)間延遲感知精度 感知精度是指觀察者接收到的感知信息的精度，傳感器的感知能力、精度、節(jié)點(diǎn)的信息處理方法、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、通信能力等都對(duì)感知精度有所影響。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)價(jià)能源有效性能耗控制時(shí)間延遲感知精度可擴(kuò)展性 傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性表現(xiàn)在傳感器數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域、生命周期、