彭力物聯網概論第課WSN

1本書內容框架

一、緒論（1、10）

二、射頻識別技術技術（2）

三、無線傳感器網絡技術（6）

四、無線單片機技術和傳感器技術（4、5）

五、無線通信系統(tǒng)和遠程通信技術（3、8）

六、短距離無線通信技術（7）

七、智能信息處理技術（9）

八、本課程考試2第三課、WSN技術江南大學物聯網工程學院吳治海Email:wuzhihai@Phoneddress:C4232011-9-20本節(jié)課主要內容提綱基本概念

體系結構

主要特征

關鍵技術

現狀挑戰(zhàn)41.基本概念

無線傳感器網絡（wirelesssensornetwork,WSN）是一種集成了傳感器技術、微機電系統(tǒng)技術、無線通信技術和分布式信息處理技術的新型網絡技術。通過節(jié)點間的協(xié)作對監(jiān)控區(qū)域的環(huán)境或檢測對象的信息實時感知、采集和處理，并將處理后的信息傳送到感興趣的網絡終端用戶，從而使之成為Internet從虛擬世界到物理世界的延伸，成為邏輯上的信息世界與真實物理世界的連接橋梁，將信息世界與物理世界融為一體。51.基本概念

無線傳感器網絡就是由部署在檢測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統(tǒng)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知的對象信息，并發(fā)送給觀察者。

62.體系結構構成WSN的三要素：

無線傳感器、感知對象、觀察者。無線是傳感器與觀察者之間、傳感器與傳感器之間的通信方式，能夠在傳感器與觀察者之間建立通信路徑。72.體系結構無線傳感器網絡的結構匯聚節(jié)點82.體系結構傳感器節(jié)點包括：傳感單元、數據處理單元、網絡通信單元、能源（電池）。（GPS定位裝置和移動裝置）92.體系結構102.體系結構傳感器節(jié)點功能：采集、處理、控制和通信，兼顧節(jié)點和路由器特點：資源受限（存儲、計算、通信、能量）Sink節(jié)點功能：連接傳感器網絡與Internet等外部網絡，實現兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉換，發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，轉發(fā)收集到的數據。特點：連續(xù)供電、功能強、數量少等。112.體系結構無線傳感器網絡的工作流程

借助于節(jié)點內置的形式多樣的感知模塊測量所在環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波等信號，從而探索包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等物質現象；節(jié)點的處理模塊則完成對數據進行簡單的處理，再采用微波、無線、紅外和光等通信形式，通過多跳中繼方式將監(jiān)測數據傳送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將接收到的數據進行融合及壓縮后，最后通過因特網或其他網絡通信方式將監(jiān)測信息傳送到管理節(jié)點。同樣，用戶也可以通過管理節(jié)點進行命令的發(fā)布，通知傳感器節(jié)點收集制定區(qū)域的監(jiān)測信息。122.體系結構無線傳感器網絡協(xié)議棧的結構132.體系結構物理層：負責數據傳輸介質的規(guī)范，規(guī)定工作頻率、信號調制、編碼等標準，目標是設計低成本、低功耗、小體積的傳感器節(jié)點；數據鏈路層：負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制，減小能量消耗；網絡層：主要負責路由發(fā)現、路由維護和路由選擇；傳輸層：負責數據流的傳輸控制，數據格式的轉換；應用層：包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件。142.體系結構能源管理平臺：管理傳感器節(jié)點如何使用能量；移動管理平臺：記錄和檢測傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠跟蹤它的鄰居；任務管理平臺：在一個給定的區(qū)域內平衡和調度監(jiān)測任務。153.主要特征☆與現有無線網絡的區(qū)別：傳感器網絡集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網絡系統(tǒng)，節(jié)點數目龐大（上千甚至上萬），節(jié)點分布更密集，因環(huán)境影響和能量耗盡，更容易出現故障。節(jié)點通常固定不動。環(huán)境干擾和節(jié)點故障易造成網絡拓撲結構的變化。節(jié)點能量、處理能力、存儲能力、通信能力有限。不同于傳統(tǒng)無線網絡的高服務質量和高效的帶寬的利用的目標，節(jié)能是其設計的首要目標（最重要區(qū)別）。163.主要勾特征WS六N結點聾數量惡更為管龐大多數煙節(jié)點城為靜翻止能量愧有限拓撲欺結構犁被動來變化Ad孫h將oc幾十法至上集百個洪節(jié)點節(jié)點炊全移蓬動能量柱可連喘續(xù)提孩供拓撲燒結構焰主動浴變化173.主要柴特征☆傳喚感器芳節(jié)點淹的限鞋制：1.電源炸能量壞有限※節(jié)點狡體積里微小錦，決定其攜啊帶的膜化學繼電池把能量名有限應?！?jié)點正個數粘多、差成本旅低、視部署手區(qū)域笨環(huán)境幫復雜狀（人動員不絕能到登達）訊，決定更換啟電池好補充肌能量欲的策灰略不侄現實蛙?！斍疤砉I(yè)朋水平身限制既，決定用太阿陽能盈電池鵲、微巖光電吳池、愚生物邊能電稍池、躬地熱廟電池凳等可約以從聞自然環(huán)界中喂汲取耍能量四轉換松為電踩能的翅電池巷來代厘替化洋學電襲池，剖實現儀能量顆自補遞充的惱策略扮也不爆現實禾?！鶑膫髟砀衅髋烤W絡堤的特按性出漲發(fā)，師使用相新的艱分簇路算法膜、路裳由協(xié)絹議，鐮通過坦減小宰節(jié)點警能量持消耗顛來延長慰（最凝大化倍）網騎絡生糾命周最期是當斑前研茫究的猛一個鬧重點斗。183.主要聽特征※傳感概器節(jié)何點消她耗能斤量模翼塊：傳感白器模搞塊（癢低）帖；處理恨器模紙塊（瀉低）向；無線史通信芬模塊壓（高糧：約80蜜%）?！穫鬏敼滦畔E要比肥采集令信息晉、處廣理信墻息更旨消耗屠電能?！鶡o線冷通信龍模塊卸的四由種狀佛態(tài)：發(fā)送饒：消堂耗能饅量最勁大；接收壩：消友耗能泄量低望；空閑冤：一姑直監(jiān)轉聽無搭線信圍道的找使用飯情況甚，檢得查是敘否有傅數據掠發(fā)送盾給自廊己，喂接近飄接收著狀態(tài)吼能耗積；睡眠蛛：關唐閉通型信模掙塊，笛消耗元能量突最少是?！啡绾沃易尵W輔絡通桃信更斜有效活，減謹小不刃必要魄的轉起發(fā)和窄接收害，不優(yōu)需要廈通信禁時盡植快進奇入睡柏眠狀漫態(tài)，炒是減譯小能叨耗的戲重要軋策略。193.主要擁特征☆傳佳感器賺節(jié)點仍的限險制：2.通信歷能力淋有限※無線悄通信摧消耗什能量載與傳廣輸距寄離之歇間的正關系搬：E=Kd宜.^顏n,榮2<苦n<衫4。傳感勻器節(jié)鴨點部跡署貼樂近地飲面，燭障礙像物多將、干裁擾大皆，n取值踩越大貝。n通常擴取為3。隨核著通取信距因離增至加，曲能量提急劇象消耗派?！吩跐M視足通閘信連叫通度脹的前坐提下咳應盡色量減窯小通攪信距升離。一辦般情伴況下夢，無輪線通索信半蒙徑小灰于10鈴0米比蝦較合拼適。※節(jié)點突能量濫限制經和網摘絡覆格蓋范經圍大—》采用留多跳累路由闖的傳周輸機包制?！?jié)點百無線弟通信體帶寬賊有限里（速蛙率僅劫幾百kb貫/s嫩)；高聞聳建頓筑物這、障嗓礙物開、風命雨雷踩電等迷自然刮環(huán)境踩影響倚節(jié)點徐的能然量變酷化，抱無線湖通信碎性能卻經常悠變化掙，頻趣繁出隱現通醒信中翼斷?！啡绾螕嵩O計網絡刺通信即機制昂以滿揉足傳插感器細網絡烘的通蒼信需遼求是一吐個挑尸戰(zhàn)。203.主要鳴特征☆傳繞感器船節(jié)點址的限堅制：3.計算綢和存恒儲能足力有踩限※采用棒低功再耗電環(huán)路和蟲新型買系統(tǒng)遵設計熟技術儉，開靠發(fā)超低盼功耗匯微處門理器，降慌低微康處理嘗器的柜絕對燭功耗回。※處理脆器的動態(tài)統(tǒng)能量洪管理（dy英na嫁mi伯c轎po漏we員r碼ma刻na妻ge優(yōu)me脂nt證,要DP親M)：當節(jié)汗點周渴圍沒厘有感缸興趣巨的事棒件發(fā)地生時第，部舞分模筒塊處劑于空襯閑狀袖態(tài)，填把這其些組村件關齒掉或觀調到庫更低著功耗竹的睡牢眠狀貿態(tài)?！幚斫Y器的動態(tài)熔電壓絡調節(jié)(d自yn描am竟ic級v楚ol董ta責ge桑s例ca湯li膠ng注,做DV放S)隸:當計落算負困載較廊低時廚，通歸過降宅低微族處理坑器的伙工作仿電壓挨和頻硬率來霞降低磚處理態(tài)能力狡，從異而節(jié)孕約微駁處理弓器的灣功耗意。213.主要牌特征☆無苗線傳駱感器駝網絡舍的其姨它特厘點：1.動態(tài)剪性強親（網滔絡拓鳴撲結舟構易冒變）躍：※環(huán)境曉因素嘴、電偶能耗租盡導叔致節(jié)壘點故舟障或設實效禿；環(huán)境地變化制導致蛋無線肅通信蝕鏈路佩帶寬稼變化貫，時券斷時常通；傳感躁器、淘感知塵對象轉和觀挑察者幣的可然能移順動；新加悅入節(jié)勞點?！废到y(tǒng)漆可重蛙構性。2.網絡勝規(guī)模超大、辜密度盼高：※提高辱檢測叛精確僑性，幻玉減小平對單櫻個節(jié)箭點精嫂確性死的依啄賴；大量境冗余休節(jié)點旗協(xié)同慚工作驅，提次高容私錯性外，增頸大覆款蓋區(qū)肝域，默減小兄盲區(qū)忌?！稵r摧ad芒e-胖of瞎f:費用捐和精策確性納、費較用和框容錯壤性。223.主要串特征☆無敞線傳勞感器刪網絡禁的其團它特黨點：3.可靠鳳性：※惡劣擦環(huán)境柴、隨侵機撒蒼播、擇炮彈辛發(fā)射舉，要呈求硬貓件必喂須堅梅固；防盜若防偽乏，要文求通催信保標密性巖和安簽全性個?！奋浻不冀浺心爵敯裟男院椭迫蒎e鮮性。4.應用線相關灣：※應用脖背景肆不同墳，硬著件平恥臺、耍軟件剛系統(tǒng)端和網陶絡協(xié)票議也脂不同獄?！丰槍尉唧w寄應用鍬研究總無線爐傳感琴器網撲絡技慘術（禽無線視傳感饑器網坐絡設夢計不微同于挺傳統(tǒng)壯網絡斥的顯可著特業(yè)征）。5.以數述據為驕中心劣：※關注已點是場某個希區(qū)域語某個殺觀測閘指標忘的值府，不黨是去親關心辨具體工某個植節(jié)點潔的觀兼測數獎?chuàng)??！芬搼译x傳闊統(tǒng)網兔絡的那尋址裳過程術，快伴速有圣效地穗組織驅其各梳個節(jié)墊點的歸信息襪并融鉗合出野有用聰的信必息傳脾送給奏用戶。234.關鍵垮技術1.能源忙管理敵：※采用笛節(jié)點粉休眠徒調度辰策略完，使錯節(jié)點袍輪流家工作竄與休舞眠；動態(tài)零功率陸調節(jié)咐、數陷據融古合、新能量絕高效耗的介際質訪淋問控籍制（me促di氧al憤a泄cc豆es袍s儲co顛nt息ro筐l,蟲M析AC扛)協(xié)議傭和路帳由設騙計、擊拓撲震控制面。2.網絡橋自組剪織與間自我婚管理矮：※三種享拓撲增結構鐵：基離于簇鴨的分予層結防構、纖基于怨網的秘平面鴿結構耳、基違于鏈盒的線晶結構孫；依據扛節(jié)點佳的能拿量水劃平，寒合理柜地分膽配任甩務，最有效血延長遍網絡佛壽命淹；當節(jié)河點失挑效時剖，重沫新生根成拓喬撲。3.拓撲嗎控制李：※良好照的拓淺撲控棉制策造略，黑可以布提高MA公C協(xié)議洲和路健由協(xié)厘議的盯效率挖，給著數據昏融合非、時秩間同掃步、用目標斤定位桐奠定津基礎姓，有土利于處節(jié)省認能量鈔，延悄長網炕絡壽昨命。244.關鍵期技術4.定位全技術躲：※位置召信息打必不叢可卻躬，節(jié)射點采累集的昆數據之必須叼與其直位置癢信息子相結混合才蛙有意添義；了解阻節(jié)點減位置兼信息簡，可裁以提建高路庫由協(xié)紫議效留率，羨為網碎絡提控供命現名空盈間服拋務，嶼向部仿署著雅提供視覆蓋擠質量違，實雄現網興絡的車負載炭均衡蕉和網顛絡的餃自配柱置；5%斧-1沸0%節(jié)點敘裝配GP抽S模塊+定位共算法教，獲掌取自拜身精滅確位亮置信拖息。5.數據大融合互：※節(jié)省恩網絡猶帶寬趴，提叫高能噸量利情用率滑，降女低數都據冗昨余度申。6.時間尚同步酷：※確保該正確稍監(jiān)測泉事件全發(fā)生猛的次喪序。7.跨層菊設計餐：※通過匠層與述層之路間交籮流信違息實悠現網俯絡的船全局她性能寄最優(yōu)債（分祥層結守構設泉計一課般只號能獲拳取局碑部最揉優(yōu)性傷能）鈴。254.關鍵糧技術8.網絡膜安全扣：※物理夕層：遇采用需高效簽的加坦密算塌法和傾擴頻蔽通信樸減少兵電磁發(fā)干燒姨；數據恰鏈路記層與絹網絡符層：黎采用庭安全路協(xié)議膝；應用厲層：她采用錘密鑰遙管理版和安偷全組聰播。9.嵌入些式操呢作系像統(tǒng)：※并發(fā)谷性密毒集：翻可能臂存在票多個舌需要碰同時促執(zhí)行癢的邏櫻輯控熱制，喬這需機要操這作系座統(tǒng)能反有效坊地滿把足這券種發(fā)役生頻辮繁、叫并發(fā)伸程度北高、意執(zhí)行衣過程來比較雞短的氧邏輯陷控制桿流程雹；節(jié)點結模塊巴化程伐度高活，要莫求操購作系酬統(tǒng)能擦讓應區(qū)用程嚴序方昏便地桂對硬掏件進賠行控奴制，反保證元在不章影響薦整體帽開銷市的前舞提下拳，應賽用程牲序中踏的各與個部爆分能莊比較死方便暢地進客行重堤新組滴合。10玩.應用另層技佳術：※確保恩各種嬸傳感憤器網絹絡應強用系范統(tǒng)的察開發(fā)歉和多顧任務包之間摟的協(xié)車調，輛為應每用系喇統(tǒng)的圓開發(fā)鋪提供鬼有效剃的軟給件開駁發(fā)環(huán)孤境和艦軟件墊工具趁。265.現狀神挑戰(zhàn)影響騙力☆美桃國商單業(yè)周脖刊和MI糕T技術做評論悲在預槐測未世來技質術發(fā)盛展報昆告中拖將無玻線傳屈感器貫網絡忍列為21世紀董最有月影響牲的21項技州術和騎改變透世界飄的10大技鞏術之仙一?！睢渡虡I(yè)飽周刊》預測報的未輝來4大新蛙技術撥中，替無線蟲傳感看器網圾絡列解入其與中?！蠲莱瑖摹都夹g缺評論》將無平線傳勸感器蝕網絡寬列為腿未來開十大擔新興斯技術翻之首狗。275.現狀孝挑戰(zhàn)285.現狀告挑戰(zhàn)295.現狀談挑戰(zhàn)學術狡和科瀉技界在美稼國自匯然科謎學基戚金委恢（NS專F）推睬動下母，很賢多高隨校開忌展研零究英國也、意廈大利織、日禍本等胸國的剃大學謝和研擁究機忌構學術現科技沸界的固研究策集中某在網泥絡技梅術、搬通信其協(xié)議磁、感土知數劇據查臥詢處催理技薯術和撤應用可試驗旬等方心面305.現狀赴挑戰(zhàn)315.現狀己挑戰(zhàn)軍事斧領域美國典陸軍友的研鑰究計初劃“靈校巧傳旁感器長網絡侮通信悠”類（20股01－20盾05，通弱用通搬信基疼礎設盾施）“無況人值毯守地衰面?zhèn)髑哺衅魑魅骸备郏o支持終陸軍褲更廣且闊視釀野）“戰(zhàn)中場環(huán)婆境偵減察與獻監(jiān)視腎系統(tǒng)顏”冠（偵穿察和專情報借）美國挖海軍脖的研當究計蟲劃“傳霧感器葬網絡章系統(tǒng)稠”（亡戰(zhàn)術藝和戰(zhàn)貨略級柿的傳趕感器和信息雜管理剛）“網名狀傳鋪感器飄系統(tǒng)CE核C（Co恢op館er折at掩iv洗e腫en谷ga本ge骨me悉nt純c冊ap雹ab判il親it圍y)(裝載李在艦爐艇和購戰(zhàn)斗備機群幻玉上，心進行澇高精蒜度偵水察）美國董國防習部Sm彼ar王t清Se曉ns慮or記W脂eb，5個尖污端研鄉(xiāng)豐究領減域之論一（以We池b為中界心的窩傳感午器信昏息分貝發(fā)和加融合封網絡褲）美國Sa鄰nd飽ia國家稈實驗掃室和雁能源毒部（發(fā)勁現對扎地鐵都、車孔站的快生化啊武器趣襲擊棉）325.現狀疫挑戰(zhàn)335.現狀理挑戰(zhàn)傳感盞器網停絡具眉有可猜快速腿部署蘭、可姿自組原織、甜隱蔽禿性強興和高和容錯肥性的購特點滋，因榆此非歇常適原合軍彎事上妨的應聰用。舊通過帥飛機右或炮輝彈直運接將扣傳感傷器節(jié)案點散蛋播到婚敵方吊陣地尼內部婚，或毛者在附公共傘隔離那帶部治署傳厚感網菠絡，改就能藍隱蔽芬而且香近距蛋離的返準確邁收集睡戰(zhàn)場膏信息想。例:傳感品器網雖絡已葡經成睡為美丈軍事C4爺IS撐RT(C罵om住ma名nd褲,周Co朽nt馬ro伐l,止C皆om豆mu彈ni嘴ca鋪ti赴on接,墨C娛om揪pu釣ti春ng糞,揚In距te頃ll筍ig擦en該ce證,很Su山rv走ei甘ll牽an白ce子a半nd豎T豬ar虧ge亭ti因ng死)系統(tǒng)座必不顛可少踏的一勤部分蔑。345.現狀祝挑戰(zhàn)民用候領域美國徒交通感部國家顏智能純交通但系統(tǒng)松項目撫規(guī)劃伸，19桑95開始漸，20薄25投入悉使用昏（用俱傳感餃器網痛絡進愁行地婚面交訓通管釀理）In拔te融l公司基于賽微型這傳感段器網狂絡的撥新型覽計算肝發(fā)展盲項目覆，20藝02發(fā)布開發(fā)揭超微個型傳施感器MO機TE（塵渴粒）Sm爆ar叮t貸du侵st淺(智能催灰塵己）355.現狀諸挑戰(zhàn)環(huán)境俯觀測讓和預政報系總統(tǒng)可以近用于凡檢視削農作統(tǒng)物灌蘇溉情渣況、遙土壤腦空氣扔情擾況、藍牲畜玻和家恢禽的茶環(huán)境威狀況堤和大傘面積拼的地怨表監(jiān)君測、夫氣象部和地灑理研斧究、問洪水惡監(jiān)測歡等。例：AL雹ER戀T系統(tǒng)肝中就壯有用羊于監(jiān)同測降溝雨量膛、河偵水水員位和納土壤京水分爛，并鐵依此鎮(zhèn)預測轉爆發(fā)診山洪微的可獸能性唐。365.現狀助挑戰(zhàn)醫(yī)療蘿護理用于票人體視的各鉗種生諸理數趣據，躬跟蹤嫂和監(jiān)搜控醫(yī)直院內役醫(yī)生避和患駛者的半行動咐，醫(yī)芝院的弦藥物杠管理持等。例：銳一個那可以祖成像淚的特壓殊發(fā)黨送器幅芯片垂與精麻巧設究計的既超低銅功率快無線烈技術部結合扎，就惑可以形實現悶可用攤于一豆個胃掉腸道攀診斷帥的微能型吞刻服攝統(tǒng)像膠恒囊。拐患者言吞下祝維C片大搜小的曾成像我膠囊攝后，調膠囊亦經過奮食道漆、胃案和小拜腸時辛就可耗將圖惜象廣查播出御來。披膠囊成由一列個攝碧象機核、LE哪D、電射池、念特制麥芯節(jié)片和衫天線暮組成瘡。375.現狀員挑戰(zhàn)385.現狀身挑戰(zhàn)智能杠家居家電槳和家愈具中林嵌入鋼傳感比器節(jié)知點，品通過對無線筑網絡盤與In米te綢rn堪et連在決一起鈴。