無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用第1章課件

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用課程內(nèi)容第1章無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述第2章無線個域網(wǎng)與IEEE802.15.4協(xié)議簇第3章無線傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)第4章ZigBee技術(shù)第5章6LoWPAN技術(shù)第6章WIA-PA技術(shù)第7章無線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合應(yīng)用第1章無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述主要內(nèi)容WSN的發(fā)展WSN的定義WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN的應(yīng)用前景WSN的研究現(xiàn)狀WSN的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1.1WSN的發(fā)展

國外WSN發(fā)展歷程WSN的研究起源于20世紀(jì)70年代，最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。1980年，美國國防部高級研究規(guī)劃局的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)項目開啟了現(xiàn)代傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的先河。20世紀(jì)90年代開始，WSN受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注和深入研究。21世紀(jì)后，隨著無線通信技術(shù)、微芯片制造等技術(shù)的進(jìn)步，WSN的研究在多種應(yīng)用方面取得了巨大進(jìn)展，進(jìn)入民用和商用領(lǐng)域。各種技術(shù)評論雜志一致看好WSN蘊(yùn)藏的巨大應(yīng)用潛力和商業(yè)價值。1.1WSN的發(fā)展國內(nèi)WSN的發(fā)展我國與發(fā)達(dá)國家?guī)缀跬絾?，它已?jīng)成為我國信息領(lǐng)域位居世界前列的少數(shù)方向之一。2012年7月發(fā)布了《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》2015年，李克強(qiáng)總理在政府工作報告中提出制定“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃。我國及時地將傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)列為國家重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。1.2WSN的定義傳感器網(wǎng)絡(luò)與WSN傳感器網(wǎng)絡(luò)自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來已經(jīng)發(fā)展到第四代，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器技術(shù)向微型化、無線化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向迅速發(fā)展。WSN由各種具有感知、無線通信與計算功能的智能微型傳感器節(jié)點構(gòu)成，通過無線通信方式智能組網(wǎng)，形成一個自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。1.2WSN的定義目前WSN沒有統(tǒng)一的定義，比較具有代表性的定義如下：李曉維《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》孫利民《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)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網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。維基百科1.2WSN的定義

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下主要特點：以數(shù)據(jù)為中心資源受限可快速部署動態(tài)性與維護(hù)多跳路由應(yīng)用相關(guān)性每一種傳感器網(wǎng)絡(luò)具有幾個或全部特征1.2WSN的定義WSN與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的比較目前無線網(wǎng)絡(luò)可分為三類：WSN、Adhoc網(wǎng)絡(luò)和無線寬帶網(wǎng)絡(luò)。AdHoc網(wǎng)絡(luò)是一種無中心自組織的多跳無線網(wǎng)絡(luò)，它不以任何已有的固定設(shè)施為基礎(chǔ)而能隨時隨地組建臨時性網(wǎng)絡(luò)。它是一種由移動節(jié)點組成的臨時、多跳、對等的自治系統(tǒng)，可以認(rèn)為WSN是Adhoc網(wǎng)絡(luò)的一種典型應(yīng)用。無線寬帶網(wǎng)絡(luò)包括GSM,CDMA、3G,Beyond3G、4G,WLAN(WiFi)和WMAN(WiMax)等分別從傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)和計算網(wǎng)絡(luò)衍生發(fā)展出來的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。1.2WSN的定義WSN與Adhoc網(wǎng)絡(luò)——相同點基本不需要人工干預(yù)，大部分工作是以自組織的方式完成的。追求低功耗的自組織網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，而非單純地提高網(wǎng)絡(luò)帶寬是WSN和Adhoc研究的共同點。

WSN與Adhoc網(wǎng)絡(luò)——不同點節(jié)點數(shù)量網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫ㄐ艡C(jī)制資源受限性；WSN不必?fù)碛腥蚪y(tǒng)一標(biāo)識符；WSN以數(shù)據(jù)為中心。1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN基本結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點（sensornode）、匯聚/網(wǎng)關(guān)節(jié)點（sinknode）和管理節(jié)點，如圖所示。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點任意散落在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)。節(jié)點以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過多個連接或中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到匯聚節(jié)點。1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)

傳感節(jié)點、路由節(jié)點和傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)構(gòu)成的感知層存在多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如星型、樹型、網(wǎng)狀拓?fù)涞?，如圖中(a)、(b)、(c)。也可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小定義層次性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖中(d)所示的分層結(jié)構(gòu)。1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN節(jié)點基本結(jié)構(gòu)它一般由如圖所示的傳感器模塊（傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器）、處理器模塊（微處理器、存儲器）、無線通信模塊（無線收發(fā)器）和能量供應(yīng)模塊（電池）等組成。1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN參考體系架構(gòu)根據(jù)ISO/IECJTC1WG7制定的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ISO/IEC29182系列標(biāo)準(zhǔn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的參考體系架構(gòu)：感知層感知層不僅要完成數(shù)據(jù)采集、處理和匯聚等功能，同時完成傳感節(jié)點、路由節(jié)點和傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的通信和控制管理功能。網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層完成感知數(shù)據(jù)到應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的傳輸，不需要對感知數(shù)據(jù)處理。應(yīng)用層應(yīng)用層的功能是利用感知數(shù)據(jù)為用戶提供服務(wù)。1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)1.4WSN的應(yīng)用前景軍事監(jiān)測中的WSN：VigilNet

VigilNet是由美國弗吉尼亞大學(xué)研制的用于軍事監(jiān)測的無線傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)由XSM，Mica2和Mica2Dot節(jié)點構(gòu)成，其規(guī)模最大達(dá)200個節(jié)點；節(jié)點通過電池供電，鋪設(shè)在道路旁邊，用于檢測與收集移動目標(biāo)的情況。1.4WSN的應(yīng)用前景

智能樓宇中的WSN：LoCal

由美國加州大學(xué)伯克利分校大學(xué)發(fā)起的LoCal項目通過在智能樓宇中部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來解決這些問題，可實時追蹤單個電器的用電量。1.4WSN的應(yīng)用前景

醫(yī)療監(jiān)控中的WSN：Mercury

WSN的另一個重要應(yīng)用是醫(yī)療監(jiān)控，哈佛大學(xué)研究組改進(jìn)了傳統(tǒng)傳感器，使得其外形更小，適合穿戴在身上。1.4WSN的應(yīng)用前景

工業(yè)現(xiàn)場的WSN：重郵工業(yè)無線項目1.4WSN的應(yīng)用前景

智能電網(wǎng)中的WSN1.5WSN的研究現(xiàn)狀WSN的基礎(chǔ)研究

探索無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在的基本規(guī)律，面向無線傳感網(wǎng)絡(luò)，以能量、通信、時間和空間復(fù)雜性最小化為目標(biāo)，創(chuàng)建一套新型的理論、方法和技術(shù)體系。1.5WSN的研究現(xiàn)狀

WSN的應(yīng)用研究主要存在著以下需要突破的制約因素：成本能耗微型化定位性能移動性硬件安全1.5WSN的研究現(xiàn)狀

WSN研究的熱點問題通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)管理（能量、安全）應(yīng)用層支撐技術(shù)（時間同步、定位技術(shù)）硬件資源（微型化、低成本、新型電源）1.6WSN的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)目前有很多標(biāo)準(zhǔn)化組織均開展了與傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，包括ISO/IECJTC1SGSN、ITU-T、IETF、IEEE802.15、ZigBee聯(lián)盟、IEEE1451和ISA100等。為了協(xié)調(diào)傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化工作，ISO/IEC在JTC1下成立了傳感器網(wǎng)絡(luò)工作組WG7，致力于解決傳