無線傳感器網(wǎng)絡課件

9.4無線傳感器網(wǎng)絡9.4無線傳感器網(wǎng)絡

理解無線傳感器網(wǎng)絡相關概念、協(xié)議與算法了解無線傳感器網(wǎng)絡的各種應用學習無線傳感器網(wǎng)絡設計與實現(xiàn)中的一些關鍵技術了解無線傳感器網(wǎng)絡領域最新的研究進展教學目標

理解無線傳感器網(wǎng)絡相關概念、協(xié)議與算法教學目標(1)智能無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，于海斌，曾鵬，科學出版社(2)無線傳感器網(wǎng)絡，孫利民，李建中，陳渝，朱紅松，清華大學出版社(3)無線傳感器網(wǎng)絡，王營冠，王智，電子工業(yè)出版社(4)WirelessSensorNetworks:ASystemsPerspective,NirupamaBulusu,SanjayJha,ArtechHouse,Hardcover,PublishedJuly2005,ISBN1580538673推薦書目(1)智能無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，于海斌，曾鵬，科學出版社推薦書無線傳感器網(wǎng)絡一什么是無線傳感器網(wǎng)絡二傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展歷史三傳感器網(wǎng)絡的應用情況四傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術無線傳感器網(wǎng)絡一什么是無線傳感器網(wǎng)絡二傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展歷史三911歷史事件尋找拉登藏身之處應用需求引發(fā)研究熱潮911歷史事件尋找拉登藏身之處應用需求引發(fā)研究熱潮一、什么是無線傳感器網(wǎng)絡一、什么是無線傳感器網(wǎng)絡為何需要無線？2001年全球工業(yè)用傳感器的市場份額是110億美元，而安裝和使用成本（主要是布線成本）超過1000億美元為何需要無線？2001年全球工業(yè)用傳感器的市場份額是110億無線傳感器網(wǎng)絡的優(yōu)勢降低投資成本（最高降低90％）；降低使用成本；靈活，易于改造；覆蓋有線不可達的區(qū)域。無線傳感器網(wǎng)絡的優(yōu)勢降低投資成本（最高降低90％）；8無線網(wǎng)絡有基礎設施網(wǎng)無基礎設施網(wǎng)移動Adhoc網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡無線網(wǎng)絡有基礎設施網(wǎng)無基礎設施網(wǎng)移動Adhoc網(wǎng)絡無

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)絡覆蓋地域內感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。“無線傳感器網(wǎng)絡”術語的標準定義無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)是大量的靜止或移動的傳感器以自組傳感器技術計算機技術通信技術感官大腦神經(jīng)現(xiàn)代信息技術信息系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡傳感器技術計算機技術通信技術感官大腦神經(jīng)現(xiàn)代信息無線傳感器網(wǎng)絡課件物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層傳輸層應用層能量分配移動管理應用優(yōu)化網(wǎng)絡通信協(xié)議物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層傳輸層應用傳感器節(jié)點實物示例傳感器節(jié)點實物示例傳感器網(wǎng)絡的常用邏輯結構圖傳感器1傳感器2傳感器N無線鏈路無線接口模塊…監(jiān)控主機傳感器網(wǎng)絡的常用邏輯結構圖傳感器1傳感器2傳感器N無線鏈路無無線傳感器網(wǎng)絡的特點1.無中心和自組織性2.動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲3.受限的無線傳輸帶寬4.移動終端的能力有限5.多跳路由6.安全性較差7.網(wǎng)絡的可擴展性不強8.節(jié)點硬件資源有限9.節(jié)點數(shù)量眾多，分布密集無線傳感器網(wǎng)絡的特點與現(xiàn)有網(wǎng)絡的區(qū)別

與其他網(wǎng)絡如移動通信網(wǎng)、Adhoc網(wǎng)絡、因特網(wǎng)等相比有著如下區(qū)別：無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)目更為巨大，密度更高，且節(jié)點不一定具有全球唯一的地址標識；無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點一般不進行快速移動，但節(jié)點可能會隨時加入或離開，因而網(wǎng)絡的拓撲變化很快；高度自適應的自治能力。由于應用的特殊性（節(jié)點能量較低或節(jié)點的移動、增加、消亡），WSN必須是能夠自我配置的，需要很強的自適應能力和健壯性。無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的電池能量、計算能力和存儲能力相當有限。與現(xiàn)有網(wǎng)絡的區(qū)別二、傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展歷史二、傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展歷史第一階段最早可以追溯二十世紀70年代越戰(zhàn)時期使用的傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。胡志明小道胡志明小道第一階段最早可以追溯二十世紀70年代越戰(zhàn)時期使用的傳統(tǒng)的傳感熱帶樹熱帶樹轟炸機熱帶樹熱帶樹轟炸機傳感器僅產(chǎn)生探測數(shù)據(jù)流傳感器無計算能力

傳感器之間不能相互通信SensorsObject信號分析傳統(tǒng)感知方法的特征有線/無線連接傳感器僅產(chǎn)生探測數(shù)據(jù)流SensorsObject信號分析傳統(tǒng)第二階段感知能力＋計算能力＋通信能力1999年商業(yè)周刊將傳感器網(wǎng)絡列為二十一世紀最具影響的21項技術之一。二十世紀80年代至90年代之間第二階段感知能力＋計算能力＋通信能力1999年商業(yè)周刊將傳第三階段

21世紀開始至今2001911事件2002橡樹嶺實驗室提出“網(wǎng)絡就是傳感器”。20032006美國《技術評論》雜志評出深遠影響人類未來生活的十大新興技術，傳感器網(wǎng)絡列為第一。我國發(fā)布《國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要》。第三階段21世紀開始至今2001911事件2002橡樹嶺實計算設備的演化歷史計算設備的演化歷史三、傳感器網(wǎng)絡的應用情況三、傳感器網(wǎng)絡的應用情況（一）民事應用（一）民事應用大鴨島海燕監(jiān)測無人干擾監(jiān)測鳥巢海燕大鴨島大鴨島海燕監(jiān)測無人干擾監(jiān)測鳥巢海燕大鴨島橋梁監(jiān)測健康監(jiān)測海洋監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測橋梁監(jiān)測健康監(jiān)測海洋監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測電力高壓線高爾夫球場葡萄園道路交通電力高壓線高爾夫球場葡萄園道路交智能停車場物流系統(tǒng)列車鐵軌高速公路系統(tǒng)智能停車場物流系統(tǒng)列車鐵軌高速公路系統(tǒng)韓國濟州島智能漁場北京大興區(qū)菊花基地克爾斯博公司韓國濟州島智能漁場北京大興區(qū)菊花基地克爾斯博公司浙江溫州的奶牛牧場沈陽玫瑰園浙江溫州的奶牛牧場沈陽玫瑰園智能交通智能交通智能停車場智能停車場智能圍界智能圍界討論

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？討論請大家思考和組織課堂討論：二零零八年五月十二日汶川地區(qū)發(fā)生強烈地震二零零八年五月十二日汶川地區(qū)發(fā)生強烈地震WSN應用－監(jiān)測火山

ActivevolcanoincentralEcuador–5018m唐古拉瓦火山（VolcánTungurahua）在1999年進行了一次猛烈爆發(fā)WSN應用－監(jiān)測火山ActivevolcanoinceWSN應用－監(jiān)測火山InfrasonicMicrophoneWSN應用－監(jiān)測火山ExampleoferuptiondataWSN應用－監(jiān)測火山WSN應用－監(jiān)測火山（二）軍事應用（二）軍事應用聯(lián)合國維和部隊伊拉克微型感應傳感器網(wǎng)絡核武器和生化武器聯(lián)合國維和部隊伊拉克微型感應傳感器網(wǎng)絡核武器和生化武器美軍未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)的戰(zhàn)場警戒示意圖傳感器節(jié)點通行車輛美軍未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)的戰(zhàn)場警戒示意圖傳感器節(jié)點通行車輛槍聲定位反恐系統(tǒng)槍聲定位反恐系統(tǒng)

美軍“沙地直線”項目無線鏈路目標探測、分類和跟蹤傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點美軍“沙地直線”項目無線鏈路目標探測、分類和跟蹤傳感器節(jié)點傳密封形封裝罩節(jié)點封裝示例（一）特點：表面光滑可以滾動自動調整姿態(tài)位置萬向節(jié)固定架設計密封形封裝罩節(jié)點封裝示例（一）特點：節(jié)點封裝示例（二）錐形罩特點：底基重量大自正位“懸垂鐘擺”式電路板飛機拋撒節(jié)點封裝示例（二）錐形罩特點：“狼群”地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡美軍共計完成23項傳感器網(wǎng)絡項目“狼群”地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡美軍共計完成23項傳感器網(wǎng)絡項目智能塵埃SmartDust?光信號傳輸

?很微小，微米級的包含傳感和通信的平臺

?具有計算能力，雙向無線通信能力，自帶電源

?成本比較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)和部署

?有特定的用途與功能：空間探測遠距離交通流量探測建筑物情況監(jiān)控戰(zhàn)場，自然資源監(jiān)視智能塵埃SmartDust智能塵埃SmartDust智能塵埃SmartDustMote?無線電波傳輸?元件齊全，選擇性高?功能較完善Mote

Mote

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四、傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術四、傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術通信能力有限節(jié)點通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米關鍵之一如何在有限的通信能力條件下,完成探測數(shù)據(jù)的傳輸？無線通信技術是第一項關鍵技術！通信能力有限關鍵之一電源能量有限通常電池供電，工作環(huán)境惡劣，一次部署終生使用，更換電池困難關鍵之二如何節(jié)省電源、最大化網(wǎng)絡的使用壽命？低功耗設計問題是第二項關鍵技術！電源能量有限關鍵之二計算能力有限節(jié)點體積小，處理器和存儲器性能有限，不允許進行復雜算法的運算關鍵之三嵌入式操作系統(tǒng)設計是第三項關鍵技術！計算能力有限關鍵之三自組織的動態(tài)網(wǎng)絡傳感器網(wǎng)絡沒有基站節(jié)點失效、新節(jié)點加入，導致網(wǎng)絡拓撲結構的動態(tài)性，需要自動愈合關鍵之四多跳自組織的網(wǎng)絡路由是第四項關鍵技術！自組織的動態(tài)網(wǎng)絡關鍵之四