第4章-無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)：物聯(lián)網(wǎng)的末梢神經(jīng)

吳功宜編著1智慧的物聯(lián)網(wǎng)

—感知中國(guó)與世界的技術(shù)第4章

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)：物聯(lián)網(wǎng)的末梢神經(jīng)2本章的中心思想：

也許無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)于我們大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，還是很陌生，其實(shí)她已經(jīng)是二十多歲的“青年人”，只是一開始她就在軍事與特種領(lǐng)域“服役”。但是現(xiàn)在她已經(jīng)“轉(zhuǎn)業(yè)”到地方，成為我們感知物理世界的網(wǎng)絡(luò)—物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢。3本章主要內(nèi)容無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基本概念無(wú)線局域網(wǎng)與IEEE802.11協(xié)議無(wú)線城域網(wǎng)與IEEE802.16協(xié)議藍(lán)牙、ZigBee與802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域與關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域與關(guān)鍵技術(shù)的研究無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域與關(guān)鍵技術(shù)的研究44.1無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基本概念4.1.1無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分類5基于基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)IEEE802.11無(wú)線局域網(wǎng)WLANIEEE802.16無(wú)線城域網(wǎng)WMAN無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)無(wú)線自組網(wǎng)Adhoc無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)WMN是無(wú)線自組網(wǎng)在接入領(lǐng)域的一種應(yīng)用64.1.2無(wú)線分組網(wǎng)與無(wú)線自組網(wǎng)1972年：?jiǎn)?dòng)無(wú)線分組網(wǎng)PRNET的研究項(xiàng)目。無(wú)線分組網(wǎng)的研究成果為無(wú)線自組網(wǎng)Adhoc的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。IEEE將無(wú)線自組網(wǎng)Adhoc定義為一種特殊的自組織、對(duì)等、多跳、無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，稱為移動(dòng)無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)MANET。74.1.3無(wú)線自組網(wǎng)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起步于20世紀(jì)90年代末期。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究涉及傳感器、微電子芯片制造、無(wú)線傳輸、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)安全與軟件等技術(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用于對(duì)敵方兵力和裝備的監(jiān)控，戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，以及目標(biāo)的定位、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估與對(duì)核攻擊和生物化學(xué)攻擊的監(jiān)測(cè)和搜索。84.1.4無(wú)線自組網(wǎng)與無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)將無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)作為無(wú)線局域網(wǎng)與無(wú)線城域網(wǎng)等無(wú)線接入技術(shù)的一種補(bǔ)充，將它應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線接入網(wǎng)中，是一個(gè)很有發(fā)展前途的課題。在這樣的背景下，出現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)的研究。9無(wú)線自組網(wǎng)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的關(guān)系104.2無(wú)線局域網(wǎng)與IEEE802.11協(xié)議作為傳統(tǒng)局域網(wǎng)的擴(kuò)充特殊無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)典型的無(wú)線局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)114.3無(wú)線城域網(wǎng)與IEEE802.16協(xié)議4.3.1寬帶無(wú)線接入的基本概念802.16寬帶城域網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖124.3.2IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)體系按802.16標(biāo)準(zhǔn)建立的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋一個(gè)城市的部分區(qū)域，同時(shí)由于建筑物位置是固定的，它需要在每個(gè)建筑物上建立基站，基站之間采用全雙工、寬帶通信方式工作。致力于IEEE802.11的標(biāo)準(zhǔn)WLAN推廣應(yīng)用的是Wi-Fi聯(lián)盟，IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的論壇組織是WiMAX。134.4藍(lán)牙、無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)與ZigBee4.4.1藍(lán)牙技術(shù)與協(xié)議1994年，Ericsson公司對(duì)于在無(wú)電纜的情況下，將移動(dòng)電話和其他設(shè)備，如PDA連接起來(lái)產(chǎn)生濃厚的興趣。Ericsson公司與IBM、Intel、Nokia和Toshiba等4家公司發(fā)起，開發(fā)一個(gè)用于將計(jì)算機(jī)與通信設(shè)備、附加部件和外部設(shè)備，通過(guò)短距離的、低功耗的、低成本的無(wú)線信道連接的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)項(xiàng)目被命名為藍(lán)牙（Bluetooth）。14藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)：通信頻率選用國(guó)際開放的頻段；通信距離小于10米；芯片體積小，功耗小。藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用可以用于移動(dòng)電話、耳機(jī)、鼠標(biāo)、遙控開關(guān)等各種家用電器上；支持點(diǎn)-點(diǎn)與點(diǎn)-多點(diǎn)的無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)。154.4.2無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)與協(xié)議隨著手機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)和移動(dòng)辦公設(shè)備的廣泛應(yīng)用，人身附近幾米范圍內(nèi)的個(gè)人操作空間設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的需求導(dǎo)致個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)PAN與無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)WPAN的出現(xiàn)。IEEE802.15工作組致力于低速無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)LR-WPAN的協(xié)議與應(yīng)用問(wèn)題。2003年，IEEE批準(zhǔn)低速無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)LR-WPAN標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE802.15.4。它為近距離范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速互連提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。164.4.3ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)ZigBee是一種面向自動(dòng)控制的低速、低功耗、低價(jià)格的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee適應(yīng)于數(shù)據(jù)采集與控制的點(diǎn)多、數(shù)據(jù)傳輸量不大、覆蓋面廣、造價(jià)低的應(yīng)用領(lǐng)域，在家庭網(wǎng)絡(luò)、安全監(jiān)控、醫(yī)療保健、工業(yè)控制、無(wú)線定位等方面展現(xiàn)重要的應(yīng)用前景。174.5無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域與關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展4.5.1無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)的主要特點(diǎn)自組織與獨(dú)立組網(wǎng)無(wú)中心多跳路由動(dòng)態(tài)拓?fù)錈o(wú)線傳輸?shù)木窒夼c結(jié)點(diǎn)能量的限制性網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的限制184.5.2無(wú)線自組網(wǎng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域軍事領(lǐng)域民用領(lǐng)域辦公環(huán)境的應(yīng)用救災(zāi)與惡劣環(huán)境中的應(yīng)用特殊環(huán)境的應(yīng)用個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用194.5.3無(wú)線自組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)研究的主要內(nèi)容204.6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域與關(guān)鍵技術(shù)的研究4.6.1

傳感器與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的背景傳感器的基本概念傳感器（sensor）的定義是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成的一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，也可以說(shuō)是人類五官的延長(zhǎng)。21根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類。傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、文物保護(hù)等領(lǐng)域。從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目都離不開各種各樣的傳感器。22微電子機(jī)械系統(tǒng)與新型傳感器微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科，它以微電子及機(jī)械加工技術(shù)為依托，研究涉及微電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、力學(xué)、自動(dòng)控制科學(xué)、材料科學(xué)等多學(xué)科。應(yīng)用微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成功地研制出很多的納米級(jí)電子元器件和新型的傳感器，如壓力傳感器、加速度傳感器、紅外傳感器、氣體傳感器、流量傳感器、離子傳感器、輻射傳感器、化學(xué)傳感器、諧振傳感器等。23生物傳感器技術(shù)的研究與發(fā)展生物傳感器是一類特殊的化學(xué)傳感器。生物傳感器具有高選擇性、高靈敏度、高穩(wěn)定性、低成本，能夠在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行在線、快速、連續(xù)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)。24微電子、無(wú)線通信、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)低功耗、多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信等多種功能。微型傳感器的外形25無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究與發(fā)展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的、廉價(jià)的微型傳感器結(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的、自組織的無(wú)線自組網(wǎng)系統(tǒng)，其目的是將網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的信息發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式。人們可以通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)直接感知客觀世界，擴(kuò)展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認(rèn)識(shí)世界的能力。264.6.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小與它的應(yīng)用目的相關(guān)，結(jié)點(diǎn)數(shù)量最多可能達(dá)到成千上萬(wàn)甚至更多。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模表現(xiàn)在結(jié)點(diǎn)的數(shù)量與分布的地理范圍等兩個(gè)方面。27自組織網(wǎng)絡(luò)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，傳感器結(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定。傳感器結(jié)點(diǎn)必須具有自組織能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過(guò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種典型的無(wú)線自組網(wǎng)。28作為下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)之一的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（亦稱無(wú)線MESH網(wǎng)）正得到越來(lái)越多的關(guān)注。與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)必須首先訪問(wèn)接入點(diǎn)(AP)才能進(jìn)行無(wú)線連接不同，在多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以和802.11WLAN、802.16WMAN以及3G等各種無(wú)線接入技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)家庭、社區(qū)、企業(yè)及城域網(wǎng)絡(luò)等的多層次、多范圍的無(wú)線應(yīng)用。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化傳感器結(jié)點(diǎn)最主要的限制是結(jié)點(diǎn)攜帶的電源能量有限。傳感器結(jié)點(diǎn)作為一種微型嵌入式系統(tǒng)，要完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸與控制等多項(xiàng)任務(wù)。在使用過(guò)程中，部分結(jié)點(diǎn)能量耗盡或環(huán)境因素會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須具有適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，具有?dòng)態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)能力。304.6.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景在軍事應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)中的應(yīng)用在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護(hù)理中的應(yīng)用在信息家電設(shè)備中的應(yīng)用在建筑物狀態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用在空間探索中的應(yīng)用在特殊環(huán)境中的應(yīng)用314.6.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)