《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用》課件-5. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用5.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述知識目標(biāo)掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、特征及其與Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別。能力目標(biāo)具備無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)分析能力。思政目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生具備自主學(xué)習(xí)、多元化學(xué)習(xí)的職業(yè)化學(xué)習(xí)素養(yǎng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用02無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義03傳感器網(wǎng)絡(luò)的常用邏輯結(jié)構(gòu)04WSN與Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的比較01無線網(wǎng)絡(luò)分類物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用目錄Part01無線網(wǎng)絡(luò)分類物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于一種無線網(wǎng)絡(luò)，所謂無線網(wǎng)絡(luò)就是利用無線電波作為信息傳輸媒介，完成網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)設(shè)備間的信息交互。需要固定基站如：手機(jī)、WLAN有基礎(chǔ)設(shè)施分布式節(jié)點(diǎn)無固定基站移動Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如：美軍101空降師裝備的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備無基礎(chǔ)設(shè)施Part02無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種集成了傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)、無線通信技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。通過節(jié)點(diǎn)間協(xié)作的感知、采集和處理，并將處理后的信息傳送到感興趣的網(wǎng)絡(luò)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(shí)物理世界的連接橋梁，將信息世界與物理世界融為一體。是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)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)域內(nèi)被監(jiān)測對象的信息，并發(fā)送給觀察者。在這個定義中，傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸三種功能。而這正是對應(yīng)著現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)技術(shù)，即傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，他們分別構(gòu)成了信息系統(tǒng)的感官、大腦和神經(jīng)三個部分，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正是這三種技術(shù)的結(jié)合，可以構(gòu)成一個獨(dú)立的現(xiàn)代信息系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork,WSN）傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)間距離很短，一般采用多跳的無線通信方式進(jìn)行通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在獨(dú)立環(huán)境下運(yùn)行，也可以通過網(wǎng)關(guān)連接到主干網(wǎng)絡(luò)，通過自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)，以多跳中繼方式將所感知的信息傳送到用戶終端。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具備三個要素：無線傳感器具有感知功能，有路由選擇功能用于檢測周圍時(shí)間或環(huán)境參數(shù)感知對象需要被感知的任何事物或環(huán)境參數(shù)觀察者即用戶Part03傳感器網(wǎng)絡(luò)的常用邏輯結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)通過無線電路和無線接口模塊，向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的邏輯功能。無線接入模塊傳感器1傳感器2傳感器n監(jiān)控主機(jī)……無線鏈路物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用傳感器節(jié)點(diǎn)的處理器模塊完成計(jì)算與控制功能。射頻模塊完成無線通信傳輸功能傳感器探測模塊完成數(shù)據(jù)采集功能，通常由電池供電，封裝成完整的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。各種類型的低功耗網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)可以構(gòu)成新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或混合型的ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有的路由節(jié)點(diǎn)還可以采用電源供電方式。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)只需要有處理器模塊和射頻模塊，通過無線方式接收探測終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，再傳輸給有線網(wǎng)絡(luò)的PC或服務(wù)器。如果通信環(huán)境發(fā)生變化，導(dǎo)致兩個節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，先前借助他們傳輸數(shù)據(jù)的其他節(jié)點(diǎn)，則自動重新選擇路由保證在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自動愈合。Part04WSN與Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的比較物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用節(jié)點(diǎn)數(shù)量更為龐大多數(shù)節(jié)點(diǎn)為靜止能量有限拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被動變化WSN幾十至上百個節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)全移動能量可連續(xù)提供拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主動變化Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特征：無線傳感網(wǎng)包括了大面積的空間分布能源受限制網(wǎng)絡(luò)自動配置，自動識別節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的自動管理和高度協(xié)作課堂小結(jié)傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三要素。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支，具有包括大面的空間分布、能源受限制、網(wǎng)絡(luò)自配置、自管理和高度協(xié)作等特點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是是大量靜止的或移動的傳感器，以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作的感知，采集，處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報(bào)給用戶。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用5.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)知識目標(biāo)掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。能力目標(biāo)具備分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)限制條件的原因及提出解決問題的能力。思政目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生初步具備研究文獻(xiàn)來分析和描述實(shí)際系統(tǒng)工程問題的素養(yǎng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用02無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)03無線傳感器節(jié)點(diǎn)的限制條件01無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用目錄Part01無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用WSN通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)（SensorNode）、匯聚節(jié)點(diǎn)（SinkNode）和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐條進(jìn)行傳輸。在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對傳感網(wǎng)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強(qiáng)。管理節(jié)點(diǎn)一般為普通的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，充當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的角色。傳感器節(jié)點(diǎn)功能：采集、處理、控制和通信，兼顧節(jié)點(diǎn)和路由器特點(diǎn)：資源受限（存儲、計(jì)算、通信、能量）Sink節(jié)點(diǎn)功能：鏈接傳感器網(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)量少等Part02無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊4個部分組成。負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量Part03無線傳感器節(jié)點(diǎn)的限制條件物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用傳感器節(jié)點(diǎn)通過協(xié)議自組織成一個分布式網(wǎng)絡(luò)，將采集來的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化后經(jīng)無線電波傳輸給信息處理中心。傳感器節(jié)點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)也存在一些限制和約束。因此傳感器節(jié)點(diǎn)通過各種方式大量部署在被感知對象內(nèi)部或者附近。傳感器節(jié)點(diǎn)的限制有：電源能量有限、通信能力有限、計(jì)算和存儲能力有限。（1）電源能量有限當(dāng)前工業(yè)水平限制，決定用太陽能電池、微光電池、生物能電池、地?zé)犭姵氐瓤梢詮淖匀唤缰屑橙∧芰哭D(zhuǎn)換為電能的電池來代替化學(xué)電池，實(shí)現(xiàn)能量自補(bǔ)充的策略也不現(xiàn)實(shí)；從傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性出發(fā)，使用新的分簇算法、路由協(xié)議，通過減小節(jié)點(diǎn)能量消耗來延長（最大化）網(wǎng)絡(luò)生命周期是當(dāng)前研究的一個重點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，決定其攜帶的化學(xué)電池能量有限；節(jié)點(diǎn)個數(shù)多，成本低，部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜（人員不能到達(dá)），決定更換電池補(bǔ)充能量的策略不現(xiàn)實(shí)；電源能量有限（1）電源能量有限傳感器節(jié)點(diǎn)消耗能量模塊：傳感器模塊（低）處理器模塊（低）無線通信模塊（高：約80%）隨著集成電路工藝的進(jìn)步處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量主要消耗在無線通信模塊上。傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸信息時(shí)要比執(zhí)行計(jì)算時(shí)更消耗電能，傳輸1比特信息100米距離需要的能量大約相當(dāng)于執(zhí)行3000條計(jì)算指令所消耗的能量。（1）電源能量有限無線通信模塊的四種狀態(tài)：如何讓網(wǎng)絡(luò)通信更有效，減小不必要的轉(zhuǎn)發(fā)和接收，不需要通信時(shí)盡快進(jìn)入睡眠狀態(tài)，是減小能耗的重要策略。發(fā)送

消耗能量最大接收消耗能量低空閑一直監(jiān)聽無線信道的使用情況，檢查是否有數(shù)據(jù)發(fā)送給自己，接近接收狀態(tài)能耗。睡眠關(guān)閉通信模塊，效能能量最少。（2）通信能力有限無線通信消耗能量與傳輸距離之間的關(guān)系：E=kd^n，2<n<4。隨通信距離增加，能量急劇消耗。在滿足通信聯(lián)通度的前提下，應(yīng)盡量減少通信距離，一般而言，傳感器節(jié)點(diǎn)無線通信半徑小于100米比較合適。節(jié)點(diǎn)能量限制網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大采用多跳路由的傳輸機(jī)制。節(jié)點(diǎn)無線通信帶寬有限，能量變化受自然環(huán)境影響。無線通信性能經(jīng)常變化，頻繁出現(xiàn)通信中斷。如何設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信需求是一個挑戰(zhàn)。傳感器節(jié)點(diǎn)是一種微型嵌入式設(shè)備，要求它價(jià)格低、功耗小，這些限制必然導(dǎo)致其攜帶的處理能力比較弱，存儲器容量比較小。為了完成各種任務(wù)，傳感器節(jié)點(diǎn)需要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點(diǎn)的任務(wù)請求和節(jié)點(diǎn)控制等多種工作。如何利用有限的計(jì)算和存儲資源完成諸多協(xié)同任務(wù)，成為傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)所需要考慮的問題。（3）計(jì)算和存儲能力有限采用低功耗電路和新型系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，開發(fā)超低功耗微處理器，降低微處理器的絕對功耗；01處理器的動態(tài)能量管理。當(dāng)節(jié)點(diǎn)周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，部分模塊處于空閑狀態(tài)，把這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低功耗的睡眠狀態(tài)02處理器的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)。當(dāng)計(jì)算負(fù)載較低時(shí)，通過降低微處理器的工作電壓和頻率來降低處理能力，從而節(jié)約微處理器的功耗。03提升其性能課堂小結(jié)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊4個部分組成。傳感器節(jié)點(diǎn)存在電源能量有限、通信能力有限、計(jì)算和存儲能力有限等三個方面的限制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用5.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系知識目標(biāo)掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議層次結(jié)構(gòu)及其主要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。能力目標(biāo)具備一定的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理解與設(shè)計(jì)能力。思政目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生具備理論熟練應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐的職業(yè)素養(yǎng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用02無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)特點(diǎn)03無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議01無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用目錄Part01無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議站的五層協(xié)議相對應(yīng)。另外，在這個層次結(jié)構(gòu)中，還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務(wù)管理平臺，幫助節(jié)點(diǎn)按能源高效的方式協(xié)同工作，并支持多任務(wù)和資源共享。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)的規(guī)范，規(guī)定工作頻率、信號調(diào)制、編碼等標(biāo)準(zhǔn)物理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制、減小能量消耗數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)與路由選擇網(wǎng)絡(luò)層包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件應(yīng)用層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換傳輸層管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量能量管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點(diǎn)的移動，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置移動管理平臺在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)任務(wù)管理平臺無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各層都涉及能量管理、任務(wù)管理和移動管理，但是各層實(shí)現(xiàn)這三個管理的側(cè)重點(diǎn)不同，比如應(yīng)用層要考慮任務(wù)管理，給各個子網(wǎng)和傳感器節(jié)點(diǎn)分配監(jiān)測任務(wù)，應(yīng)用層也考慮移動管理，而能量管理則由網(wǎng)絡(luò)層與數(shù)據(jù)鏈路層承擔(dān)，移動管理在這兩層也有一定的實(shí)現(xiàn)，物理層也有能量管理，但是較少考慮移動管理和任務(wù)管理問題。Part02無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)特點(diǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)除了具有Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的移動性、斷接性、電源能力局限性等共同特征以外，在組網(wǎng)方面具有一些鮮明的自身特點(diǎn)。它的主要特點(diǎn)包括：自組織性、以數(shù)據(jù)為中、心應(yīng)用相關(guān)性、動態(tài)性、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大和需要高的可靠性等。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，無線傳感網(wǎng)不再是以傳輸數(shù)據(jù)為目的，而是以數(shù)據(jù)為中心。為了適應(yīng)廣泛的應(yīng)用程序，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)遵循“端到端”的邊緣論思想，強(qiáng)調(diào)將一切與功能相關(guān)的處理都放在網(wǎng)絡(luò)的端系統(tǒng)上，中間節(jié)點(diǎn)僅僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)，還有一些為自組織Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的協(xié)議和算法，這些都未必適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和應(yīng)用的要求，因此，需要了解傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)從而設(shè)計(jì)適合此網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的微型化，每個節(jié)點(diǎn)的通信和傳感半徑有限，一般為幾十米范圍之內(nèi)，而且為了節(jié)能，傳感器節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，所以往往通過鋪設(shè)大量的傳感器節(jié)點(diǎn)來保證網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和密度都要比Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)高幾個數(shù)量級，可達(dá)到每平方米上百個節(jié)點(diǎn)的密度，甚至多到無法為單個節(jié)點(diǎn)分配統(tǒng)一的物理地址，這會帶來一系列問題，如信號沖突，信息的有效傳送路徑的選擇，大量節(jié)點(diǎn)之間如何協(xié)同工作等等。（1）傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大由于傳感器網(wǎng)絡(luò)可能工作在惡劣的外界環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可能會由于各種不可預(yù)料的原因而失效。為保證網(wǎng)絡(luò)的正常工作要求，傳感器網(wǎng)絡(luò)必須有一定的容錯能力，允許傳感器節(jié)點(diǎn)具有一定的故障率。（2）傳感器節(jié)點(diǎn)有一定的故障率。傳感器節(jié)點(diǎn)電池不便更換，其電池能量限制是整個傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的約束之一，它直接決定了網(wǎng)絡(luò)工作壽命。另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和存儲能力有限，使得其不能進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，傳統(tǒng)Internet上成熟的協(xié)議和算法對傳感器網(wǎng)絡(luò)而言開銷太大，難以使用，必須重新設(shè)計(jì)簡單有效的協(xié)議計(jì)算法。（3）傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)限制由于傳感網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)在工作和睡眠狀態(tài)之間切換，以及傳感器節(jié)點(diǎn)隨時(shí)可能因各種原因發(fā)生故障而失效，或者有新的節(jié)點(diǎn)加入，這些都使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化很快，這對網(wǎng)絡(luò)各種算法（如路由算法和鏈路質(zhì)量控制協(xié)議等）的有效性提出了挑戰(zhàn)。此外，如果節(jié)點(diǎn)具備移動能力，也可能帶來網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓?。?）傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快傳感器網(wǎng)絡(luò)中人們只關(guān)心某個區(qū)域某個觀測指標(biāo)的值，而不會去關(guān)心某個節(jié)點(diǎn)的具體觀測數(shù)據(jù)，比如說人們可能希望知道檢測區(qū)域的東北角上的溫度是多少，而不會去關(guān)心某某節(jié)點(diǎn)所感知到的溫度是多少，這就是傳感器網(wǎng)絡(luò)的以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)是和節(jié)點(diǎn)的物理地址聯(lián)系起來的不同，傳感器網(wǎng)絡(luò)要求能夠脫離傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過程，快速有效地組織、融合提取各個節(jié)點(diǎn)的有用信息直接傳送給用戶。（5）以數(shù)據(jù)為中心Part03無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層應(yīng)用層傳輸層Ad-hoc路由數(shù)據(jù)鏈路層物理層OSITCP/IPWSN定向擴(kuò)散路由協(xié)議（DirectedDiffusion，DD）TDMA、CSMA/CA（IE802.11）、S-MAC無線電波、紅外線、光波時(shí)分復(fù)用方式TDMA，無競爭方式。給每個傳感器節(jié)點(diǎn)分配固定的無線信道使用時(shí)段，避免節(jié)點(diǎn)之間相互干擾；S-MAC（SensorNAC），是基于競爭的MAC協(xié)議，節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)隨機(jī)使用無線信道，盡量減少節(jié)點(diǎn)間的干擾，利用多跳、短距離通信以節(jié)省能量。通信產(chǎn)生在對等節(jié)點(diǎn)間，采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式傳輸數(shù)據(jù)。通常情況下，數(shù)據(jù)傳輸量少，節(jié)點(diǎn)協(xié)作共同完成任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和融合，以減少數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)能容忍一定的通信時(shí)延。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層應(yīng)用層傳輸層Ad-hoc路由數(shù)據(jù)鏈路層物理層OSITCP/IPWSN定向擴(kuò)散路由協(xié)議（DirectedDiffusion，DD）TDMA、CSMA/CA（IE802.11）、S-MAC無線電波、紅外線、光波擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)通過興趣信息發(fā)出查詢?nèi)蝿?wù)，采用洪范方式傳播興趣信息到整個區(qū)域或部分區(qū)域內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)。興趣信息用來表示查詢的任務(wù)，表達(dá)了網(wǎng)絡(luò)用戶對監(jiān)測區(qū)域感興趣的具體內(nèi)容。在興趣信息的傳播過程中，協(xié)議將逐跳地在每個傳感器節(jié)點(diǎn)上建立反向的數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸梯度，傳感器探測節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)沿著梯度方向傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)層課堂小結(jié)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、有一定的故障率、節(jié)點(diǎn)受限制、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快以及以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)，明確了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧遵循的原則，了解了網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的常用協(xié)議S-MAC、定向擴(kuò)散路由協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。另外，還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務(wù)管理平臺，幫助節(jié)點(diǎn)按能源高效的方式協(xié)同工作，并支持多任務(wù)和資源共享。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用5.4ZigBee技術(shù)知識目標(biāo)掌握ZigBee的概念、體系結(jié)構(gòu)及組成。能力目標(biāo)具備根據(jù)ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能力。思政目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生具備基于技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)的素養(yǎng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用02ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)03ZigBee網(wǎng)絡(luò)組成04ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建01ZigBee概述物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用目錄Part01ZigBee概述物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用ZigBee這個名字源于蜂群以zigzag舞來傳遞消息，故又稱為“紫蜂”。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高可靠的雙向無線通信技術(shù)。適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可嵌入各種設(shè)備，支持地理定位功能。ZigBee以IEEE1802.15.4為基礎(chǔ)，采用調(diào)頻和擴(kuò)頻技術(shù)，可工作頻率為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（北美）自組織方式。技術(shù)特點(diǎn)低功耗低成本低速率近距離短時(shí)延高容量高安全免執(zhí)照頻段Part02ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用ZigBee底層技術(shù)建立在IEEE802.15.4基礎(chǔ)之上，物理層和MAC層直接引用了IEEE802.15.4IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議主要包括物理層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。ZigBee主要提供了在物理層和鏈路層之上的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層規(guī)范。負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組建，為新加入者分配地址、路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)等。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層采用距離矢量路由協(xié)議（AODV）網(wǎng)絡(luò)層當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到路由請求消息后，目的節(jié)點(diǎn)返回一個路由回復(fù)給源節(jié)點(diǎn)。鄰居節(jié)點(diǎn)在收到消息后，再廣播收到的消息給它們的鄰居，如此直到消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)廣播一個路由請求給它的所有鄰居回復(fù)不再以廣播方式發(fā)送到源節(jié)點(diǎn)，而是沿著路由請求數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑。是網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的接口，通過把底層的服務(wù)和控制接口提供給整個應(yīng)用層，把應(yīng)用層以下的部分和應(yīng)用層連接起來。應(yīng)用支持子層（ApplicationSupport，APS）負(fù)責(zé)定義每一個設(shè)備的功能和角色。協(xié)調(diào)者（coordinator）普通終端設(shè)備。ZigBee設(shè)備對象（ZigBeeDeviceObject，ZDO）定義應(yīng)用層服務(wù)的應(yīng)用對象。每一個應(yīng)用對象對應(yīng)了一個不同的應(yīng)用層服務(wù)。應(yīng)用對象Part03ZigBee網(wǎng)絡(luò)組成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用提供全部MAC服務(wù)，能充當(dāng)任何ZigBee節(jié)點(diǎn)，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。具備路由功能，可充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器接收子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。全功能設(shè)備（FullFunctionDevice，F(xiàn)FD）只能充當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)，只將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)。RFD間的通信必須通過FFD才能完成。RFD使用較小的存儲空間，很容易組建低成本、低功耗的無線通信網(wǎng)絡(luò)。精簡功能設(shè)備（ReducedFunctionDevice，RFD）ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義了3種節(jié)點(diǎn)：ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)（Coordinator）路由節(jié)點(diǎn)（Router）終端節(jié)點(diǎn)（EndDevice）Part04ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用在一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，至少存在一個FFD充當(dāng)整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)點(diǎn)，即PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)。通常，PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)具有較強(qiáng)大的功能，是整個網(wǎng)絡(luò)的主要控制者，負(fù)責(zé)建立新的網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)以及存儲網(wǎng)絡(luò)信息等。FFD和RFD都可以作為終端節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。FFD可以和FFD、RFD通信，而RFD只能和FFD通信。RFD應(yīng)用相對簡單，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，它們只負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給它的協(xié)調(diào)點(diǎn)，并不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)等功能。每個協(xié)調(diào)點(diǎn)最多可連接255個節(jié)點(diǎn)，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納65535個節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)點(diǎn)成功創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)選擇個域網(wǎng)標(biāo)識符PANID等待終端節(jié)點(diǎn)加入創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)查找并加入網(wǎng)絡(luò)上報(bào)物理地址給協(xié)調(diào)點(diǎn)協(xié)調(diào)點(diǎn)將地址傳送給計(jì)算機(jī)、保存終端節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)向串口發(fā)送節(jié)點(diǎn)物理地址及測量指令協(xié)調(diào)點(diǎn)向相應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送測量指令下達(dá)測量指令傳感器測量數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)點(diǎn)計(jì)算機(jī)顯示傳感器上傳測量結(jié)果在一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，至少存在一個FFD充當(dāng)整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)點(diǎn)，即PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)。通常PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)是一個特殊的FFD，它具有較強(qiáng)大的功能，是整個網(wǎng)絡(luò)的主要控制者，負(fù)責(zé)建立新的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)以及存儲網(wǎng)絡(luò)信息等。FFD和RFD都可以作為終端節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。需要注意課堂小結(jié)ZigBee協(xié)議建立在IEEE802.15.4基礎(chǔ)之上，物理層和MAC層直接引用了IEEE802.15.4。其協(xié)議體系結(jié)構(gòu)由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、IEEE802.15.4協(xié)議組成。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義了3種節(jié)點(diǎn)：ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)（Coordinator）、路由節(jié)點(diǎn)（Router）和終端節(jié)點(diǎn)（EndDevice）。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本高可靠的雙向無線通信技術(shù)，主要用于短距離、低功耗且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用5.5智能建造中傳感網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用知識目標(biāo)熟悉傳感網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其相關(guān)應(yīng)用。能力目標(biāo)掌握RFID技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)能力。思政目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生初步具備選擇適合技術(shù)，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)和技術(shù)方案的職業(yè)素養(yǎng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用02應(yīng)用案例——隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)01傳感網(wǎng)技術(shù)在智能建造領(lǐng)域的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用目錄Part01傳感網(wǎng)技術(shù)在智能建造領(lǐng)域的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用目前，我國正處在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰期，各類大型工程的安全施工及管理監(jiān)控很有必要，如摩天大樓、大型場館、跨海大橋、地下隧道、海洋石油平臺和海底管線等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以幫助管理者有效獲取這些建筑物的狀態(tài)信息，優(yōu)化管理，及時(shí)維修保養(yǎng)。傳感網(wǎng)技術(shù)在智慧工地中的應(yīng)用通過智能傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對建筑空間的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集，為設(shè)計(jì)提供更為精準(zhǔn)的參考依據(jù)。規(guī)劃設(shè)計(jì)階段通過智能化的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對施工過程的全方位監(jiān)測?？赏ㄟ^遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)隨時(shí)查看施工進(jìn)度和質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決施工中的問題。施工現(xiàn)場管理通過穿戴式設(shè)備的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對