無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) Read

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）

綜述WSN概述歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN的特征WSN的應(yīng)用WSN的協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)未來(lái)發(fā)展機(jī)遇展望主要內(nèi)容:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wirelesssensornetwork,WSN）

系統(tǒng)是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的

前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域

。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌

入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分

布式信息處理技術(shù)等。WSN概述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wirelesssensornetwork,WSN）就是由部署在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)衛(wèi)星傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知的對(duì)象信息，并發(fā)送給觀察者。構(gòu)成WSN的三要素:傳感器、感知對(duì)象、觀察者。WSN概述（續(xù)）影響力☆美國(guó)商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評(píng)論在預(yù)測(cè)未來(lái)技術(shù)發(fā)展報(bào)告中將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最有影響的21項(xiàng)技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一?！顐鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)被列為未來(lái)3大高科技產(chǎn)業(yè)一?！蠲绹?guó)的《技術(shù)評(píng)論》將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來(lái)新興技術(shù)。☆《商業(yè)周刊》預(yù)測(cè)的未來(lái)4大新技術(shù)中,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中等。WSN概述（續(xù)）國(guó)外:起源于美國(guó)，根源可追溯到1978年由國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）在卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)發(fā)起的分布式傳感器研討會(huì)。具有代表性的項(xiàng)目包括:1993-1999年間由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)資助，加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)承擔(dān)的WINS項(xiàng)目；1999-2001年間由DAPRA資助UCBerkeley承擔(dān)的SmartDust項(xiàng)目。歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀1998-2002年DARPA資助，加州大學(xué)伯克利分校等25個(gè)機(jī)構(gòu)聯(lián)合承擔(dān)的SensIT計(jì)劃；1999-2004年間海軍研究辦公室的SeaWeb計(jì)劃等。國(guó)內(nèi):中國(guó)的一些研究機(jī)構(gòu)近年開(kāi)始研究:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、中科院計(jì)算所、上海微系統(tǒng)所、沈陽(yáng)自動(dòng)化所以及合肥智能所等研究單位。歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀（續(xù)）之所以國(guó)內(nèi)外都投入巨資研究機(jī)構(gòu)紛紛開(kāi)展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究,很大程度歸功于其廣闊的應(yīng)用前景和對(duì)社會(huì)生活的巨大影響。歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀（續(xù)）WSN的體系結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)WSN的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)WSN的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧3G－第三代移動(dòng)通信–協(xié)議:W-CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA–頻段:2GHz附近–速率:最高達(dá)2Mbps–特點(diǎn):支持多媒體播放，收看電視現(xiàn)代無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)(1)Wi-Fi–遵循IEEE802.11a/b/g協(xié)議–應(yīng)用:上網(wǎng)、視頻、電腦聯(lián)網(wǎng)–頻段:2.4/5.0GHz–速率:11~54Mbps–通信模式:擴(kuò)頻–距離:<100m現(xiàn)代無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)(2)Bluetooth－藍(lán)牙–遵循IEEE802.15.1協(xié)議–應(yīng)用:取代有線–頻段:2.4GHz–通信模式:跳頻–速率:<1Mbps–距離:<10m現(xiàn)代無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)(3)ZigBee網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)遵循IEEE802.15.4協(xié)議。ZigBee技術(shù)特點(diǎn):功耗低:發(fā)射功率僅1mW，還可采用休眠模式；兩節(jié)5號(hào)電池可工作1~2年。成本低:由于傳輸速率低，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡(jiǎn)單，成本較低，而且ZigBee協(xié)議免專利費(fèi)。時(shí)延短:典型搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。網(wǎng)絡(luò)容量大:網(wǎng)絡(luò)可容納65,000個(gè)設(shè)備。傳輸可靠:采用碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的業(yè)務(wù)預(yù)留專用時(shí)隙。安全:采用AES-，個(gè)應(yīng)用可靈活確定其安全屬性。信號(hào)傳輸距離:50m（室內(nèi)），150m（室外）?，F(xiàn)代無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)(4)覆篕范圍

數(shù)據(jù)傳輸速度信道數(shù)量ISM全球250

kbps16ISM美洲40kbps

10ISM歐洲

20kbps1頻率

頻帶2

.4

GHz915

MHz868

MHz工作頻率Chipcon

CC2420開(kāi)發(fā)平

臺(tái)全球首個(gè)ZigBee收發(fā)器

CC2420僅支持2.4GHz支持RS232/USB接口開(kāi)

發(fā)ZigBee開(kāi)發(fā)平臺(tái)(1)☆與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別傳感器網(wǎng)絡(luò)集成了監(jiān)測(cè)、控制以及無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大（上千甚至上萬(wàn)）,分布密集,因環(huán)境和能量的耗盡,容易出現(xiàn)故障,節(jié)點(diǎn)通常固定不動(dòng)。能量、處理能力、存儲(chǔ)能力、通信能力有限。不同于傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的高服務(wù)質(zhì)量和高效的帶寬的利用,節(jié)能是其設(shè)計(jì)的首要考慮因素。WSN的特征☆節(jié)點(diǎn)的限制※電池能量有限※通信能力有限能量消耗和通信距離關(guān)系E正比于d(n).{2<n<4}※計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限WSN的特征（續(xù)）☆傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn):大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)自組織網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)可靠性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)WSN的特征（續(xù)）☆軍事上的應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強(qiáng)和高容錯(cuò)性的特點(diǎn),因此非常適合軍事上的應(yīng)用。通過(guò)飛機(jī)或炮彈直接將傳感器節(jié)點(diǎn)散播到敵方陣地內(nèi)部,或者在公共隔離帶部署傳感網(wǎng)絡(luò),就能隱蔽而且近距離的準(zhǔn)確收集戰(zhàn)場(chǎng)信息。例:傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為美軍事C4ISRT系統(tǒng)必不可少的一部分。供通用的戰(zhàn)術(shù)畫(huà)面指揮信息系統(tǒng)使用通用操作環(huán)境（COE）通用編程接口發(fā)展者用的通用綜合標(biāo)準(zhǔn)和通用人機(jī)接口WSN的應(yīng)用☆環(huán)境觀測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)可以用于檢視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣情況、牲畜和家禽的環(huán)境狀況和大面積的地表監(jiān)測(cè)、氣象和地理研究、洪水監(jiān)測(cè)等。例:alert系統(tǒng)中就有用于監(jiān)測(cè)降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預(yù)測(cè)爆發(fā)山洪的可能性。WSN的應(yīng)用（續(xù)）☆醫(yī)療護(hù)理用于人體的各種生理數(shù)據(jù)，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動(dòng)，醫(yī)院的藥物管理等。例：一個(gè)可以成像的特殊發(fā)送器芯片與精巧設(shè)計(jì)的超低功率無(wú)線技術(shù)結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)可用于一個(gè)胃腸道診斷的微型吞服攝像膠囊?；颊咄滔戮SC片大小的成像膠囊后，膠囊經(jīng)過(guò)食道、胃和小腸時(shí)就可將圖象廣播出來(lái)。膠囊由一個(gè)攝象機(jī)、LED.電池、特制芯片和天線組成。（如圖）WSN的應(yīng)用（續(xù)）WSN的應(yīng)用（續(xù)）☆智能家居家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與Internet連在一起。為人提供人性化的家居環(huán)境。例:Avaak提供一個(gè)只有1立方英寸大小的自治產(chǎn)品。這個(gè)微型的無(wú)線視頻平臺(tái)包含有一節(jié)電池、無(wú)線電、攝像相機(jī)、(彩色成像器加鏡頭)、控制器、天線和溫度傳感器。（如圖）WSN的應(yīng)用（續(xù)）WSN的應(yīng)用（續(xù)）☆建筑物狀態(tài)監(jiān)控利用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控建筑物的安全狀態(tài)。例:Microstrain在佛蒙特州的一座重載橋梁上安裝了一套該公司研制的系統(tǒng)，將位移傳感器安裝在鋼梁上用來(lái)測(cè)量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)力，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)采集數(shù)據(jù)。該無(wú)線系統(tǒng)可以保留在橋梁上用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)橋梁是否處于正常受控狀態(tài)。（如圖）WSN的應(yīng)用（續(xù)）WSN的應(yīng)用（續(xù)）☆完成空間探索借助于航天器在外星體撒播一些傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以對(duì)星球表面進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。成本低、節(jié)點(diǎn)體積小，相互之間可以進(jìn)行通信，也可以和地面站進(jìn)行通信。例:NASA的JPL（JetPropulsionLaboratory）實(shí)驗(yàn)室研制的SensorWebs就是為將來(lái)的火星探測(cè)進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備。該系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)施測(cè)試和完善。WSN的應(yīng)用（續(xù)）路由協(xié)議:–負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，主要包括兩個(gè)方面的功能:尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議（MAC協(xié)議）:–決定無(wú)線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點(diǎn)間分配有限的無(wú)線通信資源。主要考慮:節(jié)省能量、可擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)效率。WSN的協(xié)議WSN的協(xié)議（續(xù)）路由協(xié)議和傳統(tǒng)的路由協(xié)議相比，無(wú)線傳感器的路由協(xié)議有以下特點(diǎn):☆能量?jī)?yōu)先☆基于局部拓?fù)湫畔ⅰ钜詳?shù)據(jù)為中心☆應(yīng)用相關(guān)路由協(xié)議分類☆能量感知路由協(xié)議。☆基于查詢的路由協(xié)議?！畹乩砦恢玫穆酚蓞f(xié)議。

☆可靠的路由協(xié)議。WSN的協(xié)議（續(xù)）MAC協(xié)議節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信模塊的狀態(tài)包括:發(fā)送狀態(tài)、接受狀態(tài)、偵聽(tīng)狀態(tài)、睡眠狀態(tài)。各狀態(tài)耗能按上述順序依次減少，因此通常采用”偵聽(tīng)/睡眠”交替使用的無(wú)線信道使用策略。WSN的協(xié)議（續(xù)）MAC協(xié)議針對(duì)不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，提出不同的MAC協(xié)議，主要分3類:※時(shí)分復(fù)用（TDMA）的MAC協(xié)議?！S機(jī)競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議?！渌鸐AC協(xié)議。如:頻分復(fù)用或碼分復(fù)用等協(xié)議。WSN的協(xié)議