无线传感器网络(WSN)全解

学习任务5.1无线传感器网络概述5.2无线传感器网络的系统结构5.3无线传感器网络的应用5.4无线传感器网络的研究方向5.1无线传感器网络概述一、WSN对物联网的支撑作用无线传感器网络技术是传统传感技术和网络通讯技术的融合，通过将无线网络节点附加采集各种物理量的传感器而成为兼有感知能力和通讯能力的智能节点,是物联网的核心支撑技术之一。是物联网网络感知层和传输网络层的主要实现技术。二、什么是无线传感器技术？无线传感器网络技术是传统传感技术和网络通讯技术的融合，通过将无线网络节点附加采集各种物理量的传感器而成为兼有感知能力和通讯能力的智能节点,是物联网的核心支撑技术之一。三、无线传感器网络概念无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）是由一组稠密布置、随机散布的传感器节点构成的无线自组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域内感知对象的信息,并将其提供给用户。构成无线传感器网络的三个要素：传感器节点、感知对象、观察者四、WSN发展历史国外①最早的传感器网络出现在上世纪七十年代，将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络，我们称之为第一代传感器网络。②1993年，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）联合rockwell研究中心在DARPA的资助下开始进行了WINS（WirelessIntegratedNetworkSensors）的项目研究。③1996年起麻省理工学院(MIT)进行了µAMPS(Micro.AdaptiveMulti.domainPower.awareSensors)项目的研究。四、WSN发展历史④加州大学伯克利分校（UCBerkeley）于1999年在DARPA的资助下开始进行SmartDust项目的研究。⑤无线传感器网络技术最先在空间探索领域和军事领域上得到展开，如2000年被美国国防部定为国防部科学技术五个尖端项目之一SmartSensorWeb项目。⑥在民用方面，2002年10月24日，Intel公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。⑦日本总务省在2004年3月成立了泛在传感器网络调查研究会，该研究会的主要目的就是对无线传感器网络的研究开发课题、标准化课题、社会的认知性和该技术推进政策等进行探讨。四、WSN发展历史国内①无线传感器网络及其应用研究被记录在1999年发表的中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告中。②2001年，微系统研究与发展中心成立。③2002年~2008年，中国国家自然基金共支持传感器网络相关的面上项目111项，重点项目3项；国家“863”重点项目发展计划共支持面上项目30余项，国家重点基础研究发展计划“973”也设立2项与传感器网络直接相关的项目。四、WSN发展历史④2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络研究直接相关。⑤中国工业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对传感器网络技术而设立的。五、WSN的特点和优点特点①网络规模大②节点微型化③动态性④自组织⑤可靠性⑥时效性⑦以数据为中心⑧应用相关性强五、WSN的特点和优点优点①分布节点中多角度和多方位信息的综合，有效地提高了对被监测区域的观测的准确度和信息的全面性；②传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力。即使在极为恶劣的应用环境中，监控系统也可以正常工作；五、WSN的特点和优点③节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标；④多节点联合，可形成覆盖面积较大的实时探测区域。借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力，可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。六、发展趋势未来研究方向①节点进一步微型化②寻求更好的系统节能策略③进一步降低节点成本④提高传感器网络安全性和抗干扰能力⑤提高节点的自动配置能力⑥完善高效的跨层网络协议栈⑦网络的多应用和异构化⑧进一步与其他网络的融合5.2无线传感器网络的系统结构一、节点结构传感器网络节点的4个主要的组成部分：数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、无线通信模块(无线收发器)和能量供应模块(电池)组成。可以选择的其他功能单元包括：定位模块、移动模块以及电源自供电模块等。如图5.1所示。一、节点结构图5.1传感器节点体系结构一、节点结构传感器模块负责监测区域内针对特定观测对象和物理信号的采集和数据转换。处理器模块负责控制整个传感器的硬件，存储和处理本身采集的或其它节点发来的数据。无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换应用数据和网络管理控制数据。能量供应模块为传感器节点提供运行所需要的能量，通常采用微型电池供电。二、软件结构无线传感器网络中间件和平台软件构成无线传感器网络业务应用的公共基础，提供了高度的灵活性、模块性和可移植性。无线传感器网络中间件和平台软件在无线传感器网络软件系统架构中的位置如图5.2所示。二、软件结构图5.2无线传感器网络软件体系结构二、软件结构无线传感器网络应用支撑层、无线传感器网络基础设施和基于无线传感器网络应用业务层的一部分共性功能以及管理、信息安全等部分组成了无线传感器网络中间件和平台软件。无线传感器网络中间件和平台软件采用层次化、模块化的体系结构，使其更加适应无线传感器网络应用系统的要求，并用自身的复杂换取应用开发的简单。三、拓扑结构通常将网络中的主机、终端和其他通信控制与处理设备抽象为结点；将通信线路抽象为线路，而将结点和线路连接而成的几何图形称为网络的拓扑结构。常用的拓扑结构有平面网络结构、分级网络结构、混合网络结构和Mesh网络结构。①平面网络结构平面网络结构是无线传感器网络中最简单的一种拓扑结构，所有节点为对等结构，具有完全一致的功能。图5.3无线传感器平面网络结构①平面网络结构特点：拓扑结构简单，易维护，具有较好的健壮性，事实上就是一种AdHoc网络结构形式。由于没有中心管理节点，故采用自组织协同算法形成网络，其组网算法比较复杂。②分级网络结构分级网络结构（也称层次网络结构）是平面网络结构的一种扩展拓扑结构，网络分为上层和下层两个部分：上层为中心骨干节点；下层为一般传感器节点。图5.4无线传感器分级网络结构②分级网络结构特点：结构扩展性好，便于集中管理，可以降低系统建设成本，提高网络覆盖率和可靠性，但是集中管理开销大，硬件成本高，一般传感器节点之间可能不能够直接通信。③混合网络结构混合网络结构是无线传感器网络中平面结构和分级结构的一种混合拓扑结构，网络骨干节点之间及一般传感器节点之间都采用平面网络结构，而网络骨干节点和一般传感器节点之间采用分级网络结构。图5.5无线传感器网络混合网络结构③混合网络结构特点：拓扑结构和分级网络结构不同的是一般传感器节点之间可以直接通信，可不需要通过汇聚骨干节点来转发数据。这种结构同分级网络结构相比较，支持的功能更加强大，但所需硬件成本更高。④Mesh网络结构Mesh网络结构是一种新型的无线传感器网络结构，从结构来看，Mesh网络是规则分布的网络，不同于完全连接的网络结构，该结构中通常只允许和节点最近的邻居通信，网络内部的节点一般都是相同的，因此Mesh网络也称为对等网。图5.6无线传感器网络Mesh网络结构④Mesh网络结构特点：网络对于单点或单个链路故障具有较强的容错能力和鲁棒性。Mesh网络结构最大的优点就是尽管所有节点都是对等的地位，且具有相同的计算和通信传输功能。五、协议结构通信协议层可以划分为物理层、链路层、网络层、传输层和应用层五层，而网络管理面则可以划分为能耗管理面、移动性管理面以及任务管理面。如图5.8(a)所示。五、协议结构(a)(b)图5.8无线传感器网络协议结构五、协议结构物理层无线传感器网络的传输介质可以是无线、红外或者光介质。数据链路层数据链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体接入和差错控制。数据链路层保证了传感器网络内点到点和点到多点的连接。五、协议结构网络层传感器网络节点高密度地分布于待测环境内或周围。在传感器网络节点和接收器节点之间需要特殊的多跳无线路由协议。无线传感器网络的路由算法在设计时需要特别考虑能耗的问题，传感器网络的网络层设计的设计特色还体现在以数据为中心。五、协议结构传输层在多种类型数据传输任务的前提下保障各种数据的端到端的传输质量。应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。应用层的传感器管理协议、任务分配和数据广播管理协议以及传感器查询和数据传播管理协议是传感器网络应用层需要解决的三个潜在问题。五、协议结构特点：网络协议结构是网络的协议分层以及网络协议的集合,是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。对无线传感器网络来说,其网络协议结构不同于传统的计算机网络和通信网络。相对已有的有线网络协议栈和自组织网络协议栈，需要更为精巧和灵活的结构，用于支持节点的低功耗，高密度，提高网络的自组织能力、自动配置能力、可扩展能力和传感器数据的实时性保证。5.3无线传感器网络的应用一、军事领域无线传感器网络具有自组织、容错以及信息获取能力，使其非常适合于军事领域。二、环境观测与预报领域常见的应用包括：①可通过跟踪珍稀鸟类、动物和昆虫的栖息、觅食习惯等进行濒临种群的研究等；②可在河流沿线分区域布设传感器节点，随时监测水位及相关水资源被污染的信息；③在山区中泥石流、滑坡等自然灾害容易发生的地方布设节点，可提前发出预警，以便做好准备，采取相应措施，防止进一步的恶性事故的发生；④可在重点保护林区铺设大量节点随时监控内部火险情况，一旦有危险，可立刻发出警报，并给出具体方位及当前火势大小；⑤布放在地震、水灾、强热带风暴灾害地区、边远或偏僻野外地区，用于紧急和临时场合应急通信。二、环境观测与预报领域三、空间、海洋探索借助于航天器布撒的传感器节点实现对星球表面大范围、长时期和近距离的监测和探索，是一种经济可行的方案。图5.11美国宇航局空间探索计划中无线传感器网络应用模式示意图图5.12水下无线传感器网络技术示意图四、工业领域无线传感器网络可用于煤矿、石化、冶金行业等工业领域中的危险环境。图5.13煤矿安全环境监测无线传感器网络的基本结构五、农业领域无线传感器可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气变更情况、牲畜和家禽的环境状况以及大面积地表检测。图5.15葡萄园环境监测系统示意图图5.16多温室间无线传感器网络通信的示意图六、医疗健康与监护领域无线传感器网络在医疗研究、护理领域主要的应用包括远程健康管理、重症病人或老龄人看护、生活支持设备、病理数据实时采集与管理、紧急救护等，也为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。图5.17基于无线传感器网络技术的人体行为监测系统七、建筑领域无线传感器可用于建筑施工及后期使用过程的安全监测，包括对珍贵文物的保护。图5.18基于无线传感器网络的桥梁结构监测系统图5.19将无线传感器网络应用在珍贵文物的保护场地八、其他领域智能交通控制管理安防系统仓储物流管理智能家居系统图5.20超级市场中应用无线传感器网络进行各种物流检测和环境监测5.4无线传感器网络的研究方向无线传感器网络技术是多学科交叉的研究领域，网络运行的能量效率是一切技术元素的优化目标。核心关键技术包括组网模式、拓扑控制、无线通讯技术、介质访问控制和链路控制、网络层与路由协议设计、QoS保障和可靠性设计和移动模型研究等方面。思考与练习论述无线传感器网络在物联网中的作用。给出无线传感器网络的概念。简述无线传感器网络的特点和发展趋势。概要叙述无线传感器网络的体系结构。思考与练习说明无线传感器网络关于降低能耗的机制。列出无线传感器网络较为重要的应用领域。结合自己的切身经历，给出一些无线传感器网络的应用实例。列出无线传感器网络的主要关键技术。设想一个有关野