第1章无线传感器网络概述.

第一章无线传感器网络概述无线传感器网络介绍无线传感器网络的体系结构无线传感器网络研究及发展现状无线传感器网络所面临的挑战第一章无线传感器网络概述第一章无线传感器网络概述无线传感器网络介绍——一般概念随着计算机及相关技术的发展，使得将计算、通信、传感等功能都集成在一个设备成为了可能，无线传感器网络正是这些技术的紧密结合。无线传感器网络是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的环境或观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪声和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去。无线传感器网络使普通物体具有了感知能力和通信能力，在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。第一章无线传感器网络概述无线传感器网络介绍——典型场景Internet控制中心Sink节点传感区域传感器节点无线传感器网络由传感区域内大量的无线节点、Sink节点、外部网络构成。如图中节点A感知到数据之后，通过节点B、C、D、E多跳传送给Sink节点，再由Sink节点传送给外部网络（如Internet）。第一章无线传感器网络概述无线传感器网络介绍——作为无线自组网自组织：在节点位置确定之后，节点需要自己寻找其邻居节点，实现相邻节点之间的通信，通过多跳传输的方式搭建整个网络，并且需要根据节点的加入和退出来重新组织网络，使网络能够稳定正常的运行。分布式：网络的感知能力由若干冗余节点共同完成，每一个节点具有相同等的硬件资源和通信距离，没有哪一个节点严格地控制网络的运行，节点消亡之后网络能够重组，任意一个节点的加入或退出都不会影响网络的运行，抗击毁能力强。节点平等：除了Sink节点之外，无线传感器节点的分布随机，以自己为中心只负责自己通信范围内的数据交换；每个节点都是平等的，没有先后优先级之间的差别，具有相同的通信能力，既可以产生数据也可以转发数据。可靠性要求高：自组织网络采用的是无线信道，通信需要通过多跳路由，因此数据的可靠性不高；而且信道容易受到干扰、和窃听，保密性能差。第一章无线传感器网络概述无线传感器网络介绍——独特的特征节点资源有限：如节点的电源能量、通信能力、计算存储能力有限。而且难以维护，对节点运行的程序包括使用的存储空间、算法时间开销有较高的要求；网络规模大：大部分无线传感器网络的覆盖范围很大并且部署密集，在单位面积内可能存在大量的传感器节点；时效性：无线传感器网络采集的信息需要在一定时间内及时送达观察者或是数据处理中心，对可能发生的事故和危险情况进行及时预告和提醒第一章无线传感器网络概述无线传感器网络介绍——独特的特征节点的可感知，微型化和自组织能力是无线传感器网络所具有的三个最基本的特点无线传感器网络的特点决定了无线传感器网络非常适合应用于恶劣的环境尤其是无人值守的场景即使被监测区域中的部分节点损坏或休眠时，也不会造成该区域的无线传感网络崩溃或影响数据的获得，网络仍能为系统提供可靠的监测数据。第一章无线传感器网络概述无线传感器网络介绍——信息感知优势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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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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第一章无线传感器网络概述无线传感器网络介绍——未来发展趋势节点进一步微型化。利用芯片集成技术、微机电技术和微无线通信技术，设计体积更小、生存周期更长，成本更低的节点寻求更好的系统节能策略。绝大部分无线传感器网络的电源不可更换或不能短时间更换，因此功耗问题一直是制约无线传感器网络发展的核心进一步降低节点成本。由于传感器网络的节点数量非常大，往往是成千上万个。要使传感器网络达到实用化，要求每个节点的价格控制在较为低廉的价格，甚至是一次性使用进一步提高传感器网络安全性和抗干扰能力。如何利用较少的能量和较小的计算量来完成数据加密、身份认证等功能，在破坏或受干扰的情况下可靠地完成执行的任务第一章无线传感器网络概述无线传感器网络介绍——未来发展趋势提高节点的自动配置能力。使网络在部分节点出现错误或休眠能将大量的节点迅速按照一定的规则组成一定的结构完善高效的跨层网络协议栈。在无线传感器网络已有的分层体系结构上引入跨层的机制和参数，打破层的界限多层合作实现某些优化目标网络的多应用和异构化。随着无线传感器网络的发展,同一传感器网络将从支持单一应用向支持多种不同应用发展,大规模的无线传感器网络中将包括大量的异构的传感器节点。进一步与其他网络的融合。无线传感器网络与现有网络的融合将带来新的应用。传感器网络专注于探测和收集环境信息，复杂的数据处理和存储等服务则交给基于无线传感器网络的网格体系来完成。第一章无线传感器网络概述无线传感器网络介绍——应用前景军事领域。无线传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，因此军事领域成为无线传感器网络最早展开的领域，由于战争的伤亡性，传感器节点将取代人去执行一些危险任务，如监控我军兵力、装备和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击。第一章无线传感器网络概述无线传感器网络介绍——应用前景环境监测和保护。在监测区域撒播大量的无线传感器节点，并提高环境监控的覆盖范围、精度和实时性。包括跟踪生物种群，监测水位水质，预警火灾、地震、泥石流和台风等灾害。还可用于海洋、深空等环境工业监控与故障诊断。通过无线传感器网络可方便地对煤矿、石油钻井、核电厂和组装线工作的设备和员工进行监控和诊断，保障设备安全和员工人身安全智能农业。在农业领域无线传感器网络有着卓越的技术优势。它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智能家居。智能家居系统的设计目标是将住宅内的各种家居设备联系起来，使各个家居设备能够自动运行，相互协作，为居住者提供尽可能多的便利和舒适第一章无线传感器网络概述无线传感器网络介绍——应用前景医疗健康与监护。无线传感器网络节点微小的特点在医学上有特殊的用途。可以利用传感器监测病人的心率和血压等生理特征，以随时了解病人的病情进行及时有效地处理。并可以利用传感器网络长期不间断地收集医学实验对象的生理数据，为医学研究提供依据。智能交通系统。可通过运用大量传感器网络，并配合GPS系统、区域网络系统等资源，优化交叉路口信号灯控制，提供车辆诱导，缓解道路拥堵，提高驾驶安全。智能仓储物流。利用无线传感器网络的多传感器高度集成，以及部署方便、组网灵活的特点，可用来进行粮食、蔬菜、水果、蛋肉存储仓库的温度、湿度控制，中央空调系统的监测与控制，以及厂房环境控制，特殊实验室环境的控制等。第一章无线传感器网络概述无线传感器网络介绍——应用前景智慧城市通过物联网基础设施、云计算基础设施、地理空间基础设施等新一代信息技术以及百科、社交网络、综合集成等工具和方法的应用，实现全面透彻的感知、宽带泛在的互联、智能融合的应用。知识社会环境下的智慧城市是信息化城市发展的高级形态。智慧城市的建设覆盖诸多领域，交通、医疗、安防、社区、电网等等都是智慧城市建设中不可或缺的部分。其中智慧社区、智能家居是与人最为密切相关的部分，是智慧城市建设的必经步骤。第一章无线传感器网络概述无线传感器网络介绍——应用前景智慧城市：2010年，IBM正式提出了“智慧城市”远景：城市六个核心系统组成：组织（人）、业务/政务、交通、通讯、水和能源。国内不少公司也提出有关智慧城市的架构体系，如“智慧城市4+1体系”，已在城市综合体智能化（如株洲神农城）、天津智慧和平区等智能化项目中得到应用。2013年1月国家住建布提出了建设智慧城市的首批名单：包括北京、石家庄、无锡、温州等90个城市通过审核，正式成为国内首批试点智慧城市。第一章无线传感器网络概述无线传感器网络介绍——应用前景住建部1月29日宣布，北京市东城区、江苏省无锡市、河北省石家庄市、浙江省温州市等90个城市通过审核，成为首批国家智慧城市试点。在90个试点中，37个地级市，50个区（县），3个镇。试点城市将要在3-5年完成创建此后由相关部门组织评估并进行等级评定。评定等级将由低到高分为一星、二星和三星。住建部与国家开发银行签订合作协议，未来三年，住建部与国家开发银行合作投资智慧城市，资金规模将达800亿，同时推进智慧城市试点项目的遴选、调查、发款等工作。除了通过审批试点的90个城市，目前还有近三百个城市已经开始建设智慧城市项目，而未来几年将有600-800个城市打造智慧城市，预计国家在“十二五”期间用于建设智慧城市的投资规模将达5000亿元，而带动相关产业发展的市场规模预计将在2万亿元左右，前景非常广阔。第一章无线传感器网络概述无线传感器网络体系结构可以从这几个角度来认识无线传感器网络的系统结构：无线传感器网络的节点结构无线传感器网络的软件体系结构无线传感器网络的网络拓扑结构无线传感器网络的协议结构第一章无线传感器网络概述无线传感器网络体系结构——节点结构传感器节点通常用于部署，其成本低廉、重量轻，同时支持一些基本的功能，如事件检测、分类、追踪以及汇报，在一般情况下，节点支持以下功能：动态配置，以支持多种网络功能；节点可以动态配置成网关、普通节点等；远程可编程，以便增加新的功能，如支持新的信号处理算法；定位功能，以便确定自己的绝对或者相对位置，如利用全球定位系统（GlobalPositionSystem，GPS）；支持低功耗的网络传输；支持长距离通信的能力，以便数据传输，如网关之间的通信。第一章无线传感器网络概述无线传感器网络体系结构——节点结构主要组成部分：数据采集模块(传感器、信号调理、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(射频收发器)能量供应模块(电池及电源管理模块)可以选择的其他功能单元：定位模块移动模块电源自供电模块无线传感器网络的系统结构——节点结构第一章无线传感器网络概述第一章无线传感器网络概述无线传感器网络的系统结构——软件结构最靠近基础硬件并对各种软硬件资源进行管理的是操作系统，无线传感器网络操作系统一般采用事件驱动的组件设计模式，完整的系统由调度器和分层组件组成每一类完整的无线传感器网络的软件结构，都需要有面向特定应用的业务逻辑部分软件。可根据传感器网络节点采集的数据的类型、特性、用途和用户的需要对数据进行特定的处理在现代的无线传感器网络软件体系中，还会设计处理分布系统所特有功能的软件，形成无线传感器网络中间件软件，用于支撑各种应用管理信息安全无线传感器网络应用程序无线传感器网络应用支撑技术无线传感器网络操作系统无线传感器网络软件中间件军事侦察环境检测医疗保健仓储物流。。。第一章无线传感器网络概述无线传感器网络的系统结构——软件结构第一章无线传感器网络概述无线传感器网络的系统结构——网络拓扑结构平面网络结构分级网络结构混合网络结构Mesh网络结构无线传感器网络的系统结构——网络拓扑结构平面网络结构：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特性第一章无线传感器网络概述无线传感器网络的系统结构——网络拓扑结构分级网络结构：分级网络结构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。这种网络拓扑结构扩展性好，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第一章无线传感器网络概述无线传感器网络的系统结构——网络拓扑结构Mesh网络结构：Mesh网络结构是一种新型的无线传感器网络结构，该结构是规则分布的网络结构，该结构中通常只允许节点和节