物联网技术-第4章-无线传感器网络

第4章无线传感网4.1无线传感器网络概述4.3无线传感器网络体系结构4.4无线传感器网络技术体系4.2无线传感器网络发展4.1无线传感器网络概述一、什么是传感器网络计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。所谓无线网络，就是利用无线电波作为信息传输的媒介构成的无线局域网（WLAN），与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份。4.1无线传感器网络概述传感器节点实物示例传感器网络物联网CPS4.1无线传感器网络概述无线网络有基础设施网无基础设施网移动Adhoc网络无线传感器网络有基础设施的网络需要固定基站,如使用的手机，属于无线蜂窝网，需要高大的天线和大功率基站来支持，基站就是最重要的基础设施；使用无线网卡上网的无线局域网，由于采用了接入点这种固定设备，也属于有基础设施网。4.1无线传感器网络概述无基础设施网-无线Adhoc网络节点是分布式的，没有专门的固定基站。无线Adhoc网络分为两类:一类是移动Adhoc网络(MobileAdhocNetwork,简称MANET)，终端是快速移动的。另一类就是无线传感器网络,节点是静止的或者移动很慢。4.1无线传感器网络概述WSN-WirelessSensorNetworks基础微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术解释1由部署在观测环境附近的大量的微型廉价低功耗的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的无线网络系统。4.1无线传感器网络概述解释2：传感器网络是由一组传感器以特定方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布給观察者。无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。“无线传感器网络”术语的标准定义传感器技术计算机技术通信技术感官大脑神经现代信息技术信息系统无线传感器网络传感器网络的三个基本要素：传感器，感知对象，观察者传感器网络的基本功能协作地感知、采集、处理和发布感知信息4.1无线传感器网络概述传感器网络的特点大规模网络：地理区域大；部署密集提高信噪比；提高监测精度；增强容错性；减少盲区自组织网络：不确定性；拓扑结构变化多跳路由：通信距离有限，无专门路由设备动态拓扑：节点故障；通讯故障；移动性；节点加入可靠网络：适应环境条件；鲁棒性、容错性应用相关：没有统一的通信协议平台以数据为中心4.1无线传感器网络概述传感器节点的限制电源能量有限通信能力有限计算和存储能力有限4.1无线传感器网络概述传感器网络概述－与adhoc的不同WSN结点数量更为庞大多数节点为静止节点分布更为密集能量约束结点更容易出错拓扑结构变化频繁Adhoc几十至上百个节点局域网节点全移动结构变化（移动）能量可连续提供点到点通信4.1无线传感器网络概述第一阶段最早可以追溯二十世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。胡志明小道胡志明小道4.2无线传感器网络发展热带树热带树轰炸机4.2无线传感器网络发展•传感器仅产生探测数据流•传感器无计算能力•传感器之间不能相互通信SensorsObject信号分析传统感知方法的特征有线/无线连接4.2无线传感器网络发展第二阶段感知能力＋计算能力＋通信能力1999年商业周刊将传感器网络列为二十一世纪最具影响的21项技术之一。二十世纪80年代至90年代之间4.2无线传感器网络发展第三阶段21世纪开始至今2001911事件2002橡树岭实验室提出“网络就是传感器”。20032006美国《技术评论》杂志评出深远影响人类未来生活的十大新兴技术，传感器网络列为第一。我国发布《国家中长期科学与技术发展规划纲要》。4.2无线传感器网络发展现代感知方法SensingAreaObjectUser端•传感器网络覆盖感知对象区域•每个传感器完成其临近感知对象的观测•多传感器协同完成感知区域的大观测任务•使用多跳路由算法向用户报告观测结果SinkInternet或通信卫星SensornetworkUser端4.2无线传感器网络发展巨型机小型机工作站PCPDAWSN节点等生物芯片计算设备的演化历史4.2无线传感器网络发展网络的发展（一）民事应用大鸭岛海燕监测无人干扰监测鸟巢海燕大鸭岛桥梁监测道路交通智能停车场物流系统列车铁轨高速公路系统韩国济州岛智能渔场克尔斯博公司浙江温州的奶牛牧场沈阳玫瑰园二零零八年五月十二日汶川地区发生强烈地震（二）军事应用联合国维和部队伊拉克微型感应传感器网络核武器和生化武器美军未来战斗系统的战场警戒示意图传感器节点通行车辆枪声定位反恐系统F-22猛禽战斗机美国F-22猛禽战斗机机外传感器网络宽（英尺）长（英尺）美军“沙地直线”项目无线链路目标探测、分类和跟踪传感器节点传感器节点密封形封装罩节点封装示例（一）特点：表面光滑可以滚动自动调整姿态位置万向节固定架设计节点封装示例（二）锥形罩特点：底基重量大自正位“悬垂钟摆”式电路板飞机抛撒基于传感器网络的精准农业监测系统提纲引言精准农业无线监测系统感知节点网关节点精细农业精准农业（PrecisionAgriculture）是按照田间每一操作单元（区域、部位）的具体条件，精细准确地调整各项土壤和作物管理措施，最大限度地优化使用各项农业投入，以获取单位面积上的最高产量和最大经济效益，同时保护农业生态环境，保护土地等农业自然资源。农田信息获取农田信息管理和分析决策分析决策的田间实施农田信息获取基于3S技术的精准农业应用地理信息系统将已有的土壤和作物信息资料整理分析，作为属性数据，并与矢量化地图数据一起制成具有实效性和可操作性的田间管理信息系统。在此基础上，通过GIS、GPS、RS和自动化控制技术的应用，按照田间每一操作单元（位点）上的具体条件，相应调整投入物资的施入量基于传感器的精准农业利用实时传感器，测定所需的特性，如土壤特性、作物特性等，这些信息经过快速处理后，直接用于控制变量管理机具传感器网络在农业中的应用Intel实验室将传感器网络应用于葡萄园，开展了“wirelessvineyard”项目荷兰Delft科技大学开展了LofarAgro项目，使用无线传感器网络监测马铃薯大田的小气候，指导农户预防马铃薯真菌疾病crossbow公司设计了eKo平台，并将其应用在Camalie葡萄园，通过监测葡萄园的温湿度和土壤水份项目背景国家科技支撑计划项目“西部优势农产品生产精准管理关键技术研究与示范”根据西部的苹果、猕猴桃、甜瓜、番茄、丹参等优势农作物发展需求，综合现代农业科技与新型信息技术，正在开展适应西部干旱半干旱生态环境、面向优势农作物的农业生产精准管理技术研究。项目研究优势农产品生长模型与无线测控系统相协调、远程信息服务和基地生产集成与示范相结合的精准管理手段基于传感器网络的精准农业监测系统网关节点农业服务中心土壤水份土壤温度感知节点数采设备通信服务器网关节点日光温室大田SMS空气温湿度光照二氧化碳感知节点组成感知节点是精准农业无线监测系统的基本组成单位，部署在温室、大田现场，采集小气候数据和土壤数据，由电池驱动，通过无线方式将数据发送到网关节点SPI接口RF2302.4GHz（ZigBee）无线通信模块UART0二氧化碳传感器温、湿度传感器光照传感器ATmega1281土壤水份、温度传感器内部JTAG接口外部10针JTAG插口ADCI2C感知节点软件功能TinyOS节点自检应用功能数据上传组网路由时钟同步系统管理数据采集能量管理组网数据汇聚数据分发广播端到端可靠传输睡眠唤醒拓扑维护参数设置代码更新状态上报应用管理网关节点组成网关节点是将传感器网络与外部Internet相连的中介，为典型的嵌入式系统。网关节点通过ZigBee通信模块接收传感器网络的数据，并通过GPRS或有线方式将将打包数据发送到远端通信服务器PXA270处理器地址和数据总线CF接口存储器控制FFUARTBUART电源管理USBHOSTJTAGGPIO无线网卡ZigBee通信模块GPRS通信模块FLASHSDRAM以太网USBHOSTRA网关节点软件功能Linux网络拓扑维护消息处理消息组装数据通信系统管理消息解析电源管理数据统计数据上报协议交互节点状态维护节点代码更新节点参数设置系统配置农户管理预警信息发送手机信息维护sink-汇聚点sensornode-传感器节点sensorfield-监测区域4.3无线传感器网络体系结构传感器网络的常用逻辑结构图传感器1传感器2传感器N无线链路无线接口模块…监控主机4.3无线传感器网络体系结构传感器节点功能：采集、处理、控制和通信等网络功能：兼顾节点和路由器资源受限：存储、计算、通信、能量Sink节点功能：连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的数据。特点：连续供电、功能强、数量少等4.3无线传感器网络体系结构感知能力＋计算能力＋通信能力体积小能耗小传感器节点实物示例传感器节点传感器模块：信息采集、数据转换处理器模块：控制、数据处理、网络协议无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据能量供应模块：提供能量传感器网络节点的结构1、节点的体系组成从无线联网的角度来看，传感器网络节点的体系由分层的网络通信协议、网络管理平台和应用支撑平台三个部分。网络体系结构能源管理平台：管理传感器节点如何使用能量；移动管理平台：检测和注册传感器节点的移动，维护到汇聚点的路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居；任务管理平台：在一个给定的区域内平衡和调度监测任务物理层数据链路层网络层传输层应用层能量分配移动管理任务管理节点的体系组成应用业务、安全性介质访问、功率管理、帧格式可靠性、流量控制、吞吐量信道编码、无线传输、调制解调连接/无连接、路由、可达性物理层数据链路层网络层传输层应用层IEEE802.15.4类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系，它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。网络通信协议通信能力有限节点带宽窄，而且经常变化节点通信覆盖范围只有几十到几百米，而且经常变化挑战之一如何在如此有限通信能力的条件下,高质量地完成感知数据的查询、分析、挖掘与传输？在传感器网络环境下，发现最小化算法通信复杂性的机理是我们面临的第一个挑战问题！3.3无线传感器网络关键技术多源、多跳是主要通信方式多个传感器节点向一个目标传送信息一次多源信息传输需要多条由多个传感器节点组成的路径挑战之二如何为多源信息传输选择优化通信路径？在传感器网络环境下，建立选择优化或近似优化通信路径的理论是我们面临的第二个挑战问题！节点移动、断接频繁在移动网络中，节点移动频繁节点间通信的断接频繁，导致通信失败.经常受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响,因此传感器可能会长时间脱离网络,离线工作挑战之三通信路径重构成为突出问题？路由算法必须具有自适应性？如何建立网络随机连通性的数据理论，为通信路径重构和自适应路由算法设计奠定坚实理论基础是我们面临的第三个挑战问题？电源能量有限传感器的电源能量极其有限由于电源能量的原因经常失效或废弃电源能量约束是传感器网络应用的障碍现有电源部件不能满足传感器网络的需要传感器传输信息比执行计算更消耗电能传感器传输1位信息需要的电能足以执行3000条计算指令挑战之四如何传感器网络在工作过程中节省能，实现能源均衡，最大化网络生命周期？建立能源复杂性和能源均衡理论是我们面临的第四个挑战性问题！计算能力有限传感器网络中传感器通常