彭力-物联网概论-第3课 WSN

1本书内容框架一、绪论（1、10）二、射频识别技术技术（2）三、无线传感器网络技术（6）四、无线单片机技术和传感器技术（4、5）五、无线通信系统和远程通信技术（3、8）六、短距离无线通信技术（7）七、智能信息处理技术（9）八、本课程考试2第三课、WSN技术江南大学物联网工程学院吴治海Email:[e-mail]:18251547729Address:C4232011-9-20本节课主要内容提纲基本概念体系结构主要特征关键技术现状挑战41.基本概念无线传感器网络（wirelesssensornetwork,WSN）是一种集成了传感器技术、微机电系统技术、无线通信技术和分布式信息处理技术的新型网络技术。通过节点间的协作对监控区域的环境或检测对象的信息实时感知、采集和处理，并将处理后的信息传送到感兴趣的网络终端用户，从而使之成为Internet从虚拟世界到物理世界的延伸，成为逻辑上的信息世界与真实物理世界的连接桥梁，将信息世界与物理世界融为一体。51.基本概念无线传感器网络就是由部署在检测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。62.体系结构构成WSN的三要素：无线传感器、感知对象、观察者。无线是传感器与观察者之间、传感器与传感器之间的通信方式，能够在传感器与观察者之间建立通信路径。72.体系结构无线传感器网络的结构汇聚节点82.体系结构传感器节点包括：传感单元、数据处理单元、网络通信单元、能源（电池）。（GPS定位装置和移动装置）92.体系结构102.体系结构传感器节点功能：采集、处理、控制和通信，兼顾节点和路由器特点：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。112.体系结构无线传感器网络的工作流程借助于节点内置的形式多样的感知模块测量所在环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波等信号，从而探索包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物质现象；节点的处理模块则完成对数据进行简单的处理，再采用微波、无线、红外和光等通信形式，通过多跳中继方式将监测数据传送到汇聚节点，汇聚节点将接收到的数据进行融合及压缩后，最后通过因特网或其他网络通信方式将监测信息传送到管理节点。同样，用户也可以通过管理节点进行命令的发布，通知传感器节点收集制定区域的监测信息。122.体系结构无线传感器网络协议栈的结构132.体系结构物理层：负责数据传输介质的规范，规定工作频率、信号调制、编码等标准，目标是设计低成本、低功耗、小体积的传感器节点；数据链路层：负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制，减小能量消耗；网络层：主要负责路由发现、路由维护和路由选择；传输层：负责数据流的传输控制，数据格式的转换；应用层：包括一系列基于监测任务的应用层软件。142.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：记录和检测传感器节点的移动，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。153.主要特征☆与现有无线网络的区别：传感器网络集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目庞大（上千甚至上万），节点分布更密集，因环境影响和能量耗尽，更容易出现故障。节点通常固定不动。环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化。节点能量、处理能力、存储能力、通信能力有限。不同于传统无线网络的高服务质量和高效的带宽的利用的目标，节能是其设计的首要目标（最重要区别）。163.主要特征WSN结点数量更为庞大多数节点为静止能量有限拓扑结构被动变化Adhoc几十至上百个节点节点全移动能量可连续提供拓扑结构主动变化173.主要特征☆传感器节点的限制：1.电源能量有限※节点体积微小，决定其携带的化学电池能量有限。※节点个数多、成本低、部署区域环境复杂（人员不能到达），决定更换电池补充能量的策略不现实。※当前工业水平限制，决定用太阳能电池、微光电池、生物能电池、地热电池等可以从自然界中汲取能量转换为电能的电池来代替化学电池，实现能量自补充的策略也不现实。※从传感器网络的特性出发，使用新的分簇算法、路由协议，通过减小节点能量消耗来延长（最大化）网络生命周期是当前研究的一个重点。183.主要特征※传感器节点消耗能量模块：传感器模块（低）；处理器模块（低）；无线通信模块（高：约80%）。—》传输信息要比采集信息、处理信息更消耗电能。※无线通信模块的四种状态：发送：消耗能量最大；接收：消耗能量低；空闲：一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，接近接收状态能耗；睡眠：关闭通信模块，消耗能量最少。—》如何让网络通信更有效，减小不必要的转发和接收，不需要通信时尽快进入睡眠状态，是减小能耗的重要策略。193.主要特征☆传感器节点的限制：2.通信能力有限※无线通信消耗能量与传输距离之间的关系：E=Kd.^n,2n4。传感器节点部署贴近地面，障碍物多、干扰大，n取值越大。n通常取为3。随着通信距离增加，能量急剧消耗。—》在满足通信连通度的前提下应尽量减小通信距离。一般情况下，无线通信半径小于100米比较合适。※节点能量限制和网络覆盖范围大—》采用多跳路由的传输机制。※节点无线通信带宽有限（速率仅几百kb/s)；高耸建筑物、障碍物、风雨雷电等自然环境影响节点的能量变化，无线通信性能经常变化，频繁出现通信中断。—》如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是一个挑战。203.主要特征☆传感器节点的限制：3.计算和存储能力有限※采用低功耗电路和新型系统设计技术，开发超低功耗微处理器，降低微处理器的绝对功耗。※处理器的动态能量管理（dynamicpowermanagement,DPM)：当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低功耗的睡眠状态。※处理器的动态电压调节(dynamicvoltagescaling,DVS):当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率来降低处理能力，从而节约微处理器的功耗。213.主要特征☆无线传感器网络的其它特点：1.动态性强（网络拓扑结构易变）：※环境因素、电能耗尽导致节点故障或实效；环境变化导致无线通信链路带宽变化，时断时通；传感器、感知对象和观察者的可能移动；新加入节点。—》系统可重构性。2.网络规模大、密度高：※提高检测精确性，减小对单个节点精确性的依赖；大量冗余节点协同工作，提高容错性，增大覆盖区域，减小盲区。—》Trade-off:费用和精确性、费用和容错性。223.主要特征☆无线传感器网络的其它特点：3.可靠性：※恶劣环境、随机撒播、炮弹发射，要求硬件必须坚固；防盗防伪，要求通信保密性和安全性。—》软硬件都要有鲁棒性和容错性。4.应用相关：※应用背景不同，硬件平台、软件系统和网络协议也不同。—》针对具体应用研究无线传感器网络技术（无线传感器网络设计不同于传统网络的显著特征）。5.以数据为中心：※关注点是某个区域某个观测指标的值，不是去关心具体某个节点的观测数据。—》要脱离传统网络的寻址过程，快速有效地组织其各个节点的信息并融合出有用的信息传送给用户。234.关键技术1.能源管理：※采用节点休眠调度策略，使节点轮流工作与休眠；动态功率调节、数据融合、能量高效的介质访问控制（medialaccesscontrol,MAC)协议和路由设计、拓扑控制。2.网络自组织与自我管理：※三种拓扑结构：基于簇的分层结构、基于网的平面结构、基于链的线结构；依据节点的能量水平，合理地分配任务，有效延长网络寿命；当节点失效时，重新生成拓扑。3.拓扑控制：※良好的拓扑控制策略，可以提高MAC协议和路由协议的效率，给数据融合、时间同步、目标定位奠定基础，有利于节省能量，延长网络寿命。244.关键技术4.定位技术：※位置信息必不可却，节点采集的数据必须与其位置信息相结合才有意义；了解节点位置信息，可以提高路由协议效率，为网络提供命名空间服务，向部署着提供覆盖质量，实现网络的负载均衡和网络的自配置；5%-10%节点装配GPS模块+定位算法，获取自身精确位置信息。5.数据融合：※节省网络带宽，提高能量利用率，降低数据冗余度。6.时间同步：※确保正确监测事件发生的次序。7.跨层设计：※通过层与层之间交流信息实现网络的全局性能最优（分层结构设计一般只能获取局部最优性能）。254.关键技术8.网络安全：※物理层：采用高效的加密算法和扩频通信减少电磁干烧；数据链路层与网络层：采用安全协议；应用层：采用密钥管理和安全组播。9.嵌入式操作系统：※并发性密集：可能存在多个需要同时执行的逻辑控制，这需要操作系统能有效地满足这种发生频繁、并发程度高、执行过程比较短的逻辑控制流程；节点模块化程度高，要求操作系统能让应用程序方便地对硬件进行控制，保证在不影响整体开销的前提下，应用程序中的各个部分能比较方便地进行重新组合。10.应用层技术：※确保各种传感器网络应用系统的开发和多任务之间的协调，为应用系统的开发提供有效的软件开发环境和软件工具。265.现状挑战影响力☆美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展报告中将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。☆《商业周刊》预测的未来4大新技术中，无线传感器网络列入其中。☆美国的《技术评论》将无线传感器网络列为未来十大新兴技术之首。275.现状挑战285.现状挑战295.现状挑战学术和科技界在美国自然科学基金委（NSF）推动下，很多高校开展研究英国、意大利、日本等国的大学和研究机构学术科技界的研究集中在网络技术、通信协议、感知数据查询处理技术和应用试验等方面305.现状挑战315.现状挑战军事领域美国陆军的研究计划“灵巧传感器网络通信”（2001－2005，通用通信基础设施）“无人值守地面传感器群”（支持陆军更广阔视野）“战场环境侦察与监视系统”（侦察和情报）美国海军的研究计划“传感器网络系统”（战术和战略级的传感器信息管理）“网状传感器系统CEC（Cooperativeengagementcapability)(装载在舰艇和战斗机群上，进行高精度侦察）美国国防部SmartSensorWeb，5个尖端研究领域之一（以Web为中心的传感器信息分发和融合网络）美国Sandia国家实验室和能源部（发现对地铁、车站的生化武器袭击）325.现状挑战335.现状挑战传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合军事上的应用。通过飞机或炮弹直接将传感器节点散播到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感网络，就能隐蔽而且近距离的准确收集战场信息。例:传感器网络已经成为美军事C4ISRT(Command,Control,Communication,Computing,Intelligence,SurveillanceandTargeting)系统必不可少的一部分。345.现状挑战民用领域美国交通部国家智能交通系统项目规划，1995开始，2025投入使用（用传感器网络进行地面交通管理）Intel公司基于微型传感器网络的新型计算发展项目，2002发布开发超微型传感器MOTE（尘粒）Smartdust(智能灰尘）355.现状挑战环境观测和预报系统可以用于检视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表监测、气象和地理研究、洪水监测等。例：ALERT系统中就有用于监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。365.现状挑战医疗护理用于人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。例：一个可以成像的