概述 《无线传感器网络技术》

无线传感器网络郝洁南京航空航天大学办公室：计算机学院104电子邮件:[e-mail]1课程目标2通过本课程的学习，了解无线传感器网络的关键技术、现状及前景。课程将讲授无线传感器网络典型应用、体系结构、组网、软件、支撑技术的基本原理、关键技术、设计方案及其应用。通过本课程的学习，要求学生理解无线传感器网络中的主要问题和核心技术，结合实验课程学习无线传感网应用开发为以后的学习和工作打下基础。课程内容32课时•第一部分无线传感器网络综述•第二部分无线传感器网络体系架构•第三部分通信和组网技术•第四部分支撑技术•第五章通用技术等3参考文献•国际杂志–综述性质•IEEECommunicationsMagazine–AdHocandSensorNetworkSeries•IEEENetworkMagazine•IEEEWirelessCommunications–学术研究：•IEEE/ACMTransactionsonnetworking,•Computernetworks•IEEETransactionsonWirelessCommunications•IEICETransactionsonCommunications•(ACM/Springer)WirelessNetworks•AdHocnetworks•IEEETransactionsonMobileComputing•国际会议–ACMSIGCOMM,Mobicom,Mobihoc–IEEEINFOCOM、ICNP、Sensys,SECON,MASS，IPSN、ICC、GLOBECOM、ICCCN，WCNC、VTC•中国期刊网–通信学报、电子学报、软件学报、计算机学报等4参考网址••••第一章无线传感器网络综述•WSN定义•WSN国内外现状•WSN国内外标准化•WSN发展趋势61.1WSN定义什么是无线传感器网络（WSN,WirelessSensorNetwork）？你知道的应用有哪些？我们为什么需要WSN？7Ref:体系架构通信协议8定义•无线传感器网络（Wirelesssensornetworks）是由大量静止／移动的传感器以自组织和多跳的方式构成无线网络，目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。•传感器技术、计算机技术和通信技术是现代信息技术的三大基础技术9无线传感器网络无线网络：有基础设施网（无线分组网）无基础设施网adhoc网络WSN无线网络的发展历程：无线分组网-无线自组网-无线传感器网络10无线分组网•分组无线网是一种利用无线信道进行分组交换的通信网络，即网络中传送的信息要以“分组”或者称“信包”为基本单元。•分组是由若干比特组成的信息段。通常包含“包头”和“正文”两部分。•包头中含有该分组的源地址、宿地址和有关路由等信息等。正文是真正需要传送的信息。•适用特点：分组无线网特别适用于实时性要求不严和短消息比较多的数据通信。•网络结构：星形结构分布式结构11无线自组网•IEEE将无线自组网定义为一种特殊的自组织、对等式、多跳、无线移动网络（MANET），它是在无线分组网的基础上发展起来的•无线自组网有多个英文名称，如Adhocnetwork、Self-organizingnetwork、Infrastructurelessnetwork与Multi-hopnetwork•1991年5月，IEEE正式采用“Adhoc网络”术语•Adhoc在英语中的含义是“forthespecificpurposeonly”，即“专门为某个特定目的、即兴的、事先未准备的”意思12无线自组网的基本概念•Adhoc网络物理结构与拓扑结构•自组织与独立组网•无中心•多跳路由•动态拓扑•无线传输的局限与节点能量的限制性•网络生存时间的限制N1(a)Adhoc的物理结构与拓扑结构N2N3N4N5N1N2N3N4N5(b)改变后的Adhoc的物理结构与拓扑结构N1N2N3N4N5N1N2N3N4N513无线传感网络微机电技术MEMS无线通信技术传感器Sensor无线传感器无线传感器网络WSN无线分组网PRNET无线自组网Adhoc微型智能传感器UGSLWLMSmartDust14我们为什么要学习传感网？传感网是物联网的感知技术•学术界、产业界对“物联网”尚未形成一个统一的定义•物联网(IoT,InternetofThings)指的是将各种信息传感设备,如射频识别(RFID)装置、传感器等种种装置与互联网、移动通信网结合起来而形成的一个巨大“物—物”互联网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起,方便识别和管理•物联网感知物理世界!–强调的是“感”和“知”两个层面1516传感网与物联网的关系(续)16ITU提出：传感网是物联网的底层支撑，IEEE、ISO、IEC等标准化组织认可未来“U社会”与“e社会”的根本差别综合信息服务：集感知、计算、传输为一体感知层应用层管道：仅仅只是带宽的增加（信息的传输）核心网络传感网与物联网的关系(续)两者的不同之处:内涵不同传感网更多的强调的是通过传感器实现感知、自治互联、数据上报；物联网则是传感网、RFID与互联网、蜂窝网以及现有其它通信网络设施高效融合的产物；物联网实现的是物与物、人与物、人与自然之间的对话与交互，是连接虚拟信息世界与物理世界的网络系统。体系架构不同物联网从宏观上看在网络架构上可以分为三层：感知层、网络层和应用层；传感网只是其中的一层。发展阶段不同传感网是物联网的初级阶段，物联网是由传感网泛在化发展的高级阶段，而传感网与互联网、蜂窝网等的融合是物联网发展的必经阶段物联网的发展大致需要经历独立的传感网、传感网泛在化和物联网融合深化发展三个过程，最终形成一个融合传感网、互联网、移动蜂窝网等现有主要通信网络的全面感知高度智能网络17第一章无线传感器网络综述•WSN定义•WSN应用和行业现状•WSN国内外标准化•WSN发展趋势18传感器网络的各种应用•无线传感器网络（WSN,WirelessSensorNetwork）将大量各种传感器节点组成网络，形成实现对物理世界感知的综合信息系统。•雷达、卫星等：宏观远程侦察；传感网：微观近距侦察•移动通信网络：人人互联；传感网：人与物、物与物互联•互联网：虚拟信息空间；传感网：现实物理世界•物联网：连接；传感网：感知1920传感器网络的应用——军事21——短距感知、抵近侦察无线传感网是对雷达和卫星等远程侦察手段的有益补充，为部侦用户提供有力的技术手段。•大量传感节点对目标进行短距协同感知,将是传统侦察手段的有益补充。传感器网络的应用——军事22军用无线传感网战场感知系统的优点•多传感器节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比；•传感网低成本、高冗余的设计与部署原则为系统提供较强的容错能力；•传感器对目标的抵近探测大大消除了环境噪声对感知性能的影响；•传感网中多传感器的联合应用与融合决策有利于提高探测准确度；•多节点协同感知，可以加大实时探测区域；23传感器网络的应用——环境•森林火险监测•洪水监测•精确农耕•大气监测•环境的生物复杂性地图24传感器网络的应用-健康•远程监控人体的生理数据（心脏速率、血压）–采集的数据通过网络送到负责病人的主管医生–病人获得极大的行动自由度•跟踪和监督医院内的病人和医生•医院的药物管理•正确地识别病人的敏感反应避免误诊•老人家庭环境下的护理(tele-care)–随着社会老龄化的加剧而日趋重要25智慧医疗意义•可以随时掌握自己的健康状况病人•通过电子病历对患者病源的判断进行治一致性治疗，提升诊断的准确性医生•通过系统获得大量准确的医疗信息和大量高质量的有效案例，既可以对大规模的疾病爆发做出准确的预测，更能够推进国家医疗行业的发展医疗研究人员•实现及时和准确的药品配送而节省大量成本药物供应商•高效、高质量的智慧医疗解决现在城乡医疗资源不平衡，和大医院的拥挤情况，政府付出更少的成本去提高对于医疗行业的监督，提高国民的生活质量，促进社会和谐发展管理系统2627传感器网络的应用-家居当前家居环境存在的问题•家居能耗过高•家庭安防手段落后•家用电器使用不便28海尔“物联之家”2930传感器网络的应用-智能楼宇31传感器网络的应用-商用32传感器网络的应用-智能交通33传感器网络的应用-电力输送能源输送•在电度表上装上传感器，供电部门随时都可知道用户的用电情况。•江西省电网对分布在全省范围内的2万台配电变压器的运行状态进行实时监测，实现用电检查、电能质量监测、负荷管理、线损管理、需求侧管理等高效一体化管理，一年降低电损1.2亿千瓦时。34传感器网络的应用-桥梁监控桥梁监控35WSN在地震监测中的应用地震预测•1.大量、长期、自动化采集数据•2.大范围，低成本，高准确•3.实时性，连续获取地震前兆数据美国国家地震系统(AdvancedNationalSeismicSystem)分布及未来•布设由7000个地震传感器系统组成的国家范围网络，为全国提供地震灾害服务，密集覆盖26个危险城市地区北加州地震网络（NorthernCaliforniaSeismicNetwork，NCSN）•目的：–NCSN用来监测所有的信号强度在微弱震动以上的本地地震•组成–NCSN在加州北部和中部布设了412座站点，另外有其它4个机构的100座站点，分别装备以下四类节点•短周期模拟•宽频带•强震动•井下36WSN在地震监测中的应用地震预警震源城市距离：120km地震传感器检测到P-Wave如上图所示：位于城市的地震传感器当接收到距城市120km外的震中地区传递过来的P-Wave时，将从P-Wave中提取的地震信息传递给城市的地震预警中心。由于P-Wave和S-Wave之间的速率差，因此地震预警能在S-Wave到达前40秒对城市进行地震警报。P-Wave6.5km/sS-Wave3.5km/s日本、墨西哥、台湾等地震预警系统的应用37WSN在地震监测中的应用地震预警土耳其(IstanbulEarthquakeRapidResponseandEarlyWarningSystem)墨西哥（SeismicAlarmSystem）1991年8月投入使用，2005年发明了一种新型地震预警系统台湾（TaiwanRailwaySystem）38WSN在地震监测中的应用预警之外的应用场景•除了提前预警之外，基于WSN的地震预警系统可用于灾后搜救。–利用桥梁、隧道、公路等关键部位传感器，城市指控中心能够在灾后第一时间为救援队提出合理的救援线路；–灾后重建中，基于WSN的地震预警系统为重建人员提供宝贵的建筑经验：传感网地震发生过程中建筑物“摇晃～倒塌”整个过程的力学情况（类似于黑盒子）–可对震后危险建筑物进行预警并进行局部维修。–……39地震次生灾害监测40自动抄表41感知边疆Massiveapplications!4243传感器网络国内重要行业的需求调研电力安全智能交通我国机动车拥有量以每年10%以上的速度增长,预计2010年达到1.3亿多辆。道路交通设施及管理设施虽然有较大改观,但跟不上机动车增长速度，总体水平与发达国家有较大差距。公安部统计07年全国运营车辆1400万，按17％增长率，2010年达2300万，车载传感网终端需求将超过100亿元。智能交通传感网基础设施建设需求将更为巨大。平安家居高档收入家庭1400万，其他城镇家庭1