无线传感器网络

南京信息工程大学信息与控制学院仪器系传感器技术任课教师：刘佳Tel：13951754608Email：[e-mail]无线传感器网络无线传感器网络（wirelesssensornetwork,WSN）是由部署在监测区域内大量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，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。信息与控制学院仪器系21.传感器网络结构传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。信息与控制学院仪器系31.传感器网络结构信息与控制学院仪器系4任务管理中心Internet、卫星或移动通信网络等汇聚节点监测区域传感器节点1.传感器网络结构传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。信息与控制学院仪器系51.传感器网络结构汇聚节点汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。信息与控制学院仪器系62.传感器节点结构传感器节点结构传感器模块：负责监测区域内信息的采集和数据转换处理器模块：负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据无线通信模块：负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据能量供应模块：传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池信息与控制学院仪器系72.传感器节点结构传感器节点结构信息与控制学院仪器系83.传感器网络协议栈传感器网络协议栈右图是早期提出的一个协议栈，这个协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。协议栈还包括能量管理平台、移动管理平和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，支持多任务和资源共享。信息与控制学院仪器系93.传感器网络协议栈传感器网络协议栈物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；网络层主要负责路由生成与路由选择；传输层负责数据流的传输控制；应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。信息与控制学院仪器系103.传感器网络协议栈右图所示的协议栈细化并改进了原始模型。定位和时间同步子层在协议栈中的位置比较特殊。它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持。右边的诸多机制一部分融入到上图所示的各层协议中，用以优化和管理协议流程；另一部分独立在协议外层，通过各种收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。信息与控制学院仪器系114.传感器节点的限制信息与控制学院仪器系12电池能量有限1通信能力有限2计算和存储能力有限35.传感器网络的特点（1）大规模网络传感器网络的大规模性包括两方面含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。传感器网络的大规模性具有的优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。信息与控制学院仪器系135.传感器网络的特点（2）自组织网络在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。信息与控制学院仪器系145.传感器网络的特点（3）动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。信息与控制学院仪器系155.传感器网络的特点（4）可靠的网络传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，往往采用随机部署，这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。信息与控制学院仪器系165.传感器网络的特点（5）应用相关的网络传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多样，不可穷尽。不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。信息与控制学院仪器系175.传感器网络的特点（6）以数据为中心的网络由于传感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。信息与控制学院仪器系186.传感器网络的应用军事环境观测和预报系统医疗护理智能家居建筑物状态监控其他信息与控制学院仪器系196.传感器网络的应用信息与控制学院仪器系20传感器网络战场评估生活习性监测地震监测深海监控医疗状况监控目标跟踪和检测小区安全监控精细农业森林火灾监控6.传感器网络的应用信息与控制学院仪器系2121智能家居厂房设备及环境监控精细农业种植医院病房电子巡检信息与控制学院仪器系22无线传感器网络应用举例—医院病房电子巡检信息与控制学院仪器系23无线传感器网络应用举例—医院病房电子巡检在病人身上安装带有射频标签的微型无线传感器，动态感知病人信息。信息与控制学院仪器系24无线传感器网络应用举例—医院病房电子巡检病房外的医生携带PDA等通讯设施。信息与控制学院仪器系25无线传感器网络应用举例—医院病房电子巡检得知病人病情后，医生将通知值勤护士或者急救人员前往病房救助。信息与控制学院仪器系26智能家居厂房设备及环境监控精细农业种植医院病房电子巡检信息与控制学院仪器系27无线传感器网络应用举例—精细农业种植信息与控制学院仪器系28无线传感器网络应用举例—精细农业种植农场监控中心实时监控农场信息，耕作者及时了解农场温度、光照度、土壤酸碱度等，以便对农作物的生长情况进行控制。信息与控制学院仪器系29智能家居厂房设备及环境监控精细农业种植医院病房电子巡检信息与控制学院仪器系30无线传感器网络应用举例—智能家居监测节点信息与控制学院仪器系31无线传感器网络应用举例—智能家居穿戴有数据衣等感知设备的人体感知到人体状况异常时，会向房间内的节点发出信号。信息与控制学院仪器系32智能家居厂房设备及环境监控精细农业种植医院病房电子巡检信息与控制学院仪器系33无线传感器网络应用举例—厂房设备及环境监控信息与控制学院仪器系34无线传感器网络应用举例—厂房设备及环境监控监控人员发现厂房设备及环境有异常情况时，通知相关负责人迅速到达故障地点。南京信息工程大学信息与控制学院仪器系