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物联网通信技术第三章无线传感器网络赵建立山东科技大学普适计算•未来计算将充斥于我们的日常生活中的每个角落–智能空间(Ambientintelligence)/普适计算(Ubiquitouscomputing)•大量不同种设备采集、处理来自不同来源的信息以供控制实际过程并与用户交互•智能空间所需信息的来源：无线传感器网络•这些由单个节点组成的网络需要相互合作完成指定任务。•节点间通过无线通信完成相互的合作•无线传感器网络是实现智能空间的重要组成部分信息获取与信息发布•有线方式连接：高额费用和使用局限性WSN概述无线传感器网络（WirelessSensorNetwork,WSN）系统是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、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等。MEMS技术对WSN的推动无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)是物联网的一个重要的组成部分，是物联网的感知控制层中实现“物”的信息采集、“物”与“物”之间相互通信的重要技术手段。无线传感器网络是狭义上的物联网，它是物联网的雏形、是物质基础之一，同时也必然是泛在网的重要基础。5.1概述5.1.1无线传感器网络的概念与特点无线传感器网络（WirelessSensorNetwork,WSN）就是由部署在检测区域内大量的廉价卫星传感器节点组成，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。构成WSN的三要素：传感器、感知对象、观察者。1）无线传感器网络的概念传感器之间、传感器与观察者之间是以的无线网络的通信方式进行通信的，通过无线网络在传感器与观察者之间建立通信路由。协作感知，采集和处理信息是传感器网络的基本功能。由于无线传感器网络中的部分或者全部节点是可移动，因此无线传感器的拓扑结构也会随着节点的移动而发生改变。无线传感器网络节点之间以Adhoc方式进行通信，每个节点即可以作为终端来实现感知功能，又可作为路由器来执行动态搜索，定位和恢复连接的功能。AdHoc源于拉丁语，引申为一种有特殊用途的网络。IEEE802.11标准委员会采用了“Adhoc网络”一词来描述这种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络。2）无线传感器网络的体系结构（1）无线传感器结点结构一个无线传感器结点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分构成，如图所示。（2）无线传感器网络系统结构（3）无线传感器网络协议体系结构无线传感器网络协议体系是对网络及其部件应完成功能的定义与描述。它由网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术组成，其结构如图5.3所示。分层的网络通信协议结构类似于传统的TCP/IP协议体系结构，由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。物理层的功能包括信道选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等。无线传感器网络采用的传输方式可以是无线、红外或者光波等。物理层的设计目标是以尽可能少的能量损耗获得较大的链路容量。数据链路层的主要任务是建立一条无差错的通信链路，该层一般包括媒体访问控制(MAC)子层与逻辑链路控制(LLC)子层，其中MAC层规定了不同用户如何共享信道资源，LLC层负责向网络层提供统一的服务接口。网络层的主要功能是完成分组路由、网络互连等功能。传输层负责数据流的传输控制，提供可靠高效的数据传输服务。网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理。网络管理模块是网络故障管理、计费管理、配置管理、性能管理的总和。其他还包括网络安全模块、移动控制模块、远程管理模块。传感器网络的应用支撑技术为用户提供各种应用支撑，包括时间同步、节点定位，以及向用户提供协调应用服务接口。5.1.2无线传感器网络的关键技术与应用难点1）WSN的关键技术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！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都具有嵌入式处理器和存储器，具有计算能力但是，处理器性能、存储器容量和能源都很有限，导致传感器的计算能力十分有限挑战之五如何使用大量具有有限计算能力的传感器设计能源有效的高性能分布式算法?设计同时最小化能源、时间、空间和通信复杂性的分布式算法是我们面临的第五个挑战性问题！传感器数量大、分布范围广传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多传感器网络可以分布在很大区域，也可以分布在险恶环境下传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护挑战之六如何使传感器网络软硬件具有高强壮性和容错性是我们面临的第六个挑战性问题！大规模分布式触发器很多传感器网络需要对感知对象进行控制（如温度控制）传感器需要配备回控装置和控制软件我们称回控装置和控制软件为触发器挑战之七如何管理成千上万分布式触发器是我们面临的第七个挑战性问题？感知数据流无限传感器网络每个传感器都产生无限的流式数据，并具有实时性每个传感器仅具有有限的存储器和计算资源，难以处理巨大的实时数据流挑战之八如何设计高效率、能源有效、实时的海量感知数据流的查询、分析和挖掘的分布式算法？以数据为中心传感器网络不是通常的网络用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件用户很少询问“A节点到B节点的连接是如何实现的？”用户经常询问“网络覆盖区域中那些地区出现毒气？”传感器网络不是以地址为中心的用户不会询问“地址为27的传感器的温度是多少？”用户感兴趣是“某个地理位置的温度是多少？”数据传输以聚集方式进行,而不是地址到地址的路由传感器网络是以数据为中心的网络把传感器视为感知数据流或感知数据源把传感器网络视为感知数据空间或数据库把数据管理和处理作为网络的应用目标挑战之九如何建立以数据为中心的传感器网络？以感知数据管理和处理为中心;把数据管理和处理技术与网络技术融为一体;为用户提供有效的感知数据空间或感知数据库;使用户如同使用通常的数据库系统和数据处理系统一样自如地使用感知数据.传感器网络数据管理系统的理论和技术是我们面临的第九个挑战性问题！需要多种多样的感知器物理传感器生物传感器化学传感器……挑战之十如何建立新感知器概念、理论、技术和各种新型感知器是我们面临的第十个挑战性问题？其他挑战性问题传感器的投放或撒播理论与技术传感器的定位问题时钟同步问题组网连通可靠性研究和探测覆盖率研究传感器网络安全性问题和抗干扰问题信号的协作处理2）物联网中无线传感器网络应用的难点无线传感器网络是物联网的重要组成部分。物联网中，除WSN外还有其他性能不同、通信方式不同的异构物联网终端（感知控制设备），这些大量的异构物联网终端与WSN共同构成了一个复杂的物联网系统。WSN在与其他物联网终端协同应用会产生一些几个方面的应用难点：（1）承载通信网的异构与互联WSN结点通过与汇聚结点与现有的各种信息网络的互联是WSN应用的难点之一。物联网中的网络传输层是以现有的各种承载通信网为基础的信息网络，各种承载通信网就其本质而言，又是一个异构的通信网，这些异构网从传输媒质、传输速率、透明性能方面都是不同的。承载通信网上的信息网必须采用各种适配技术来满足承载网的传送要求，这就使得信息网的结构需要分层、需要采用各种协议的相互转换及适配。而WSN的加入又使得异构的复杂度增加，因此在互联时会产生较大的难度，如何以简便的方式实现互联是WSN应用与物联网的技术难点之一。（2）异构终端间的通信与互联在物联网中，往往需要进行终端之间的通信，常规的方式是通过网络传输层后在应用层进行通信交互。当异构终端相互通信时，通过网络传输层在应用层通信成为了必然的手段，即可称之为高层交互。当进行高层交互时，由于异构终端与网络传输层间的通信会产生各种延时、误码等传输错误，因此可能导致异构终端间的通信质量下降、极端情况下甚至导致通信无法进行。因此，如何解决WSN与各异构终端间的通信也是其在物联网中应用的关键问题之一。（3）大结构数据融合与异构下的数据融合很多应用场合中，需要大规模部署无线传感器节点，形成一个覆盖面很大的监控区域，在这样的网络系统中，传感器节点经过数据采集后，使用多跳路由将数据送住下一个传感器节点，大量的传感器节点进行数据传输，汇聚结点要对大量数据进行协同处理，这种数据处理具有大结构关联协同处理的特点。监测区域内密集的自治结点产生大量的传感数据，有效地对大量节点所获感知数据进行协同处理，在此基础上完成无线传感器网络的任务。另外，WSN结点还需要与异构终端进行数据融合，使整个监测区域的信息能通过不同的观测角度获得真实、可靠的相互印证，这也是物联网中WSN应用的难点之一。5.2IEEE802.15.4标准及ZIGBEE协议规范ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的高层技术，该技术的物理层和MAC(MediumAccessControl，MAC介质访问控制)直接引用IEEE802.15.4。ZigBee协议规范的基础是IEEE802.15.4，这两者之间有着非常密切的关系。以下首先详细地介绍IEEE802.15.4，然后介绍ZigBee协议规范。5.2.1IEEE802.15.4标准1）IEEE802.15.4主要性能IEEE802.15.4标准是短距离无线通信的个域网WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork,WPAN)标准。该标准规定了个域网PAN(PersonalAreaNetwork,PAN)中设备间的无线通信协议和接口。IEEE802.15.4标准采用了CSMA/CA（载波侦听CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，CSMA/CA，多址接入/冲突检测）的媒体接入或媒体访问控制方式，网络的拓扑结构可以是点对点或星形结构。IEEE802.15.4通信协议主要描述了物理层和MAC层标准，通信距离一般在数十米的范围之内。IEEE802.15.4的物理层是实现WSN通信基础，MAC层的功能是进行处理所有对物理层的访问的，并负责完成信标的同步、支持个域网络关联和去关联、提供MAC实体问的可靠连接、执行信道接入等任务。IEEE802.15.4标准也采用了满足ISO/OSI参考模型的分层结构，定义了单一的MAC层和多样的物理层。该标准具有以下主要性能：