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无线传感器网络技术基础适用：电气信息类专业章节内容学时1绪论32常用微型传感器13传感器网络的通信技术44传感器网络的支撑技术65传感器网络的应用开发基础66传感器网络协议的技术标准27传感器网络技术的应用28无线传感器网络设计与实验8本课章节与课时安排教材及参考书1、无线传感器网络简明教程，崔逊学，清华大学出版社2、无线传感器网络，孙利民，清华大学出版社3、智能无线传感器网络，于海斌，科学出版社联系方式办公室：基础实验楼340电话：84315468E-mail：hearthc@yahoo.com.cn911历史事件寻找拉登藏身之处应用需求引发研究热潮综观计算机网络技术的发展史，应用需求始终是推动和左右全球网络技术进步的动力与源泉。第一章绪论一什么是无线传感器网络二传感器网络的发展历史三传感器网络的应用情况四传感器网络的关键技术教学目的：掌握传感器网络的基本情况本章重点：基本概念、应用情况一、什么是无线传感器网络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。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。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应用优化传感器节点实物示例1.1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…监控主机基本工作过程(1)传感器节点的处理器模块完成计算与控制功能，射频模块完成无线通信传输功能，传感器探测模块完成数据采集功能，通常由电池供电，封装成完整的低功耗无线传感器网络。(2)网关节点只需要具有处理器模块和射频模块，通过无线方式接收探测终端发送来的数据信息，再传输给有线网络的PC机或服务器。(3)各种类型的低功耗网络终端节点可以构成星形拓扑结构，或者混合型的ZigBee拓扑结构，有的路由节点还可以采用电源供电方式。1.2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。1.3网络体系结构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。(1)网络通信协议(2)网络管理平台网络管理平台主要是对传感器节点自身的管理和用户对传感器网络的管理，包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。(3)应用支撑平台应用支撑平台建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上，包括一系列基于监测任务的应用层软件;通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。应用支撑平台包括如下内容：①时间同步②定位③应用服务接口④网络管理接口2、传感器网络的结构根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。如果网络的规模较小，一般采用平面结构。如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。(1)平面结构平面结构的网络比较简单，所有节点的地位平等，又称为对等式结构。源节点和目的节点之间一般存在多条路经，网络负荷由这些路径共同承担，一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。平面结构的不足平面型的网络结构在节点的组织、路由建立、控制与维持的报文开销上都存在问题；这些开销会占用很大的带宽，影响网络数据的传输速率；整个系统在宏观上将损耗很大的能量；可扩充性差。(2)分层结构簇簇内节点簇头基站分层结构的特点传感器网络被划分为多个簇；每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。簇头节点负责簇间数据的转发，簇成员只负责数据的采集。大大减少了网络中路由控制信息的数量；具有很好的可扩充性。分层结构的不足簇头的能量消耗问题较大，簇头发送和接收报文的频率要高出普通节点几倍或十几倍；在簇内运行簇头选择程序来更换簇头。1.4传感器节点的限制条件传感器网络由数据获取子网、数据分布子网和控制管理中心三部分组成。主要组成部分是集成了传感器、数据处理单元和通信模块的节点，节点通过协议自组织成一个分布式网络，将采集的数据优化后经无线电波传输给信息处理中心。传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在一些限制和约束。1、电源能量有限耗能模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量主要消耗在无线通信模块上。05101520传感器处理器发送接收空闲睡眠功率/mW通信1、电源能量有限传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能；传输l比特信息100m距离需要的能量大约相当于执行3000条计算指令所消耗的能量。2、通信能力受限通常无线通信的能量消耗与通信距离的关系符合如下规律：n满足关系2n4。n的取值与很多因素有关，如传感器节点部署贴近地面时，障碍物多、干扰大，n取值就大；天线质量对信号发射质量影响也很大。通常取n为3，假定通信能耗与距离三次方成正比。随着通信距离的增加，能耗会急剧增加；在满足通信连通性的前提下应尽量减少单跳的通信距离；一般而言，传感器节点的无线通信半径在100m以内比较合适。3、计算和存储能力受限节点是微型嵌入式设备，价格低、功耗小，导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计所需要考虑的问题。1.5组网特点无线传感器网络具有AdHoc网络的移动性、断接性、电源能力局限性等共同特征；在组网方面具有一些鲜明的自身特点。它的主要特点包括自组织性、以数据为中心、应用相关性、动态性、网络规模大和需要高的可靠性等。二、传感器网络的发展历史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热带树热带树轰炸机•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》。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三、传感器网络的应用情况（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健康监测海洋监测环境监测电力高压线高尔夫球场葡萄园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北京大兴区菊花基地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“狼群”地面传感器网络美军共计完成23项传感器网络项目网络工程专业四、传感器网络的关键技术通信能力有限节点通信覆盖范围只有几十到几百米关键之一如何在有限的通信能力条件下,完成探测数据的传输？无线通信技术是第一项关键技术！电源能量有限通常电池供电，工作环境恶劣，一次部署终生使用，更换电池困难关键之二如何节省电源、最大化网络的使用寿命？低功耗设计问题是第二项关键技术！计算能力有限节点体积小，处理器和存储器性能有限，不允许进行复杂算法的运算关键之三嵌入式操作系统设计是第三项关键技术！自组织的动态网络传感器网络没有基站节点失效、新节点加入，导致网络拓扑结构的动态性，需要自动愈合关键之四多跳自组织的网络路由是第四项关键技术！传感器网络是以数据为中心的网络用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件关键之五如何建立以数据为中心的传感器网络？传感器网络的第五项关键技术是数据融合方法！网络攻击无处不在传感器节点的物理操纵传感信息的窃听拒绝服务攻击私有信息的泄露……关键之六安全性是传感网络设计的重要问题。如何保护机密数据和防御网络攻击是第六项关键技术！本章小结本章主要介绍传感器网络的概念、发展历史、应用情况和关键技术。