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无线传感网无线传感网技术2教学目标【教学目标】讲授无线传感网的基本概念、基本原理、通信协议和开发应用技术。【教学重点】无线传感网的基本概念、关键技术和开发应用技术。掌握WSN网络体系结构、通信协议，包括物理层通信技术、信道接入MAC协议、路由协议，以及各种支撑技术。【教学要求】理解无线传感网的基本概念，了解其发展史和发展现状和研究发展方向，掌握WSN网络结构和通信协议、开发技术，了解WSN面临的新的问题以及应用技术和开发技术平台。无线传感网技术3教学参考书孙利民等编.《无线传感器网络》.清华大学出版社，2005邱天爽等译.《无线传感器网络协议和体系结构》.电子工业出版社.2007年王汝传等编.《无线传感器网络技术及其应用》.人民邮电出版社，2011李晓维等编.《无线传感器网络技术》.北京理工大学出版社.2007年宋文等编.《无线传感器网络技术与应用》.电子工业出版社.2007年无线传感网技术4第一章概述1.1无线感网体系结构1.2无线传感网主要特征1.3无线传感网关键技术1.4无线传感网的应用1.5无线传感网发展与现状1.6本章小结无线传感网技术5无线传感网无线传感器网络（wirelesssensornetworks，WSN，简称无线传感网）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。WSN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，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。无线传感网实现了将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在一下代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感网技术61.1无线传感网体系结构1.1.1无线传感网结构1.1.2无线传感器节点结构1.1.3无线传感器协议栈无线传感网技术71.1.1无线传感网结构无线传感网是由一组无线传感器节点以Adhoc（自组织）方式组成的无线网络，其目的是协作地感知、收集和处理传感网所覆盖的地理区域中感知对象的信息，并传递给观察者。传感网集中了传感器技术、嵌入式计算技术和无线通信技术，能协作地感知、监测和收集各种环境下所感知对象的信息，通过对这些信息的协作式信息处理，获得感知对象的准确信息，然后通过Adhoc方式传送到需要这些信息的用户。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感网的三个要素。无线传感网技术81.1.1无线传感网结构如图1-1所示为典型的无线传感网体系结构,它由分布式传感器节点群组成。节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，并通过多跳方式将整个区域内的信息传送给基站（BaseStation，BS）或汇集节点，BS再通过传输通信网络（由互联网、卫星网或移动通信网构成）将数据传到数据中心或发送给远处的用户。用户可以通过传输通信网发送命令给BS，而BS再将命令转发给各个传感器节点。无线传感网技术9无线传感网结构图通信网感知区域传感器节点基站BS或汇集节点用户数据中心网关图1-1无线传感网结构无线传感网技术101.1.1无线传感网结构无线传感网是以数据为中心的网络，其关键技术和具体应用紧密相关，不同的应用场景其技术相差很大。分布式的无线传感网多为分簇形式，将传感器节点分成多个簇，每个簇存在一个簇头节点，负责簇内节点的管理和数据融合，分簇结构的无线传感网的体系结构如图1-2所示。分簇方式的特点是簇群内的节点只能与本簇的簇头通信，簇头和簇头之间可以相互传递数据，可以通过多跳方式传送数据到数据中心。无线传感网技术11分簇的无线传感网的体系结构图通信网簇头节点传感器节点基站BS或汇集节点用户数据中心网关图1-2分簇的无线传感网的体系结构无线传感网技术121.1.2无线传感器节点结构无线传感器节点是一个微型化的嵌入式系统，它构成了无线传感网的基础层支持平台。典型的传感器节点由数据采集的感知单元、数据处理和存储单元、通信收发的传输单元和节点供电的能源供给单元4个部分组成，图1-3是节点硬件结构示意图。无线传感网技术13节点硬件结构示意图传感器A/D转换器网络应用存储器处理器能源供给单元处理单元感知单元传输单元MAC收发器无线传感网技术14典型的传感器节点体积较小，可能小于1cm3，往往被部署在无人照看或恶劣的环境中，无法更换电池，节点能量受限。目前国内外出现了多种无线传感网节点的硬件平台。如：美国的CrossBow公司开发的Mote系列节点Mica2、MicaZ、Mica2Dot，Infineon公司开发的EYES传感器节点等等。实际上各平台最主要的区别是采用了不同的处理器、无线通信协议以及传感器。常用的处理器有IntelStrongARM、TexasInstrumentMSP430和AtmelAtmega，常用的无线通信协议有802.llb、802.15.4/ZigBee和Bluetooth等；与应用相关的传感器有光传感器、热传感器、压力传感器以及湿度传感器等。无线传感网技术151.1.3无线传感器协议栈协议栈将功率意识和路由意识组合在一起，将数据与网络协议综合在一起，在无线传输媒介上进行能量高效通信，支持各个传感器节点相互协作。协议栈由应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层，功率管理平面、移动管理平面、任务管理平面组成。根据感知任务，可以在应用层上建立和使用不同类型的应用软件。传输层帮助维护WSN应用所需要的数据流。网络层解决传输层提供的数据的传输路由问题。由于环境噪声以及传感器节点可能是移动节点，所以MAC协议必须具有能量意识能力，能够使与临近节点广播的碰撞达到最低程度。物理层解决简单而又强壮的调制、发送、接收技术问题。此外，功率管理平面、移动管理平面、任务管理平面分别监视传感器节点之间的移动、任务分配，帮助传感器节点协调感知任务和降低总功耗。无线传感网技术16无线传感网协议栈物理层数据链路层网络层传输层应用层功率管理平面移动管理平面任务管理平面无线传感网技术171.2无线传感网主要特征1.2.1与现有无线网络的区别1.2.2与现场总线的区别无线传感网技术181.2.1与现有无线网络的区别无线传感网是无线Ad-hoc网络的一种典型应用，虽然它具有无线自组织特征，但与传统的无线自组织网络相比，又有一些不同之处，它们之间的主要区别有以下几点。①在网络规模方面，无线传感网包含的节点数量比ad-hoc网络高几个数量级；②在分布密度方面，无线传感网节点的分布密度很大；③由于能量限制和环境因素，无线传感网节点易损坏出故障；④由于节点的移动和损坏，无线传感网的拓扑结构频繁变化；⑤在通信方式方面，无线传感网节点主要使用广播通信，而别ad-hoc节点采用点对点通信；⑥无线传感网节点能量、计算能力和存储能力受限；⑦由于无线传感网节点数量的原因，节点没有统一的标识；⑧无线传感网以数据为中心。无线传感网技术19•传感网与移动自组网的不同分4个方面节点规模：移动自组网：节点数量通常在几十或上百传感器网络：节点数目往往高出好几个数量级节点密度：移动自组网：小传感器网络：大（冗余部署的结果）拓扑变化的原因：移动自组网：节点运动传感器网络：节点休眠调度、环境干扰或节点故障引起节点处理能力：移动自组网：较强传感器网络：十分有限无线传感网技术201.2.2与现场总线的区别在自动化领域，现场总线控制系统(FieldbusControlSystem，FCS)正在逐步取代一般的分布式控制系统(DistributedControISystem，DCS)，各种基于现场总线的智能传感器/执行器技术得到了迅速发展。现场总线是应用在生产现场和微机化测量控制设备之间，实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的降低，计算机与计算机网络系统得到了迅速发展。现场总线可实现整个企业的信息集成，实现综合自动化，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间和生产现场与外界的信息交换。目前市场上较为流行的现场总线有CAN（控制局域网络)、Lonworks(局部操作网络)、Profibus(过程现场总线)、HART(可寻址远程传感器数据通信)和FF(基金会现场总线)等。无线传感网技术21由于严格的实时性要求，这些现场总线的网络构成通常是有线的。在开放式通信系统互联参考模型中，它利用的只有第一层物理层、第二层链路层和第七层应用层，避开了多跳通信和中间节点的关联队列延迟。然而，尽管固有有限差错率不利于实现，人们仍然致力于在无线通信中实现现场总线的构想。由于现场总线是通过报告传感数据从而控制物理环境的，所以从某种程度上说它与传感网非常相似，甚至可以将天线传感网看作是无线现场总线的实例。但是两者的区别是明显的。无线传感网关注的焦点不是数十毫秒范围内的实时性，而是具体的业务应用，这些应用能够容许较长时间的延迟和抖动。另外，基于传感网的一些自适应协议在现场总线中并不需要，如多跳、自组织的特点。而且现场总线及其协议也没有考虑节约能源问题。无线传感网技术221.2.3无线传感器节点的限制1.电源能量有限15105020传感器处理器发送接收空闲休眠功耗(mW)通信部分功耗图1-4传感器节点能量消耗分布图无线传感网技术23传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电他的方式来补充能源是不现实的。传感器节点消耗能量的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，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。由于传感器节点各部分能量消耗绝大部分是在无线通信模块，所以传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能。无线传感网技术24无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否将数据发送给自己；而在睡眠状态是关闭通信模块。无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。如何让网络通信更有效率，减少不必要的转发和接收，不需要通信时尽快进入睡眠状态，是传感网协议设计需要重点考虑的问题。图1-4所示是传感器节点各部分能量消耗的分布情况，从图中可知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1比特信息100m距离需要的能量大约相当于执行3000条计算指令消耗的能量。无线传感网技术252.通信能力有限无线通信的能量消耗与通信距离有关系，衰落因子的取值与很多因素有关，例如传感器节点部署贴近地面时，障碍物多、干扰大，衰落因子的取值就大；随着通信距离的增加，能耗将急剧增加，因此，在满足通信连通度的前提下应尽量减少通信距离。一般而言，传感器节点的无线通信半径在100m以内比较合适。考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，传感网采用多跳路由的传输机制。传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有数百kb/s的速率。由于节点能量的变化，受高层建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，无线通信性能可能经常变化，频繁出现通信中断。在这样的通信环境和节点有限的通信能力情况下，如何设计网络通信机制以满足传感网的通信需求是传感网面临的挑战之一。无线传感网技术263.计算和存储能力有限随着低功耗电路和系统设计技术的提高，目前已经开发出很多超低功耗微处理器。除了降低处理器的绝对功耗以外，现代处理器还支持模块化供电和动态频率调节功能