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无线传感器网络指导老师:阎新芳报告人:赵晨旭1无线传感器网络简介1.1无线传感器网络的体系结构1.2无线传感器网络的特征1.3无线传感器网络的关键技术1.4无线传感器网络的应用1.1无线传感器网络的体系结构无线传感器网络(WSN)是随着传感器技术、无线射频通信技术、微机电技术以及数字信号处理技术等的飞速发展而诞生的新兴研究领域。无线传感器网络节点是一种在微小的体积内集成数据采集、处理和无线通信等模块、并被随机撒布在工作区域的节点,这些节点通过自组织的方式构成无线网络,以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区的信息,并经过多跳的方式经由汇聚节点链路将整个区域的信息传送到远程控制管理中心。反之远程控制管理中心也可以对网络节点进行实时监控和操作。1.1无线传感器网络的体系结构(续)下图是一个无线传感器网络系统结构A、B、C、D、E是传感器节点,在网络中充当数据采集者、数据中转站或簇头节点的角色。ABCDE汇聚节点传感器节点监测区域卫星互联网用户管理节点1.1无线传感器网络的体系结构(续)无线传感器网络节点硬件结构传感器AC/DC转换处理器存储器网络MAC收发器能量供应模块传感器模块处理器模块无线通信模块1无线传感器网络简介1.1无线传感器网络的体系结构1.2无线传感器网络的特征1.3无线传感器网络的关键技术1.4无线传感器网络的应用1.2无线传感器网络的特征与传统网络以数据传输服务为主要目的不同,WSN是一种以测控为目的的无线网络,它自身固有的一些特点如下:节点计算能力较低,能量和存储容量有限由于WSN应用环境和条件的复杂性与限制,并随着传感器功能专一性、结构简单化发展,WSN节点也更加微型化,节点多采用电池供电,且电池常为一次性使用,所以节点能量比较有限,同时,由于节点硬件结构大多采用单片机作为主控和管理单元,其计算能力和存储空间都比较低,所以在网络协议设计方面应追求简单化。1.2无线传感器网络的特征(续)节点数量规模大,密度高为完成物理世界的高密度感知,WSN系统常常由上千上万个节点组成,以此来准确获取监控区域的相关信息。高密度的节点分布有利于利用简单的节点通过彼此间的协同工作来提高系统的可靠性和工作质量,提高网络的健壮性和鲁棒性。自组织节点通常都是随机撒布在监测区域,无法事先了解和设定网络的拓扑状态,所以需要网络具备自组织能力,在工作时能有效建立网络拓扑和路由链路,来完成节点的组网和数据采集传输功能。1.2无线传感器网络的特征(续)另外,当监测区域的个别节点出现故障或者耗能殆尽之后节点死亡时,或者由于添加新的节点到现有网络中时,都需要网络能够自我进行拓扑调整变换,以保证整个网络能够继续健康工作。以数据为中心,节点具有数据融合能力传统的数据通信网络是以地址为中心的,各个终端是通过IP来相互识别和进行数据交换的,每个终端脱离网络都能独立工作;WSN是任务型网络,各个节点协同监测数据,是以数据为中心的网络,脱离整个网络,单个节点采集的数据没有现实意义。WSN中可能有多个节点同时收集到用户感兴趣的数据,而为了避免冗余数据重复发送造成能量浪费,这些数据要经过数据融合处理后再传输。1无线传感器网络简介1.1无线传感器网络的体系结构1.2无线传感器网络的特征1.3无线传感器网络的关键技术1.4无线传感器网络的应用1.3无线传感器网络的关键技术链路层关键技术:数据链路层负责媒体接入控制和建立节点之间可靠的通信链路,主要由介质访问控制MAC组成。设计高效的调度机制、低能耗、低复杂性编解码、简捷的差错检测和同步的控制方案和协议是链路层的关键问题。网络层关键技术:网络层的主要任务是发现和维护路由。在无线传感器网络中,节点一般都采用多跳路由连接信源和信宿。但是,现存的DSDV/AODV/DSR等,一般不适合无线传感器的特点,它必须开发属于自己的路由协议。因此设计有效和安全的路由协议来提高通信连通性、降低能量消耗、延长网络生存时间始终是无线传感器网络的核心问题。1.3无线传感器网络的关键技术(续)安全策略和协议:由于无线传感器网络的自身特点,使得实现传感器网络安全存在巨大的挑战。安全的路由协议、高效的密钥管理方案、安全的定位和认证机制已经有效地入侵检测都是该领域的关键问题和研究热点。数据融合技术:大多数无线传感器应用都是由大量节点构成的,共同完成数据采集的任务,因此,在信息采集过程中,会有许多节点采集到相同的数据,这些冗余数据不能全部的传给sink节点,这样会浪费大量的通信能量在这些冗余信息中,对于能量有限的传感器节点来说,这是不合适的。因此要在数据收集过程中,去除冗余信息,以减少网络不必要的能耗,于是数据融合技术被提出。1.3无线传感器网络的关键技术(续)拓扑控制和优化:由于传感器网络缺乏持续、稳定的能量补充,其首要设计目标是通过高效使用能量来最大网络生命期,从而也能采集更多的兴趣数据。传感器网络的绝大部分能量消耗于通信传输环节,因此作为路由协议和MAC协议的运行平台,网络拓扑显然是实现生命期最大化的必要条件。好的拓扑控制能够提高路由协议和MAC协议的效率,为数据融合、时间同步和目标定位等技术提供必要的基础。定位技术及应用:传感器网络节点定位的目的就是获取各传感器节点在平面或空间中的绝对或相对位置信息,在传感器网络的许多应用中,用户关心的一个重要问题是:在什么位置或区域发生了什么事件。传感器网络节点感知、采集的数据必须绑定其位置信息,从而实现对这些数据的有效应用。1无线传感器网络简介1.1无线传感器网络的体系结构1.2无线传感器网络的特征1.3无线传感器网络的关键技术1.4无线传感器网络的应用1.4无线传感器网络的应用军事应用:非常适合应用于恶劣的战场环境中,包括侦察敌情,监控兵力、装备和物资,判断生物化学攻击等多方面的用途,这是因为无线传感器网络是由密集型、随机分布的节点组成的,自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中损坏而导致整个系统的崩溃,这一点是传统传感技术所无法比拟的。医疗应用:如果在病人身上或老人身上安特殊用途的传感器节点,如心率和血压监测设备。利用传感器网络,医生可以随时了解被监护病人或老人的情况,进行远程监控,掌握他们的身体状况,在危机情况时可以第一时间间进行救助。1.4无线传感器网络的应用(续)环境应用:随着人们对环境问题的关注度越来越高,需要采集的数据也越来越多,无线传感器网络的出现为随机性研究数据的获取提供了便利,它可以跟踪候鸟和昆虫的迁移,研究环境变化对农作物的影响,监测海洋、大气和土壤的成分等。家庭和其他商业应用:无线传感器网络可以实现家居环境、工作环境智能化,例如嵌入家电和家具中的传感器与执行机构组成的无线网络与Internet连接在一起将会对人们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居和办公环境。无线传感器网络应用实验1结构应力测试建筑物对地震波响应测试无线传感器网络应用实验2室内外环境监测楼宇自动化监测无线传感器网络应用实验3监测动物生活习性物联网的概念是在1999年提出的。过去在中国,物联网被称之为传感网。2005年11月17日,在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上,国际电联(ITU)发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,正式提出了“物联网”的概念。报告指出,无所不在的“物联网”通信时代即将来临,世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术(RFID)、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。19992004200520082009-62009-8IBM向美国政府提出的“智慧的地球”战略“下一代I-Hub”计划U-Korea战略U-Japan战略物联网概念提出09年6月物联网行动计划09年8月感知中国物联网物联网的市场规模预测•从全球来看,电信运营商2008年的M2M收入42.6亿美元。据市场分析机构BergInsight的分析师预计,到2012年这一数字将增长到126.4亿美元市场规模根据ITU的描述,在物联网时代,通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器,人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度,从任何时间任何地点的人与人之间的沟通连接扩展到人与物和物与物之间的沟通连接。有研究机构预计10年内物联网就可能大规模普及,这一技术将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场,其产业要比互联网大30倍。将各种环境信息,如温度、湿度、二氧化碳含量等信息通过传感器组实时采集,利用M2M运营支撑平台和电信运营商的宽带或无线网络传输,利用短信息、WEB、WAP等手段,让从事环境监控的客户实时掌握这些信息。环境监测系统短信网关WEB客户WCDMA沃.3G有线无线射频传感器组通信终端宽带网络物联网的应用举例1-----环境监控系统物联网的应用举例2-----智能建筑智能建筑利用IP技术可以解决人们日常生活中的种种问题:如小区门禁系统、各种设备的控制系统等,事实上,思科、北电等公司都已利用统一通信技术解决了许多大酒店的复杂需求,包括客房控制系统(如灯控、点餐、旅游服务等),酒店菜单系统,对讲系统等。物联网的应用举例3-----智能家居在智能家居的应用场景中,用户在下班回家的路上即可用手机启动“下班”业务流程,将热水器和空调调节到预订的温度,并检测冰箱内的食物容量,如不足则通过网络下订单要求超市按照当天的菜谱送货。物联网不是科技狂想,而是又一场科技革命。…….应用示例:牲畜溯源给放养的牲畜中的每一只羊都贴上一个二维码,这个二维码会一直保持到超市出售的肉品上,消费者可通过手机阅读二维码,知道牲畜的成长历史,确保食品安全。我国已有10亿存栏动物贴上了这种二维码。因特网羊肉的种类、产地、出栏时间?种类:山羊产地:宁夏香山出栏时间:09年9月1.4无线传感器网络的应用(续)上面列出的无线传感器网络的应用仅仅是“冰山一角”,随着信息化和网络化的发展,无线传感器网络的应用必将越来越广阔。2无线传感器网络中的路由协议2.1无线传感器网络路由协议特点2.2无线传感器网络路由协议的设计要求2.3无线传感器网络路由协议的分类2.1无线传感器网络路由协议特点1.无线传感器网络中具有一个或多个特殊节点:汇聚节点。网络中节点感知和采集数据都是通过单跳或者多跳的方式,最终都是送达汇聚节点的,而网络中的除了汇聚节点的其他任何节点是不会成为数据流的最终目的节点,因此,无线传感器网络中数据流方向是多对一和一对多的特点。汇聚节点ABCD2.1无线传感器网络路由协议特点(续)2.无线传感器网络中节点密集,邻节点采集的数据具有一定的相似性及关联性,存在冗余信息。因此,信息需要经数据融合处理后再进行传输,以减少冗余数据的转发,降低网络中不必要的能量消耗。传统的路由协议没有考虑这方面的设计,所以现有的路由协议不能适用于无线传感器网络。3.无线传感器网络大多是以数据为中心的网络。用户只关心网络中某个方向上发生的事件,而不关心网络中的具体的某个节点采集的信息,因此网络中的节点不一定都需要唯一的地址,而传统的网络都是以地址为中心的网络。因此,多数的现有网络协议在以数据为中心应用的无线传感器网络中不能够很好地工作,无线传感器网络需要其独特的路由协议。2.1无线传感器网络路由协议特点(续)4.无线传感器网络中节点多数情况下是用电池供电,并且大多部署在恶劣的环境内,无法更换电池,能量不能够持久提供,所以为了使网络能够工作更长的时间,能量效率必须放在路由的设计首要地位,服务质量(Qos)放在次要考虑。而传统网络的路由协议均是以最求端到端延时最小,网络利用率最高以及避免通信拥塞和均衡网络流量的最优路径为目的,其设计的出发点是不同,所以不能很好的应用在无线传感器网络中。2无线传感器网络中的路由协议2.1无线传感器网络路由协议特点2.2无线传感器网络路由协议的设计要求2.3无线传感器网络路由协议的分类2.2无线传感器网络路由协议的设计要求针对

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