第1讲 无线传感器网络概述

1《无线传感器网络》主讲:蒋庆信箱:[e-mail]电话：86875650（办公室）办公：天问2072学习方法教材:《无线传感器网络技术》理论学习：授课（32学时）3考核方法总评成绩＝学习表现(20％)＋期末考试（80％）4第1章概述5主要内容1.1无线传感器网络的基本概念1.2无线传感器网络的体系结构1.3无线传感器节点1.4无线传感器网络的特点1.5无线传感器网络的应用1.6无线传感器网络的关键技术61.1无线传感器网络的基本概念无线传感器网络71.1无线传感器网络的基本概念（1）无线网络的分类无线网络有基础设施网无基础设施网移动自组织网络AdHoc无线传感器网络WSN无线蜂窝网等无线局域网81.1无线传感器网络的基本概念（1）无线网络的分类-有基础设施网（手机蜂窝网）91.1无线传感器网络的基本概念（1）无线网络的分类-有基础设施网（无线局域网）101.1无线传感器网络的基本概念（1）无线网络的分类-移动自组织网（Adhoc）111.1无线传感器网络的基本概念（1）无线网络的分类—三种网络的关系WSNAdhoc无线宽带网（GSM、3G、WiFi、WiMax）动态拓朴分组传输准静态拓朴多对一模式网内数据处理宽带优化功耗优化121.1无线传感器网络的基本概念（2）无线传感器网络的定义大规模、无线、自组织、多对一、多跳、无分区、无基础设施支持的网络、其中的节点是同构的、成本较低、体积较小、大部分节点不移动、被随意撒布在工作区域，要求网络系统有尽可能长的工作时间。131.1无线传感器网络的基本概念（3）无线传感器网络的三项功能数据采集数据处理数据传输传感器技术计算机技术通信技术现代信息技术感官大脑神经信息系统无线传感器网络141.1无线传感器网络的基本概念（4）无线传感器网络的三个基本要素感知对象传感器节点用户151.2无线传感器网络的体系结构（1)WSN的系统架构图互联网、卫星移动通讯网络汇聚节点管理节点传感器节点用户待测区域161.2无线传感器网络的体系结构（2）三个节点任务管理节点汇聚节点传感器节点171.2无线传感器网络的体系结构（3）WSN的体系结构-平面结构汇集节点传感器节点待测区域181.2无线传感器网络的体系结构（4）WSN的体系结构-分级结构汇集节点传感器节点簇头待测区域191.3无线传感器节点（1）无线传感器节点的功能模块传感器模块传感器A/D处理器模块处理器/存储器无线通信模块收发器MAC嵌入式软件系统电源模块网络201.3无线传感器节点（1）无线传感器节点的功能模块（图片）211.3无线传感器节点（2）无线传感器节点网络体系（三部分）网络层（路由）数据链路层（MAC）传输层（传输控制）物理层（声、光、电磁）能量管理平台网络管理接口时间同步、定位应用层移动管理平台任务管理平台网络通信协议网络管理平台应用支撑平台应用服务接口221.4无线传感器组网的特点（1）传感器网络节点的组网（1）（2）（3）（4）231.4无线传感器组网的特点（2）传感器节点的限制条件—电源能量有限传感器处理器发送接受空闲睡眠5101520功率/mW通讯24E=k*d1.4无线传感器组网的特点（2）传感器节点的限制条件—通讯能力有限nE：能量损耗k：系数d：通讯距离n：参数（2≤n≤4）251.4无线传感器组网的特点（2）传感器节点的限制条件—计算/存储能力有限处理器：价格低功耗小解决办法：选用超低功耗微处理器处理器的多任务：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动态能量管理、动态电压调节261.4无线传感器组网的特点（3）传感器节点的组网特点—自组织性●节点的自组织能力，要求能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议形成转发监测数据的多跳无线网络系统●节点的结构的自组织能力能适应因节点增加与减少而使网络拓扑变化271.4无线传感器组网的特点（3）传感器节点的组网特点—以数据为中心●与互联网的区别：互联网是以IP地址为中心的网络●传感器的节点编号与位置没有对应关系●数据通过网络实现传递，但并不关心具体哪一个节点281.4无线传感器组网的特点（3）传感器节点的组网特点—应用相关性●不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和通信协议都会有很大差别●针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同与传统网络的显著特征291.4无线传感器组网的特点（3）传感器节点的组网特点—动态性●环境因素或电能损耗造成节点出现故障或失效●环境条件变化造成通信链路带宽变化、时断时续●网络中的传感器、感知对象、观察者具有移动性●新节点的加入网络拓扑具有动态的可重构性，满足以下变化：301.4无线传感器组网的特点（3）传感器节点的组网特点—网络规模大●传感器节点分布在很大的区域内/节点部署很密集●不同的空间视角获得的信息具有更大的信噪比●分布式处理大量采集信息，能够提高监测的精确度●大量冗余节点的存在，使系统具有很强的容错能力●大量节点存在，增大覆盖的监测区域，减少盲点311.4无线传感器组网的特点（3）传感器节点的组网特点—可靠性●低宽带、通信信号的衰减和相互干扰，要求网络通信非常可靠●传感器节点工作环境恶劣、无人维护，要求节点非常坚固、不易损坏，适应性强●节点的无人职守，要求通信的保密性和安全性321.5无线传感器网络的应用（1）军事领域331.5无线传感器网络的应用（2）工业、电力领域341.5无线传感器网络的应用（3）农业领域351.5无线传感器网络的应用（4）智能交通领域361.5无线传感器网络的应用（5）家庭与健康领域371.5无线传感器网络的应用（6）环境保护领域381.5无线传感器网络的应用（7）其他领域利用WSN监测冰河的变化情况，目的在于通过分析冰河环境的变化来推断地球气候的变化。391.5无线传感器网络的应用（7）其他领域401.5无线传感器网络的应用（7）其他领域411.6无线传感器网络的关键技术WSN的研究具有较强的试验科学的特征，强调试验而非单纯依赖仿真。WSN的研究需要广泛的合作WSN的研究划分为两大类：（1）基础研究—强调理论突破（2）应用研究—偏重挖掘WSN的应用潜能421.6无线传感器网络的关键技术（1）网络拓扑控制（2）网络协议（3）网络安全（4）时间同步（5）定位技术（6）数据融合（8）无线通信技术（7）数据管理（9）嵌入式操作系统（10）应用层技术