《物联网概论》第7章 传感器网络

《物联网概论》-韩毅刚《物联网概论》第7章传感器网络机械工业出版社《物联网概论》-韩毅刚第7章传感器网络7.1无线传感器网络概述7.2无线传感器网络的通信协议7.3无线传感器网络的组网技术7.4无线传感器网络的核心支撑技术7.5无线传感器网络的应用开发7.6基于现场总线的传感网《物联网概论》-韩毅刚传感器网络无线传感器网络WSNWirelessSensorNetwork有线传感器网络现场总线《物联网概论》-韩毅刚3《物联网概论》-韩毅刚7.1无线传感器网络概述7.1.1无线传感器网络的组成7.1.2无线传感器网络的体系结构7.1.3无线传感器网络的特征7.1.4WSN所面临的挑战及发展趋势《物联网概论》-韩毅刚无线传感器网络的定义由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成的，并通过无线通信形式形成的一个多跳的自组织的网络系统《物联网概论》-韩毅刚5《物联网概论》-韩毅刚7.1.1无线传感器网络的组成《物联网概论》-韩毅刚6无线传感器节点汇聚节点管理节点《物联网概论》-韩毅刚无线传感器网络的组成《物联网概论》-韩毅刚7用户Internet、卫星或移动通信网络监测区域汇聚节点传感器节点管理节点《物联网概论》-韩毅刚1.无线传感器节点微型的嵌入式系统信息收集处理传递存储融合转发《物联网概论》-韩毅刚8《物联网概论》-韩毅刚无线传感器网络节点结构《物联网概论》-韩毅刚9传感器模/数处理器存储器路由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《物联网概论》-韩毅刚无线传感器节点组成传感模块处理模块无线通信模块能量供应模块《物联网概论》-韩毅刚10《物联网概论》-韩毅刚2.汇聚节点功能较为强大的嵌入式基站主要负责收集、汇聚数据经由网关提交给管理节点汇聚节点和网关通常集成在一个物理设备中《物联网概论》-韩毅刚11《物联网概论》-韩毅刚3.管理节点一台计算机或者功能强大的嵌入式处理设备配置和管理网络发布监测任务收集监测数据《物联网概论》-韩毅刚12《物联网概论》-韩毅刚7.1.2无线传感器网络的体系结构物理层数据链路层网络层传输层应用层《物联网概论》-韩毅刚13《物联网概论》-韩毅刚无线传感器网络的协议体系结构《物联网概论》-韩毅刚14物理层数据链路层网络层传输层应用层任务管理平台移动管理平台能量管理平台《物联网概论》-韩毅刚7.1.3无线传感器网络的特征自组网络Adhoc网络无基础设施自组织的无线多跳网络《物联网概论》-韩毅刚15《物联网概论》-韩毅刚无线传感器网络的特点自组织网络大规模网络动态性网络数据汇聚型网络以数据为中心的网络与应用相关的网络《物联网概论》-韩毅刚16《物联网概论》-韩毅刚7.1.4WSN所面临的挑战及发展趋势灵活、自适应的网络协议体系结构跨层设计与其他网络的融合《物联网概论》-韩毅刚17《物联网概论》-韩毅刚7.2无线传感器网络通信协议7.2.1MAC协议7.2.2路由协议7.2.3传输协议《物联网概论》-韩毅刚7.2.1MAC协议《物联网概论》-韩毅刚191．竞争型MAC协议2．调度型MAC协议3．混合型MAC协议《物联网概论》-韩毅刚MAC媒介访问控制MediumAccessControl共享信道的分配《物联网概论》-韩毅刚20《物联网概论》-韩毅刚无线传感器网络MAC协议特殊性能量有效性可扩展性冲突避免信道利用率时延吞吐量公平性《物联网概论》-韩毅刚21《物联网概论》-韩毅刚MAC协议类型竞争型调度型混合型《物联网概论》-韩毅刚22《物联网概论》-韩毅刚1．竞争型MAC协议CSMA/CAS-MACT-MACPMACWiseMACSift《物联网概论》-韩毅刚23《物联网概论》-韩毅刚S-MAC协议S-MAC协议的消息收发序列《物联网概论》-韩毅刚24活动睡眠《物联网概论》-韩毅刚T-MAC协议T-MAC协议的基本机制《物联网概论》-韩毅刚25TATATA活动睡眠《物联网概论》-韩毅刚T-MAC协议早睡问题时间帧划分《物联网概论》-韩毅刚26STFSTFPRTFPRTFPETFPETFWWNslotsNslots……《物联网概论》-韩毅刚2．调度型MAC协议TRAMASMACSDMAC《物联网概论》-韩毅刚27《物联网概论》-韩毅刚TRAMA协议包括三个部分：邻居协议NP调度交换协议SEP自适应时隙选择算法AEA《物联网概论》-韩毅刚28《物联网概论》-韩毅刚分配方法TDMA时分多址时分复用FDMA频分多址CDMA码分多址《物联网概论》-韩毅刚29《物联网概论》-韩毅刚3．混合型MAC协议μ-MACZMAC《物联网概论》-韩毅刚30《物联网概论》-韩毅刚μ-MAC协议适合于周期性数据采集的无线传感器网络固定基站提供信标源实现时钟同步信道结构竞争期无竞争期《物联网概论》-韩毅刚31《物联网概论》-韩毅刚Z-MAC协议低流量条件下使用CSMA信道访问方式高流量条件下使用TDMA信道方式《物联网概论》-韩毅刚32《物联网概论》-韩毅刚7.2.2路由协议1．以数据为中心的路由协议2．集群结构路由协议3．基于地理位置信息的路由协议4．基于服务质量的路由协议《物联网概论》-韩毅刚33《物联网概论》-韩毅刚传感器网络路由特点能量高效可扩展性鲁棒性快速收敛性《物联网概论》-韩毅刚34《物联网概论》-韩毅刚1．以数据为中心的路由协议对数据进行融合减少冗余的数据传输典型协议SPINDD《物联网概论》-韩毅刚35《物联网概论》-韩毅刚SPIN协议SPIN协议的工作流程《物联网概论》-韩毅刚36ADVDATAREQADVADVADVADVADVREQREQREQREQDATADATADATADATA(a)扩散(b)请求(c)传输汇聚节点普通节点(d)扩散(e)请求(f)传输《物联网概论》-韩毅刚DD协议定向扩散协议DirectedDiffusion《物联网概论》-韩毅刚37兴趣兴趣兴趣源节点源节点SinkSinkSink源节点《物联网概论》-韩毅刚2．集群结构路由协议LEACHPEGASISTEENAPTEENTTDD《物联网概论》-韩毅刚38《物联网概论》-韩毅刚LEACH协议LEACH协议网络结构图《物联网概论》-韩毅刚39簇首簇首Sink《物联网概论》-韩毅刚PEGASIS协议PEGASIS协议网络结构图《物联网概论》-韩毅刚40Sink链首《物联网概论》-韩毅刚3．基于地理位置信息路由协议GAFGPSRGEAR《物联网概论》-韩毅刚41《物联网概论》-韩毅刚4．基于服务质量的路由协议SARSPEED《物联网概论》-韩毅刚42《物联网概论》-韩毅刚7.2.3传输协议1．PSFQ传输协议2．ESRT传输协议《物联网概论》-韩毅刚43《物联网概论》-韩毅刚无线传感器网络传输协议技术由传感器执行拥塞检测采用事件到汇聚节点的可靠性模型消极确认机制局部缓存和错误恢复机制《物联网概论》-韩毅刚44《物联网概论》-韩毅刚1．PSFQ传输协议PSFQPumpSlowlyFetchQuickly缓发快取《物联网概论》-韩毅刚45《物联网概论》-韩毅刚PSFQ传输协议机制缓存机制每个中间节点都缓存数据报文。消极确认机制索取汇聚机制NACK报文中饱含希望接受的所有数据报文的序号。局部错误恢复的快速索取和慢速发布机制《物联网概论》-韩毅刚46《物联网概论》-韩毅刚2．ESRT传输协议ESRTEvent-to-SinkReliableTransport事件到汇聚节点的可靠传输《物联网概论》-韩毅刚47《物联网概论》-韩毅刚7.3无线传感器网络组网技术7.3.1ZigBee网络的特点7.3.2ZigBee网络的设备和拓扑结构7.3.3ZigBee协议栈《物联网概论》-韩毅刚无线传感器网络的组网模式网状模式簇树模式星型模式《物联网概论》-韩毅刚49《物联网概论》-韩毅刚7.3.1ZIGBEE网络的特点《物联网概论》-韩毅刚50简介特点《物联网概论》-韩毅刚ZigBee网络简介ZigBee联盟IEEE802.15.4标准个域网标准《物联网概论》-韩毅刚51《物联网概论》-韩毅刚ZigBee网络指标2.4GHz传输速率为20~250kbit/s传输距离为10~75m，《物联网概论》-韩毅刚52《物联网概论》-韩毅刚ZigBee网络的特点省电廉价可靠时延短网络容量大安全保障《物联网概论》-韩毅刚53《物联网概论》-韩毅刚7.3.2ZIGBEE网络设备和拓扑结构网络设备网络拓扑结构《物联网概论》-韩毅刚54《物联网概论》-韩毅刚ZigBee网络节点设备全功能设备FFDFull-FunctionDevice精简功能设备RFDReduced-FunctionDevice《物联网概论》-韩毅刚55《物联网概论》-韩毅刚ZigBee网络设备类型协调器路由器终端设备《物联网概论》-韩毅刚56《物联网概论》-韩毅刚协调器星型点到点《物联网概论》-韩毅刚57全功能设备精简功能设备通信信道PAN网络协调器PAN网络协调器《物联网概论》-韩毅刚ZigBee网络的拓扑结构星型网状簇树《物联网概论》-韩毅刚58星型拓扑网状拓扑簇树结构拓扑PAN协调器全功能设备精简功能设备《物联网概论》-韩毅刚7.3.3ZIGBEE协议栈1．ZigBee物理层2．ZigBee媒介访问控制层3．ZigBee网络层4．ZigBee应用层《物联网概论》-韩毅刚59《物联网概论》-韩毅刚ZigBee协议栈4层模型《物联网概论》-韩毅刚60媒介访问控制层网络层应用层物理层IEEE802.15.4协议ZigBee协议《物联网概论》-韩毅刚ZigBee数据的封装ZigBee各层帧结构的封装关系《物联网概论》-韩毅刚61应用层数据应用层首部网络层帧载荷网络层首部MAC层帧载荷MAC层首部校验物理层帧载荷帧长定界符前导码最长127字节《物联网概论》-韩毅刚1．ZigBee物理层1）激活和休眠射频收发器；2）信道能量检测；3）链路质量指示；4）空间信道评估；5）信道的频段选择；6）收发数据《物联网概论》-韩毅刚62《物联网概论》-韩毅刚物理层参考模型《物联网概论》-韩毅刚63PHYPLMEPHY-PIBPLME-SAPPD-SAPRF-SAP《物联网概论》-韩毅刚三个频段27个信道信道的频段中心《物联网概论》-韩毅刚64868.309062(1)1,2,,1024055(1)11,12,26cccfMHzkfkMHzkfkMHzk《物联网概论》-韩毅刚信道分配及调制方式IEEE802.15.4标准工作频率、带宽以及调制方式等参数《物联网概论》-韩毅刚65物理层（MHz）频段（MHz）扩频参数数据参数码片速率（kchip/s）调制方式比特率（kbps）符号速率（ksymbols/s）符号868/915868~868.6300BPSK2020二进制902~928600BPSK4040二进制24502400~2483.32000O-QPSK25062.5十六进制《物联网概论》-韩毅刚物理帧结构PPDU组成PHYProtocolDataUnit同步头物理帧头物理帧负载《物联网概论》-韩毅刚66前导码SFD保留位（1bit）PSDU同步头物理帧负载物理帧头4字节1字节1字节长度可变帧长度（7bit）《物联网概论》-韩毅刚2．ZigBee媒介访问控制层MAC数据服务MAC管理服务《物联网概论》-韩毅刚67《物联网概论》-韩毅刚MAC子层功能协调器产生、发送信标帧，普通设备根据信标帧与协调器同步；支持PAN网络的关联和取消关联（association）（disa