第3章-无线传感网

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第3章无线传感网•主讲:郭婧•Email:guojing@njupt.edu.cn•QQ群:330228194(物联网导论)课件及配套教材:《物联网导论》第二版(由清华大学物联网导论团队提供)2无线传感网无线传感网(WirelessSensorNetworks,WSN)•是指由一组随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的传感器节点以自组织方式构成的无线网络,用于实时监测网络覆盖区域的各类监测对象的信息。•WSN综合了传感器技术、无线通信技术、嵌入式系统技术、分布式信息处理等技术,是一项集成了多学科的技术领域,是物联网实现感知功能的重要技术。•3.1发展历史•3.2硬件平台•3.3操作系统*•3.4组网技术•3.5典型应用3本章内容•定义•我国国家标准(GB7665-2005)对传感器的定义是:“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。•传统传感器的局限性•网络化、智能化的程度十分有限,缺少有效的数据处理与信息共享能力•现代传感器•特点:微型化、智能化和网络化•典型代表:无线传感节点4概述•无线传感节点的组成:电池、传感器、微处理器、无线通信芯片;相比于传统传感器,无线传感节点不仅包括传感器部件(左上图),还集成了微型处理器和无线通信芯片等,能够对感知信息进行分析处理和网络传输。5概述被测量敏感元件转换元件基本电路电量传感器微处理器无线通信芯片电池•无线传感器的“三化”发展方向6概述微型化网络化智能化传感器微处理器无线通信电池25°C1+1=2•3.1发展历史•3.2硬件平台•3.3操作系统*•3.4组网技术•3.5典型应用7本章内容8传感器技术发展史:两条主线加州伯克莱分校SmartDust项目微型化传感器节点对无线传感器的研究始于20世纪90年代加州洛杉矶分校LWIN项目低功耗无线传感节点1996年,LWIM团队将多种传感器、控制和通信芯片集成在一个设备上,开发了LWIM节点1998年,LWIM团队和Rockwell科学中心合作开发了WINS节点1999年,该校发布了WeC节点之后,该校又发布了一系列节点,包括Mica、Mica2、Mica2Dot,MicaZ•加州大学伯克利分校2002年•美国大鸭岛(GreatDuckIsland)•32个MICA节点•数据采集内容:温度、湿度、光照和大气压力•监测目的:持续监测海燕在繁殖季节的习性,收集相关环境数据供动物学家分析。9传感器技术发展史:“智能尘埃”的具体实现•前哈佛大学计算机系教授,现任谷歌研究中心资深研究员的MattWelsh认为,最早的无线传感器网络原型系统是美国军方于1967年在越南战争期间部署的“雪屋”系统(IGLOOWHITE)10传感器技术发展史:更早的无线传感网•计算机硬件的发展通常遵循摩尔定律:集成电路上可容纳的晶体管数量,约每隔18个月增加一倍,性能也将提升一倍。•无线传感器节点并没有像摩尔定律预测的速度发展!11传感器技术发展史:缓慢提升的性能时间硬件能力摩尔定律预测的曲线传感器节点发展曲线2004•技术发展不均衡:无线传感网传输和感知两大功能不匹配。即易感不易传,易传不易感。•功耗的制约:无线传感节点一般被部署在野外,不能通过有线供电。其硬件设计必须以节能为重要设计目标。•价格的制约:无线传感节点一般需要大量组网,以完成特定的功能。其硬件设计必须以廉价为重要设计目标。•体积的制约:无线传感节点一般需要容易携带,易于部署。其硬件设计必须以微型化为重要设计目标。12制约传感器性能提升的因素?低成本与微型化•低成本的节点才能被大规模部署,微型化的节点才能使部署更加容易•节点的软件设计也需要满足微型化的需求。例如TelosB节点的内存大小只有4KB,程序存储的空间只有10KB。因此,节点程序的设计必须节约计算资源,避免超出节点的硬件能力13大规模长时间部署传感器的设计要求低功耗•在硬件设计上采用低功耗芯片•例如TelosB节点使用的微处理器,在正常工作状态下功率为3mW,而一般的计算机的功率为200到300W•软件节能策略来实现节能•软件节能策略的核心就是尽量使节点在不需要工作的时候进入低功耗模式,仅在需要工作的时候进入正常状态14大规模长时间部署传感器的设计要求灵活性与扩展性•传感器节点被用于各种不同的应用中,因此节点硬件和软件的设计必须具有灵活性和扩展性•节点的硬件设计需满足一定的标准接口,例如节点和传感板的接口统一有利于给节点安装上不同功能的传感器•软件的设计必须是可剪裁的,能够根据不同应用的需求,安装不同功能的软件模块15大规模长时间部署传感器的设计要求鲁棒性•鲁棒性是实现传感器网络长时间部署的重要保障•对于普通的计算机,一旦系统崩溃了,人们可以采用重启的方法恢复系统,而传感器节点则不行,就整个网络而言,可以适当增加冗余性,增加整体系统的鲁棒性16大规模长时间部署传感器的设计要求•3.1发展历史•3.2硬件平台•3.3操作系统*•3.4组网技术•3.5典型应用17本章内容设计需求回顾•低成本与微型化•低功耗•灵活性与扩展性•鲁棒性18硬件平台无线传感器组成•传感器•微处理器•无线通信芯片•供能装置传感器•有许多传感器可供节点平台使用,使用哪种传感器往往由具体的应用需求以及传感器本身的特点决定•需要根据处理器与传感器的交互方式:通过模拟信号和通过数字信号,选择是否需要外部模数转换器和额外的校准技术。19硬件平台设计需求回顾•低成本与微型化•低功耗•灵活性与扩展性•鲁棒性无线传感器组成•传感器•微处理器•无线通信芯片•供能装置20常用传感器及其关键特性微处理器•微处理器是无线传感节点中负责计算的核心,目前的微处理器芯片同时也集成了内存、闪存、模数转化器、数字IO等,这种深度集成的特征使得它们非常适合在无线传感器网络中使用。•影响节点工作整体性能的微处理器关键性能包括功耗特性,唤醒时间(在睡眠/工作状态间快速切换),供电电压(长时间工作),运算速度和内存大小21硬件平台设计需求回顾•低成本与微型化•低功耗•灵活性与扩展性•鲁棒性无线传感器组成•传感器•微处理器•无线通信芯片•供能装置22常用微处理器及其关键特性通信芯片•通信芯片是无线传感节点中重要的组成部分,在一个无线传感节点的能量消耗中,通信芯片通常消耗能量最多,在目前常用的TelosB节点上,CPU在工作状态电流仅500uA,而通信芯片在工作状态电流近20mA。•低功耗的通信芯片在发送状态和接收状态时消耗的能量差别不大,这意味着只要通信芯片开着,都在消耗差不多的能量23硬件平台设计需求回顾•低成本与微型化•低功耗•灵活性与扩展性•鲁棒性无线传感器组成•传感器•微处理器•无线通信芯片•供能装置通信芯片(续)•通信芯片的传输距离是选择传感节点的重要指标。发射功率越大,接受灵敏度越高,信号传输距离越远。•常用通信芯片:•CC1000:可工作在433MHz,868MHz和915MHz;采用串口通信模式时速率只能达到19.2Kbps•CC2420:工作频率2.4GHz,是一款完全符合IEEE802.15.4协议规范的芯片;传输率250Kbps24硬件平台设计需求回顾•低成本与微型化•低功耗•灵活性与扩展性•鲁棒性无线传感器组成•传感器•微处理器•无线通信芯片•供能装置25常用通信芯片及其关键特性供能装置•采用电池供电,使得节点容易部署。但由于电压、环境等变化,电池容量并不能被完全利用。•可再生能量,如太阳能。可再生能源存储能量有两种方式:充电电池,自放电较少,电能利用会比较高,但充电的效率较低,且充电次数有限;超电容,充电效率高,充电次数可达100万次,且不易受温度,振动等因素的影响。26硬件平台设计需求回顾•低成本与微型化•低功耗•灵活性与扩展性•鲁棒性无线传感器组成•传感器•微处理器•无线通信芯片•供能装置•3.1发展历史•3.2硬件平台•3.3操作系统*•3.4组网技术•3.5典型应用27本章内容•3.1发展历史•3.2硬件平台•3.3操作系统*•3.4组网技术•3.5典型应用28本章内容29组网技术WSN主要特点:无线传感器网络中的链路是不可靠的无线传感器节点的功能和资源极其受限的,使得节点不能进行很复杂的计算,测量以及维护庞大的路由表。链路质量成为影响路由协议性能的重要指标。许多无线传感器网络路由协议在其路径选择过程中均考虑了链路质量。ETX是广泛使用的路径选择指标,可实现无线传感网典型的链路测量方法。•ETX(ExpectedTransmissionCount),成功传输每个包需要的总传输次数,一条路径的ETX越小代表在这条路径上引起的总传输次数最小。Linkthroughput≈1/LinkETX30组网技术-选路指标DeliveryRatio100%50%33%Throughput100%50%33%LinkETX12331组网技术-选路指标的计算从源节点到目的节点传输成功一个数据包(并且发送者能够成功地收到ACK)所需要的传输次数为df——为从源节点到目的节点的收包率dr——从目的节点到源节点ACK的收包率•扩展到路径的情形RouteETX=SumoflinkETXs32组网技术-选路指标的计算(续)RouteETX122??Throughput100%50%50%??ETX计算举例图中标识了每条链路的收包率(假设链路反向的收包率dr均为1)。1)路径A→B。2)路径A→C→B。3)路径A→D→E→B。图3.8说明了ETX指标既不选择较长的路径(如A→D→E→B),也不选择较短的路径(如A→B),而是选择了具有最小传输代价的路径。组网技术-选路指标的计算(续)34组网技术-路由协议汇聚节点汇聚节点数据收集协议数据分发协议•CollectionTreeProtocol•初始化阶段:网络中每个节点广播自己到汇聚节点的路径的ETX。•每个节点收到广播包之后,依据邻居节点广播的路径ETX,动态选择父节点,使得自己到汇聚节点的路径ETX尽量小。•经过不断更新,网络中的每个节点都能够选择到一条到汇聚节点ETX之和最小的路径。35组网技术-数据收集协议(CTP)•Drip•Drip为每一个数据项分配一个版本号,版本号越高的数据为越新的数据。网络中每个节点周期性的广播关于一个数据项的版本信息。•当一个Drip节点发现自己的数据需要更新时,则向邻居借点发送请求包。•Drip节点在收到请求包后即广播关于被请求数据项的包。•数据分发协议与洪泛协议的本质区别•数据分发协议维护了每一个数据项的版本信息,保证该数据的最新版本能够可靠地扩散到整个网络。36组网技术-数据分发协议(Drip)•路由协议是数据传输的基础•研究方向•自组织、低功耗路由•基于链路和节点特点的路由•自适应的稳定路由•异构网络互联37组网技术-路由协议的新挑战•3.1发展历史•3.2硬件平台•3.3操作系统*•3.4组网技术•3.5典型应用38本章内容•VigilNet是由美国弗吉尼亚大学研制的用于军事监测的无线传感系统,该系统由XSM,Mica2和Mica2Dot节点构成,其规模最大达200个节点;节点通过电池供电,铺设在道路旁边,用于检测与收集移动目标的情况。•应用特点•节点自主成网、多跳传输•节点通过电池供电,通过软件节能机制延长网络的生命周期•节点智能感知、协同工作,向上提供预警的功能39典型应用-军事监测系统•2004~2007年,香港科技大学的研究团队以煤矿安全生产和紧急救援为应用目标,提出无线传感器网络煤矿监控系统。•应用特点•事故预警•紧急救援与导航•客观的安全评估与建议•传感器网络本身具有鲁棒性•克服地下信号传播困难,采取多跳传输•网络自愈,克服煤矿事故对网络拓扑产生的影响40典型应用-煤矿监测系统WSNPrototypeEnergyEfficiencyReliableRoutingMulti-SinkDeploymentGeocastingDataAggregationCompressionEventDetectionLocationSensingIDAssignment•传感器的另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