無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述PPT精選文檔

1、1,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）綜述,王宣丹 2007/6/6,2,主要內(nèi)容,WSN概述 歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀 WSN的體系結(jié)構(gòu) WSN的特征 WSN的應(yīng)用 WSN的協(xié)議 關(guān)鍵技術(shù) 未來發(fā)展機(jī)遇展望,3,WSN概述,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network, WSN）系統(tǒng)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等,4,WSN概述（續(xù),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network, WSN）就是由部署在檢測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)衛(wèi)星傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線

2、通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知的對(duì)象信息，并發(fā)送給觀察者。 構(gòu)成WSN的三要素： 傳感器、感知對(duì)象、觀察者,5,WSN概述（續(xù),影響力 美國商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評(píng)論在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展報(bào)告中將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最有影響的21項(xiàng)技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一。 傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為未來3大高科技產(chǎn)業(yè)一。 美國的技術(shù)評(píng)論將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來新興技術(shù)。 商業(yè)周刊 預(yù)測的未來4大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中等,6,歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀,國外： 起源于美國，根源可追溯到1978年由國防部高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）在卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)

3、發(fā)起的分布式傳感器研討會(huì)。 具有代表性的項(xiàng)目包括：1993-1999年間由美國國防高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)資助，加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)承擔(dān)的WINS項(xiàng)目； 1999-2001年間由DAPRA資助UCBerkeley承擔(dān)的SmartDust項(xiàng)目,7,歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀（續(xù),1998-2002年DARPA資助，加州大學(xué)伯克利分校等25個(gè)機(jī)構(gòu)聯(lián)合承擔(dān)的SensIT計(jì)劃； 1999-2004年間海軍研究辦公室的SeaWeb計(jì)劃等。 國內(nèi)： 中國的一些研究機(jī)構(gòu)近年開始研究：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、中科院計(jì)算所、上海微系統(tǒng)所、沈陽自動(dòng)化所以及合肥智能所等研究單位,8,歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀（續(xù),之

4、所以國內(nèi)外都投入巨資研究機(jī)構(gòu)紛紛開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，很大程度歸功于其廣闊的應(yīng)用前景和對(duì)社會(huì)生活的巨大影響,9,WSN的體系結(jié)構(gòu),傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),匯聚節(jié)點(diǎn),10,WSN的體系結(jié)構(gòu)（續(xù),傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu),11,WSN的體系結(jié)構(gòu)（續(xù),傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,12,WSN的特征,與無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別 傳感器網(wǎng)絡(luò)集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大（上千甚至上萬），分布密集，因環(huán)境和能量的耗盡，容易出現(xiàn)故障，節(jié)點(diǎn)通常固定不動(dòng)。能量、處理能力、存儲(chǔ)能力、通信能力有限。不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的高服務(wù)質(zhì)量和高效的帶寬的利用，節(jié)能是其設(shè)計(jì)的首要考慮因素,13,WSN的特征（續(xù),節(jié)點(diǎn)的限制 電池能量有限 通

5、信能力有限 能量消耗和通信距離關(guān)系E正比于d (n).2n4 計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限,14,WSN的特征（續(xù),傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)： 大規(guī)模網(wǎng)絡(luò) 自組織網(wǎng)絡(luò) 動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò) 可靠性網(wǎng)絡(luò) 應(yīng)用性相關(guān)的網(wǎng)絡(luò) 以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò),15,WSN的應(yīng)用,軍事上的應(yīng)用 傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強(qiáng)和高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，因此非常適合軍事上的應(yīng)用。通過飛機(jī)或炮彈直接將傳感器節(jié)點(diǎn)散播到敵方陣地內(nèi)部，或者在公共隔離帶部署傳感網(wǎng)絡(luò)，就能隱蔽而且近距離的準(zhǔn)確收集戰(zhàn)場信息。 例:傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為美軍事C4ISRT系統(tǒng)必不可少的一部分,16,WSN的應(yīng)用（續(xù),環(huán)境觀測和預(yù)報(bào)系統(tǒng) 可以用于檢視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣情況

6、、牲畜和家禽的環(huán)境狀況和大面積的地表監(jiān)測、氣象和地理研究、洪水監(jiān)測等。 例：ALERT系統(tǒng)中就有用于監(jiān)測降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預(yù)測爆發(fā)山洪的可能性,17,WSN的應(yīng)用（續(xù),醫(yī)療護(hù)理 用于人體的各種生理數(shù)據(jù)，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動(dòng)，醫(yī)院的藥物管理等。 例：一個(gè)可以成像的特殊發(fā)送器芯片與精巧設(shè)計(jì)的超低功率無線技術(shù)結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)可用于一個(gè)胃腸道診斷的微型吞服攝像膠囊。患者吞下維C片大小的成像膠囊后，膠囊經(jīng)過食道、胃和小腸時(shí)就可將圖象廣播出來。膠囊由一個(gè)攝象機(jī)、LED、電池、特制芯 片和天線組成。 （如圖,18,WSN的應(yīng)用（續(xù),19,WSN的應(yīng)用（續(xù),智能家居 家電和家具中嵌

7、入傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線網(wǎng)絡(luò)與Internet連在一起。為人提供人性化的家居環(huán)境。 例：Avaak 提供一個(gè)只有1立方英寸大小的自治產(chǎn)品。這個(gè)微型的無線視頻平臺(tái)包含有一節(jié)電池、無線電、攝像相機(jī)、(彩色成像器加鏡頭)、控制器、天線和溫度傳感器。（如圖,20,WSN的應(yīng)用（續(xù),21,WSN的應(yīng)用（續(xù),建筑物狀態(tài)監(jiān)控 利用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控建筑物的安全狀態(tài)。 例：Microstrain在佛蒙特州的一座重載橋梁上安裝了一套該公司研制的系統(tǒng)，將位移傳感器安裝在鋼梁上用來測量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)力，并通過無線網(wǎng)絡(luò)來采集數(shù)據(jù)。該無線系統(tǒng)可以保留在橋梁上用于長期監(jiān)測橋梁是否處于正常受控狀態(tài) 。 （如圖,22,WSN的應(yīng)用（

8、續(xù),23,WSN的應(yīng)用（續(xù),完成空間探索 借助于航天器在外星體撒播一些傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以對(duì)星球表面進(jìn)行長時(shí)間監(jiān)測。成本低、節(jié)點(diǎn)體積小，相互之間可以進(jìn)行通信，也可以和地面站進(jìn)行通信。 例：NASA的JPL（Jet Propulsion Laboratory）實(shí)驗(yàn)室研制的Sensor Webs就是為將來的火星探測進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備。該系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)施測試和完善,24,WSN的協(xié)議,MAC協(xié)議 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，介質(zhì)訪問控制協(xié)議決定無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無線通信資源，用來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)MAC協(xié)議時(shí)考慮： 節(jié)省能量 可擴(kuò)展性 網(wǎng)絡(luò)效率,25,WSN的協(xié)議（

9、續(xù),MAC協(xié)議 MAC網(wǎng)絡(luò)能量浪費(fèi)主要原因： 數(shù)據(jù)重傳，耗費(fèi)節(jié)點(diǎn)更多能量。 節(jié)點(diǎn)接受不必要的數(shù)據(jù)。 節(jié)點(diǎn)不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，過度偵聽。 信道分配時(shí)，控制消息過多,26,WSN的協(xié)議（續(xù),MAC協(xié)議 節(jié)點(diǎn)無線通信模塊的狀態(tài)包括：發(fā)送狀態(tài)、接受狀態(tài)、偵聽狀態(tài)、睡眠狀態(tài)。 各狀態(tài)耗能按上述順序依次減少，因此通常采用”偵聽/睡眠”交替使用的無線信道使用策略,27,WSN的協(xié)議（續(xù),MAC協(xié)議 針對(duì)不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，提出不同的MAC協(xié)議，主要分3類： 時(shí)分復(fù)用（TDMA）的MAC協(xié)議。 隨機(jī)競爭的MAC協(xié)議。 其他MAC協(xié)議。如：頻分復(fù)用或碼分復(fù)用等協(xié)議,28,WSN的協(xié)議（續(xù),MD協(xié)議 節(jié)點(diǎn)平均耗能

10、表示為：P=a * P0 +（1-a）* Ps P：平均功耗。 a：節(jié)點(diǎn)工作占空比。 P0： 活動(dòng)狀態(tài)下的功耗。 Ps：待機(jī)狀態(tài)下的功耗,29,WSN的協(xié)議（續(xù),MD協(xié)議 對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用P0Ps.所以可以通過降低占空比來延長壽命。但是對(duì)于極低的占空比來說，節(jié)點(diǎn)間同步非常困難，網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)99.9%處于待機(jī)狀態(tài)，引入仲裁設(shè)備就是保持功耗最小化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的時(shí)間同步。 工作過程如下,30,WSN的協(xié)議（續(xù),MD協(xié)議 節(jié)點(diǎn)A連續(xù)發(fā)送RTS信標(biāo)并等待RTS應(yīng)答。 節(jié)點(diǎn)B醒來發(fā)送一個(gè)查詢信標(biāo)，MD記錄A、B之間的時(shí)間偏移。收到節(jié)點(diǎn)B的查詢信標(biāo)后，MD發(fā)送一個(gè)響應(yīng)消息給節(jié)點(diǎn)B，告訴B節(jié)點(diǎn)A要發(fā)消息給它。并告訴它與A之間的時(shí)間差。 B收到MD的查詢響應(yīng)消息后，調(diào)節(jié)與A同步，傳消息。 得到消息被收到的確認(rèn)后，A和B均返回原來狀態(tài),31,WSN的協(xié)議（續(xù),路由協(xié)議 和傳統(tǒng)的路由協(xié)議相比，無線傳感器的路由協(xié)議有以下特點(diǎn)： 能量優(yōu)先 基于局部拓?fù)湫畔?以數(shù)據(jù)為中心 應(yīng)用相關(guān),32,WSN的協(xié)議（續(xù),路由協(xié)議分類 能量感知路由協(xié)議。 基于查詢的路由協(xié)議。 地理位置的路由協(xié)議。 可靠的路由協(xié)議,33,關(guān)鍵技術(shù),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)安全 時(shí)間同步 定位技術(shù) 數(shù)據(jù)融合 數(shù)據(jù)管理 無線通信技術(shù) 嵌入式操作系統(tǒng) 應(yīng)用層技術(shù),34,未來發(fā)展機(jī)