模塊三無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在物流中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在物流中應(yīng)用 模塊三 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)第一節(jié)第一節(jié) 傳感技術(shù)及其應(yīng)用傳感技術(shù)及其應(yīng)用n傳感技術(shù)概念n傳感技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的作用與地位n傳感技術(shù)在物流管理中的應(yīng)用 以倉儲管理中對濕度的要求以倉儲管理中對濕度的要求 介紹濕度傳感器在物聯(lián)網(wǎng)介紹中應(yīng)用介紹濕度傳感器在物聯(lián)網(wǎng)介紹中應(yīng)用一、簡介一、簡介n濕度測量技術(shù)：濕度測量技術(shù)發(fā)展已有濕度測量技術(shù)：濕度測量技術(shù)發(fā)展已有200200多年歷多年歷史；人們對濕敏元件的認(rèn)識是從史；人們對濕敏元件的認(rèn)識是從19381938年美國年美國F.W.DummoreF.W.Dummore研制成功浸涂式研制成功浸涂式LiClLiCl濕敏元件才

2、開始濕敏元件才開始的，從此以后，已有幾十種濕敏元件及傳感器應(yīng)運(yùn)的，從此以后，已有幾十種濕敏元件及傳感器應(yīng)運(yùn)而生。（可參而生。（可參濕度測量濕度測量一書）一書）毛發(fā)濕度計(jì)毛發(fā)濕度計(jì)干濕球濕度計(jì)干濕球濕度計(jì) 濕度檢測的重要性濕度檢測的重要性n濕度與科研、生產(chǎn)、人們生活、植物生長有密切關(guān)系，環(huán)境的濕度具有與環(huán)境溫度同等重要意義。n目前人們對濕度的重視程度遠(yuǎn)不及對溫度的重視。因此濕度測量技術(shù)的研究及其測量儀器遠(yuǎn)不如溫度測量技術(shù)與儀器那樣精確與完善。n由于對濕度監(jiān)測不夠精確，致使大批精密儀器與機(jī)械裝置銹蝕、谷物發(fā)霉等，每年因此造成巨大損失。電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器二、濕度及濕度傳感器二、濕度及濕

3、度傳感器1 1、濕度及其表示方法、濕度及其表示方法2 2、濕度傳感器及其特性參數(shù)、濕度傳感器及其特性參數(shù)3 3、濕度傳感器的分類、濕度傳感器的分類 1 1、濕度及其表示方法、濕度及其表示方法n 在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周圍的大氣里總是含有或多或少的水汽。n 大氣中含有水汽的多少，表示大氣的干、濕程度，用濕度來表示，也就是說，濕度是表示大氣干濕程度的物理量。n 大氣濕度有兩種表示方法：絕對濕度與相對濕度。1) 1) 絕對濕度絕對濕度n絕對濕度表示單位體積空氣里所含水汽的質(zhì)量，其表達(dá)式為:VV式中：式中： 被測空氣的絕對濕度被測空氣的絕對濕度 MV一被測空氣中水汽的質(zhì)量一被測空氣中水

4、汽的質(zhì)量 V 被測空氣的體積被測空氣的體積n相對濕度是氣體的絕對濕度相對濕度是氣體的絕對濕度(V V) )與在與在同一溫度同一溫度下，水蒸汽已下，水蒸汽已達(dá)到飽和達(dá)到飽和的氣體的絕對濕度的氣體的絕對濕度(W W) )之比，常表示為之比，常表示為RHRH其表達(dá)式為其表達(dá)式為n相對濕度相對濕度= (= (V V/W W) )100%RH100%RHn根據(jù)道爾頓分壓定律，空氣中壓強(qiáng)根據(jù)道爾頓分壓定律，空氣中壓強(qiáng)P PP Pa a十十P PV V(P(Pa a為干空氣分壓，為干空氣分壓，P PV V為濕空氣氣為濕空氣氣壓壓) )和理想狀態(tài)方和理想狀態(tài)方程，又可將相對濕度用分壓表示：程，又可將相對濕度用

5、分壓表示：n相對濕度相對濕度 (P(PV V/P/PW W) )100%RH100%RH 式中：式中：P PV V一待測氣體的水汽分壓；一待測氣體的水汽分壓； PwPw一一 同一溫度下水蒸汽的飽和水汽壓。同一溫度下水蒸汽的飽和水汽壓。2) 2) 相對濕度相對濕度2 2、濕度傳感器及其特性參數(shù)、濕度傳感器及其特性參數(shù)n濕度傳感器是指能將濕度轉(zhuǎn)換為與其成一定比例關(guān)系的電量輸出的器件式裝置。n主要特性參數(shù)有：濕度量程感濕特征量靈敏度濕度溫度系數(shù)響應(yīng)時(shí)間濕滯回線和濕滯回差n保證一個濕敏器件能夠正常工作所允許環(huán)境相對保證一個濕敏器件能夠正常工作所允許環(huán)境相對濕度可以變化的最大范圍，稱為這個濕敏元件的濕度

6、可以變化的最大范圍，稱為這個濕敏元件的濕度量程。濕度量程。n濕度量程越大，其實(shí)際使用價(jià)值越大。理想的濕濕度量程越大，其實(shí)際使用價(jià)值越大。理想的濕敏元件的使用范圍應(yīng)當(dāng)是敏元件的使用范圍應(yīng)當(dāng)是0 0100100RHRH的全量程。的全量程。1) 1) 濕度量程濕度量程2 2） 感濕特征量感濕特征量相對濕度特性曲線相對濕度特性曲線v每一種濕敏元件都有其感濕特征量，如電每一種濕敏元件都有其感濕特征量，如電阻、電容、電壓、頻率等。阻、電容、電壓、頻率等。 感濕特性曲線感濕特性曲線n濕敏元件的感濕特征量隨環(huán)境濕敏元件的感濕特征量隨環(huán)境相對濕度變化的關(guān)系曲線，稱相對濕度變化的關(guān)系曲線，稱為該元件的感濕特征量為

7、該元件的感濕特征量 相對相對濕度特性曲線，簡稱感濕特性濕度特性曲線，簡稱感濕特性曲線。曲線。n人們希望特性曲線應(yīng)當(dāng)在全量人們希望特性曲線應(yīng)當(dāng)在全量程上是連續(xù)的，曲線各處程上是連續(xù)的，曲線各處斜率斜率相等，即特性曲線呈直線。相等，即特性曲線呈直線。二氧化鈦二氧化鈦- -五氧化二釩濕五氧化二釩濕敏器件的感濕特性曲線敏器件的感濕特性曲線靈敏度靈敏度n斜率應(yīng)適當(dāng)，因?yàn)樾甭蔬^小，靈敏度降低；斜率應(yīng)適當(dāng)，因?yàn)樾甭蔬^小，靈敏度降低；斜率過大，穩(wěn)定性降低，這些都會給測量斜率過大，穩(wěn)定性降低，這些都會給測量帶來困難。帶來困難。 PIPI電容式濕度電容式濕度傳感器傳感器濕度特性圖濕度特性圖 PIPI電容式濕度電容

8、式濕度變送器變送器輸出特性曲線輸出特性曲線 3 3） 靈敏度靈敏度n定義：濕敏元件的靈敏度，就其物理含義而言，應(yīng)當(dāng)定義：濕敏元件的靈敏度，就其物理含義而言，應(yīng)當(dāng) 反映相對于環(huán)境濕度的變化，元件感濕特征量的變化反映相對于環(huán)境濕度的變化，元件感濕特征量的變化程度。程度。n表示法：直線的斜率。表示法：直線的斜率。n因此，它應(yīng)當(dāng)是濕致元件的感濕特性曲線斜率。在感因此，它應(yīng)當(dāng)是濕致元件的感濕特性曲線斜率。在感濕濕特性曲線是直線的情況特性曲線是直線的情況下，用直線的斜率來表示濕下，用直線的斜率來表示濕敏元件的靈敏度是恰當(dāng)而可行的。敏元件的靈敏度是恰當(dāng)而可行的。n然而，大多數(shù)濕敏元件的感濕特性曲線是然而，大

9、多數(shù)濕敏元件的感濕特性曲線是非線性非線性的的在不同的相對濕度范圍內(nèi)曲線具有不同的斜率。在不同的相對濕度范圍內(nèi)曲線具有不同的斜率。因此，這就造成用濕敏元件感濕特性曲線的斜率來表因此，這就造成用濕敏元件感濕特性曲線的斜率來表示靈敏度的困難。示靈敏度的困難。普遍采用的靈敏度的方法普遍采用的靈敏度的方法n目前，雖然關(guān)于濕敏元件靈敏度的表示方法目前，雖然關(guān)于濕敏元件靈敏度的表示方法尚未得到統(tǒng)一，但較為普遍采用的方法是尚未得到統(tǒng)一，但較為普遍采用的方法是用用元件在不同環(huán)境濕度下的感濕特征量之比來元件在不同環(huán)境濕度下的感濕特征量之比來表示靈敏度。表示靈敏度。n如日本生產(chǎn)的如日本生產(chǎn)的MgCrMgCr2 2O

10、 O4 4TiOTiO2 2濕敏元件的靈敏濕敏元件的靈敏度，用一組電阻比度，用一組電阻比R R1%1%R R20%20%，R R1%1%R R40%40%，R R1%1%R R60%60%，R R1%1%R R80%80%及及R R1%1%R R100%100%表示，分別為相對表示，分別為相對濕度在濕度在1 1，2020，4040，6060，8080及及100100時(shí)濕敏元件的電阻值之比。時(shí)濕敏元件的電阻值之比。4 4）濕度溫度系數(shù)）濕度溫度系數(shù)n濕敏元件的濕度溫度系數(shù)是表示濕敏元件的濕度溫度系數(shù)是表示感濕特性曲線隨環(huán)境感濕特性曲線隨環(huán)境溫度而變化溫度而變化的特性參數(shù)。的特性參數(shù)。n在不同的環(huán)

11、境溫度下，濕敏元件的感濕特性曲線是不在不同的環(huán)境溫度下，濕敏元件的感濕特性曲線是不相同的，它直接給測量帶來誤差。相同的，它直接給測量帶來誤差。n濕敏元件的濕敏元件的濕度溫度系數(shù)濕度溫度系數(shù)定義為；在濕敏元件感濕特定義為；在濕敏元件感濕特征量恒定的條件下，該感濕特征量值所表示的環(huán)境相征量恒定的條件下，該感濕特征量值所表示的環(huán)境相對濕度隨環(huán)境溫度的變化率。對濕度隨環(huán)境溫度的變化率。n由濕敏元件的濕度溫度系數(shù)值，即可得知濕敏元件由由濕敏元件的濕度溫度系數(shù)值，即可得知濕敏元件由于境環(huán)溫度的變化所引起的測濕誤差。于境環(huán)溫度的變化所引起的測濕誤差。 MgCr MgCr2 2O O4 4TiOTiO2 2

12、濕敏元件的溫度特性濕敏元件的溫度特性205 5）響應(yīng)時(shí)間）響應(yīng)時(shí)間n響應(yīng)時(shí)間反映濕敏元件在相對濕度變化時(shí)輸響應(yīng)時(shí)間反映濕敏元件在相對濕度變化時(shí)輸出特征量隨相對濕度變化的快慢程度。出特征量隨相對濕度變化的快慢程度。n一般規(guī)定：響應(yīng)相對濕度變化量的一般規(guī)定：響應(yīng)相對濕度變化量的63.263.2時(shí)時(shí)所需要的時(shí)間為響應(yīng)時(shí)間。所需要的時(shí)間為響應(yīng)時(shí)間。n在標(biāo)記時(shí)，應(yīng)寫明濕度變化區(qū)的起始與終止在標(biāo)記時(shí)，應(yīng)寫明濕度變化區(qū)的起始與終止?fàn)顟B(tài)。人們希望響應(yīng)時(shí)間快一些為好狀態(tài)。人們希望響應(yīng)時(shí)間快一些為好。 K K2 2O O一一FeFe2 2O O3 3濕度敏感器件的響應(yīng)特性曲線濕度敏感器件的響應(yīng)特性曲線6 6）濕滯

13、回線和濕滯回差）濕滯回線和濕滯回差n各種濕敏元件吸濕和脫濕的響應(yīng)時(shí)間各不各種濕敏元件吸濕和脫濕的響應(yīng)時(shí)間各不相同，而且吸濕和脫濕的特性曲線也不相相同，而且吸濕和脫濕的特性曲線也不相同。一般總是脫濕比吸濕遲后，我們稱這同。一般總是脫濕比吸濕遲后，我們稱這一特性為濕滯現(xiàn)象。一特性為濕滯現(xiàn)象。23MnMn3 3OO4 4- TiO- TiO2 2濕敏器件濕敏器件在在8080時(shí)的濕滯回線時(shí)的濕滯回線濕滯回線定義：濕滯現(xiàn)象可以用濕滯回線定義：濕滯現(xiàn)象可以用吸濕和脫濕特征曲線所構(gòu)成的回吸濕和脫濕特征曲線所構(gòu)成的回線來表示，我們稱這一回線為濕線來表示，我們稱這一回線為濕滯回線。滯回線。濕滯回差定義：在濕滯回

14、線上所濕滯回差定義：在濕滯回線上所表示的表示的最大量差值最大量差值為濕滯回差。為濕滯回差。人們希望濕敏元件的濕滯回差越人們希望濕敏元件的濕滯回差越小越好。小越好。 理想化的濕敏器件所應(yīng)具備的性能參數(shù)：理想化的濕敏器件所應(yīng)具備的性能參數(shù)：n使用壽命長，長期穩(wěn)定性好使用壽命長，長期穩(wěn)定性好n靈敏度高，感濕特性曲線的線性度好靈敏度高，感濕特性曲線的線性度好n使用范圍寬，濕度溫度系數(shù)小使用范圍寬，濕度溫度系數(shù)小n響應(yīng)時(shí)間短響應(yīng)時(shí)間短n濕滯回差小濕滯回差小n能在有害氣氛的惡劣環(huán)境中使用能在有害氣氛的惡劣環(huán)境中使用n器件的一致性和互換性好，易于批量生產(chǎn)器件的一致性和互換性好，易于批量生產(chǎn)n器件感濕特征量應(yīng)

15、在易測范圍以內(nèi)器件感濕特征量應(yīng)在易測范圍以內(nèi)三、電解質(zhì)系濕度傳感器三、電解質(zhì)系濕度傳感器1. 1.無機(jī)電解質(zhì)濕度傳感器無機(jī)電解質(zhì)濕度傳感器n氯化鋰濕敏元件（典型）氯化鋰濕敏元件（典型）n光硬化樹脂電解質(zhì)濕敏元件光硬化樹脂電解質(zhì)濕敏元件 2.2.高分子電解質(zhì)濕度傳感器高分子電解質(zhì)濕度傳感器四、半導(dǎo)體及陶瓷濕度傳感器四、半導(dǎo)體及陶瓷濕度傳感器按其制作工藝分類：按其制作工藝分類：n涂覆膜型涂覆膜型n燒結(jié)體型燒結(jié)體型n薄膜型薄膜型nMOSMOS型型五、有機(jī)物及高分子聚合物濕度傳感器五、有機(jī)物及高分子聚合物濕度傳感器1、脹縮性有機(jī)物濕敏元件脹縮性有機(jī)物濕敏元件2 2、高分子聚合物薄膜濕敏元件、高分子聚合

16、物薄膜濕敏元件第二節(jié) 通信技術(shù)n通信技術(shù)概念n通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的作用與地位n通信技術(shù)在物流管理中的應(yīng)用通信與我們生活息息相關(guān)生活中的通信經(jīng)歷了從有線到無線的發(fā)展這個變化對人們生活也有著重要的影響在講無線通信之前我們就先從下面幾個有趣的例子里去看看生活中的通信的變化吧無線通信技術(shù)很多很多年前我們只能用飛鴿、馬、船等交通工具傳信件跟物品我們要更好的通信方式1.古時(shí)候聽媽媽說打電話很方便我們需要無線電話2.有線電話時(shí)代手機(jī)進(jìn)入了我們的生活發(fā)短信也很方便無線通信太好了！3.無線電話時(shí)代 “無線通信（Wireless communication）是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的

17、一種通信方式，近些年信息通信領(lǐng)域中，發(fā)展速度最快、應(yīng)用最廣的就是無線通信技術(shù)了。在移動中實(shí)現(xiàn)的無線通信又稱為移動通信，人們把二者合成為無線移動通信?！蹦蔷烤故裁词菬o線通信呢？現(xiàn)在生活中我們常接觸無線通信無線通信在經(jīng)歷150年發(fā)展已經(jīng)融入了我們的生活的每個角落無線通信技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到人們生活和工作的各個方面。在當(dāng)代社會，無線通信也不僅僅簡單地應(yīng)用于普通移動通訊了，本世紀(jì)最熱門的無線通信科研方向是3G、WLAN、UWB、藍(lán)牙、寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)。無線通信能夠走進(jìn)千家萬戶 這一切還得從很多年前的那個夜晚那個實(shí)驗(yàn)室里那個城市里那個人說起1864年 麥克斯韋經(jīng)過多年的努力終于從理論上證明電磁波的存在從此掀

18、開了無線通信技術(shù)研究的序幕1888年 赫茲證明電磁波的存在1895年 馬可尼成功試驗(yàn)數(shù)百米的無線通信1901年 馬可尼又成功試驗(yàn)了跨越大西洋的無線通信1938年 里斯本首次采用了PCM無線通信方式七八十年代 開啟了無線局域網(wǎng)的新時(shí)代手機(jī)等無線通訊工具也逐漸普及到人們的生活v無線通信系統(tǒng)的基本工作原理v發(fā)射設(shè)備的基本原理和組成v接收設(shè)備的基本原理和組成v無線電波的基本特點(diǎn)簡單介紹:1、無線通信系統(tǒng)的基本工作原理n無線通信系統(tǒng)組成框圖 各部分作用1.信息源：提供需要傳送的信息2.變換器：待傳送的信息（圖像、聲音等）與電信號之間的互相轉(zhuǎn)換3.發(fā)射機(jī)：把電信號轉(zhuǎn)換成高頻振蕩信號并由天線發(fā)射出去4.傳輸

19、媒質(zhì)：信息的傳送通道（自由空間）5.接收機(jī)：把高頻振蕩信號轉(zhuǎn)換成原始電信號6.受信人：信息的最終接受者1、無線通信系統(tǒng)的基本工作原理2、發(fā)送設(shè)備的基本原理和組成n信號在空間直接發(fā)送存在的問題1)天線尺寸 天線尺寸與被輻射信號的波長相比擬時(shí)（波長的1/101），信號才能被天線有效的輻射出去。對于音頻范圍20Hz20kHz來說，這樣的天線不可能實(shí)現(xiàn)。2)信號選擇 如果直接發(fā)射，多家電臺的發(fā)射信號頻率范圍大致相同，接收機(jī)無法區(qū)分。n問題的解決調(diào)制1)什么是調(diào)制？ 把待傳送信號“裝載”到高頻振蕩信號上的過程。2)三種信號 調(diào)制信號、載波信號和已調(diào)信號3)三種方式 調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM

20、）2、發(fā)送設(shè)備的基本原理和組成n典型發(fā)送設(shè)備的組成框圖2、發(fā)送設(shè)備的基本原理和組成3、接收設(shè)備的基本原理和組成n信號的“卸載”解調(diào)1)什么是解調(diào)？ 從高頻已調(diào)波信號中“取出”調(diào)制信號的過程。2)解調(diào)的三種方式 對調(diào)幅波的解調(diào)檢波 對調(diào)頻波的解調(diào)鑒頻 對調(diào)相波的解調(diào)鑒相n典型接收設(shè)備的組成框圖3、接收設(shè)備的基本原理和組成4、無線電波的基本特點(diǎn)n無線電波是一種電磁波，其傳播速度與光速相同，且有=c/f。n無線電波具有直射、繞射、反射與折射等現(xiàn)象。n無線電波的三種傳播途徑（如圖）：n無線電波的波段劃分表：4、無線電波的基本特點(diǎn)波段名稱波長范圍頻段名稱頻率范圍主要用途長波LW103104m低頻(LF)

21、30300kHz長距離點(diǎn)與點(diǎn)通信中波MW102103m中頻(MF)3003000kHz廣播、船舶、飛行通信短波SW10102m高頻(HF)330kHz短波廣播、軍事通信米波110m甚高頻(VHF)30300MHz電視、調(diào)頻廣播、雷達(dá)分米波110dm特高頻(UHF)3003000MHz電視、雷達(dá)、移動通信厘米波110cm超高頻(SHF)330GHz雷達(dá)、中繼、衛(wèi)星通信毫米波110mm極高頻(EHF)30300GHz射電天文、衛(wèi)星、雷達(dá)如何組建共享無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該來說，組建局域網(wǎng)并不難。要求：1.兩臺裝有支持802.11b/g無線網(wǎng)卡的筆記本電腦2.其中一臺能連接到Internet的筆記本作為發(fā)射端，

22、另外一臺作為接收端3.操作人員需懂得一點(diǎn)點(diǎn)電腦常識Part one：發(fā)射端筆記本設(shè)置Part two:接收端筆記本設(shè)置進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)和共享中心-更改適配器設(shè)置-右鍵點(diǎn)擊無線網(wǎng)絡(luò)連接-選擇協(xié)議版本4（TCP/IPv4）-屬性-更改各項(xiàng)設(shè)置如下（192-168-1-12和255-255-255-0和192-168-1-1和192-168-1-1）IPV4設(shè)置里面設(shè)置好IP、子網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)和DNS地址IP當(dāng)然要和筆記本的網(wǎng)段一樣，不要和別的電腦重復(fù)了-然后點(diǎn)擊確定-點(diǎn)擊確定接下來就只剩下connect的工作了重新打開如下的窗口-找到之前發(fā)射端筆記本設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)名-連接點(diǎn)擊連接后-電腦彈出如下窗口-輸入之前設(shè)置的

23、安全密鑰-點(diǎn)擊確定等待發(fā)射端筆記本的網(wǎng)絡(luò)識別成功后就可兩臺筆記本同時(shí)上網(wǎng)了至此，筆記本共享無線上網(wǎng)的報(bào)告完畢第三節(jié) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目錄n傳感器網(wǎng)絡(luò)概述n傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用n傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議n傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展n傳感器網(wǎng)絡(luò)影響力什么是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，是指將地理位置不同的具有獨(dú)立功能的多臺計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備，通過通信線路連接起來，在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)管理軟件及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的管理和協(xié)調(diào)下，實(shí)現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 所謂無線網(wǎng)絡(luò)，就是利用無線電波作為信息傳輸?shù)拿浇闃?gòu)成的無線局域網(wǎng)（WLAN），與有線網(wǎng)絡(luò)的用途十分類似，最大的不同在于傳輸媒介的不同，利用無線電技術(shù)取代網(wǎng)線，可以和有線網(wǎng)絡(luò)

24、互為備份。 什么是傳感器網(wǎng)絡(luò)nWSN-Wireless Sensor Networksn基礎(chǔ)n微電子技術(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)n解釋1n由部署在觀測環(huán)境附近的大量的微型廉價(jià)低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一個多跳的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。什么是傳感器網(wǎng)絡(luò)n解釋2：n傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組傳感器以特定方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。n傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個基本要素：n傳感器，感知對象，觀察者n傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能n協(xié)作地感知、采集、處理和發(fā)布感知信息 有線有線/ /無線連接無線連接 傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)

25、絡(luò)結(jié)構(gòu)nsink -匯聚點(diǎn)nsensor node -傳感器節(jié)點(diǎn)nsensor field -監(jiān)測區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)體n傳感器節(jié)點(diǎn)功能：采集、處理、控制和通信等網(wǎng)絡(luò)功能：兼顧節(jié)點(diǎn)和路由器資源受限：存儲、計(jì)算、通信、能量nSink節(jié)點(diǎn)功能：連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)，轉(zhuǎn)發(fā)收集到的數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：連續(xù)供電、功能強(qiáng)、數(shù)量少等傳感器節(jié)點(diǎn)n傳感器模塊：信息采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換n處理器模塊：控制、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議n無線通訊模塊：無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)n能量供應(yīng)模塊：提供能量傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)n大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)：地理區(qū)域大；部署密集n提

26、高信噪比；提高監(jiān)測精度；增強(qiáng)容錯性；減少盲區(qū)n自組織網(wǎng)絡(luò)：不確定性；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化n資源受限：計(jì)算、存儲、通訊、能量n動態(tài)拓?fù)洌汗?jié)點(diǎn)故障；通訊故障；移動性；節(jié)點(diǎn)加入n可靠網(wǎng)絡(luò)：適應(yīng)環(huán)境條件；魯棒性、容錯性n應(yīng)用相關(guān)：沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺n以數(shù)據(jù)為中心傳感器節(jié)點(diǎn)的限制n電源能量有限n通信能力有限n計(jì)算和存儲能力有限傳感器網(wǎng)絡(luò)概述與ad hoc的不同WSN結(jié)點(diǎn)數(shù)量更為龐大多數(shù)節(jié)點(diǎn)為靜止節(jié)點(diǎn)分布更為密集能量約束結(jié)點(diǎn)更容易出錯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁Ad hoc幾十至上百個節(jié)點(diǎn)局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)全移動結(jié)構(gòu)變化（移動）能量可連續(xù)提供點(diǎn)到點(diǎn)通信傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧（1）n能源管理平臺： 管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能量；n 移動

27、管理平臺： 檢測和注冊傳感器節(jié)點(diǎn)的移動，維護(hù)到匯聚點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠跟蹤它的鄰居；n 任務(wù)管理平臺： 在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧（2）傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層（1）n傳輸媒體n建議采用ISM （工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻段n短距離的無線低功率通信最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)n紅外n不需要許可證，抗干擾n要求收發(fā)雙方在視線之內(nèi)n光n不排除用光作為通信媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層（2）n頻率選擇，載頻發(fā)生，信號檢測，調(diào)制，數(shù)據(jù)加密n信號傳播n傳播信號需要的最小發(fā)送功率和傳輸距離d的n次方（ ）成正比，2= n 4.n為了減小傳輸距離，傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多跳（multihop）通信方式nd傳感器網(wǎng)絡(luò)

28、MAC協(xié)議的功能（1）n功能n無線信道的使用 建立傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)n考慮因素n節(jié)省能量n可擴(kuò)展性n鏈路帶寬分配的公平性、帶寬利用率、延時(shí)性能等 目前普遍認(rèn)為這三個方面的重要性依次遞減MAC協(xié)議的能量浪費(fèi)因素（2）n空閑偵聽：節(jié)點(diǎn)不知道鄰居節(jié)點(diǎn)何時(shí)向自己發(fā)送數(shù)據(jù)，射頻收發(fā)模塊必須一直處于工作狀態(tài)，消耗大量能源，是無效能耗的主要來源。 n沖突：同時(shí)向同一節(jié)點(diǎn)發(fā)送多個數(shù)據(jù)幀，信號相互干擾，接收方無法準(zhǔn)確接收，重發(fā)造成能量浪費(fèi)n串?dāng)_：接收和處理發(fā)往其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)屬于無效功耗。n控制開銷：控制報(bào)文不傳送有效數(shù)據(jù)，消耗的能量對用戶來說是無效功耗。 傳感器MAC協(xié)議的節(jié)能策略（3）n盡量讓傳感器節(jié)點(diǎn)處于

29、睡眠狀態(tài)；n 減少傳感器節(jié)點(diǎn)之間的碰撞；n 減少接收到自己不需要接收的數(shù)據(jù)分組；（overhearing）n 減少控制消息的開銷。WSN MAC協(xié)議（4）n基于競爭nS-MAC/T-MAC/Siftn基于TDMA的nDEAN/TRAMA /DMAC/周期性消息調(diào)度n其它nSMACS/EARnCSMA/CA和CDMA結(jié)合WSN路由協(xié)議（1）n已有網(wǎng)絡(luò)ad hoc、蜂窩主要目標(biāo)通信服務(wù)質(zhì)量 帶寬利用率n傳感器網(wǎng)絡(luò)主要目標(biāo)高效使用能源 延長網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存期WSN路由協(xié)議（2）n特點(diǎn)n基于局部拓?fù)湫畔數(shù)據(jù)為中心（不知道目的節(jié)點(diǎn)的編號，甚至向哪個區(qū)域）n要求n能量高效（協(xié)議簡單|開銷小|節(jié)省能量/均衡

30、消耗）n可擴(kuò)展性（網(wǎng)絡(luò)范圍/節(jié)點(diǎn)密度）n魯棒性（節(jié)點(diǎn)變化|拓?fù)渥兓﹏快速收斂性WSN路由協(xié)議（3）n能量感知路由n能量路由/能量多路徑路由n查詢路由n定向擴(kuò)散路由(DD)/謠傳路由n地理路由nGPRS/GEAR/ GEM/邊界定位路由n可靠路由nReInform/SPEED /多路徑路由WSN傳輸層（1）n當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)需要接入Internet 或其它外部網(wǎng)絡(luò)時(shí)，傳輸層的功能是必要的n目前關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層機(jī)制和協(xié)議的建議很少n存在的問題n硬件的限制（例如有限的電能和存儲量）使傳感器節(jié)點(diǎn)不能像Internet中的服務(wù)器那樣存儲大量的數(shù)據(jù)nTCP的應(yīng)答方式開銷太大n將來有可能在傳感器網(wǎng)

31、絡(luò)中使用類似于UDP的協(xié)議，而在Internet和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中使用TCP/UDP協(xié)議WSN傳輸層（2）n一種TCP分段（TCP splitting） 的方法可能使傳感器網(wǎng)絡(luò)和其它網(wǎng)絡(luò)（如Internet)互通WSN應(yīng)用層n應(yīng)用層協(xié)議還處于探索階段n三種可能的應(yīng)用層協(xié)議n傳感器管理協(xié)議 Sensor management protocol (SMP)n任務(wù)分配和數(shù)據(jù)通告協(xié)議 task assignment and data advertisement protocol (TADAP)n傳感器詢問和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議 Sensor query and data dissemination protocol

32、 (SQDDP)WSN 時(shí)間同步（1）n時(shí)間同步是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能nMAC/跟蹤/監(jiān)測n時(shí)間同步需要的多樣性（目標(biāo)跟蹤例子）n傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的性能參數(shù)n最大誤差n同步期限n同步范圍n效率n代價(jià)和體積WSN時(shí)間同步機(jī)制（2）nTPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks ）nRBS（Reference Broadcast Synchronization）nTINY/MINI-SYNCnDMTS （Delay Measurement Time Synchronization）nPCS （Probabilistic Clock Synchronization ）WSN定位機(jī)制（1）n定位是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能n報(bào)告事件發(fā)生的地點(diǎn)n目標(biāo)跟蹤和定位n協(xié)助路由n進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理WSN