無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)第一頁，共46頁。學(xué)習(xí)任務(wù)5.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述5.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用5.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究方向第二頁，共46頁。5.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述一、WSN對物聯(lián)網(wǎng)的支撐作用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是傳統(tǒng)傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的融合，通過將無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點附加采集各種物理量的傳感器而成為兼有感知能力和通訊能力的智能節(jié)點,是物聯(lián)網(wǎng)的核心支撐技術(shù)之一。是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)感知層和傳輸網(wǎng)絡(luò)層的主要實現(xiàn)技術(shù)。第三頁，共46頁。二、什么是無線傳感器技術(shù)？無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是傳統(tǒng)傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的融合，通過將無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點附加采集各種物理量的傳感器而成為兼有感知能力和通訊能力的智能節(jié)點,是物聯(lián)網(wǎng)的核心支撐技術(shù)之一。第四頁，共46頁。三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）是由一組稠密布置、隨機散布的傳感器節(jié)點構(gòu)成的無線自組織網(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)域內(nèi)感知對象的信息,并將其提供給用戶。構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素：傳感器節(jié)點、感知對象、觀察者第五頁，共46頁。四、WSN發(fā)展歷史國外最早的傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在上世紀七十年代，將傳統(tǒng)傳感器采用點對點傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，我們稱之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。1993年，美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）聯(lián)合rockwell研究中心在

DARPA的資助下開始進行了WINS（WirelessIntegratedNetworkSensors）的項目研究。1996年起麻省理工學(xué)院(MIT)進行了μAMPS(Micro.AdaptiveMulti.domainPower.awareSensors)項目的研究。第六頁，共46頁。四、WSN發(fā)展歷史加州大學(xué)伯克利分校（UCBerkeley）于1999年在DARPA的資助下開始進行SmartDust項目的研究。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最先在空間探索領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域上得到展開，如2000年被美國國防部定為國防部科學(xué)技術(shù)五個尖端項目之一SmartSensorWeb項目。在民用方面，2002年10月24日，Intel公司發(fā)布了“基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計算發(fā)展規(guī)劃”。日本總務(wù)省在2004年3月成立了泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)調(diào)查研究會，該研究會的主要目的就是對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究開發(fā)課題、標準化課題、社會的認知性和該技術(shù)推進政策等進行探討。第七頁，共46頁。四、WSN發(fā)展歷史國內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究被記錄在1999年發(fā)表的中國科學(xué)院《知識創(chuàng)新工程試點領(lǐng)域方向研究》的信息與自動化領(lǐng)域研究報告中。2001年，微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心成立。2002年~2008年，中國國家自然基金共支持傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的面上項目111項，重點項目3項；國家“863”重點項目發(fā)展計劃共支持面上項目30余項，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“973”也設(shè)立2項與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)的項目。第八頁，共46頁。四、WSN發(fā)展歷史2006年初發(fā)布的《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術(shù)確定了3個前沿方向，其中2個與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究直接相關(guān)。中國工業(yè)與信息化部在2008年啟動的“新一代寬帶移動通信網(wǎng)”國家級重大專項中，有第6個子專題“短距離無線互聯(lián)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”是專門針對傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而設(shè)立的。第九頁，共46頁。五、WSN的特點和優(yōu)點特點網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大節(jié)點微型化動態(tài)性自組織可靠性時效性以數(shù)據(jù)為中心應(yīng)用相關(guān)性強第十頁，共46頁。五、WSN的特點和優(yōu)點優(yōu)點分布節(jié)點中多角度和多方位信息的綜合，有效地提高了對被監(jiān)測區(qū)域的觀測的準確度和信息的全面性；傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本、高冗余的設(shè)計原則為整個系統(tǒng)提供了較強的容錯能力。即使在極為惡劣的應(yīng)用環(huán)境中，監(jiān)控系統(tǒng)也可以正常工作；第十一頁，共46頁。五、WSN的特點和優(yōu)點節(jié)點中多種傳感器的混合應(yīng)用有利于提高探測的性能指標；多節(jié)點聯(lián)合，可形成覆蓋面積較大的實時探測區(qū)域。借助于個別具有移動能力的節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的調(diào)整能力，可以有效地消除探測區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點。第十二頁，共46頁。六、發(fā)展趨勢未來研究方向節(jié)點進一步微型化尋求更好的系統(tǒng)節(jié)能策略進一步降低節(jié)點成本提高傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性和抗干擾能力提高節(jié)點的自動配置能力完善高效的跨層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)的多應(yīng)用和異構(gòu)化進一步與其他網(wǎng)絡(luò)的融合第十三頁，共46頁。5.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一、節(jié)點結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的4個主要的組成部分：數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器)、數(shù)據(jù)處理和控制模塊(微處理器、存儲器)、無線通信模塊(無線收發(fā)器)和能量供應(yīng)模塊(電池)組成?？梢赃x擇的其他功能單元包括：定位模塊、移動模塊以及電源自供電模塊等。如圖5.1所示。第十四頁，共46頁。一、節(jié)點結(jié)構(gòu)圖5.1傳感器節(jié)點體系結(jié)構(gòu)第十五頁，共46頁。一、節(jié)點結(jié)構(gòu)傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)針對特定觀測對象和物理信號的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。處理器模塊負責控制整個傳感器的硬件，存儲和處理本身采集的或其它節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)。無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換應(yīng)用數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)管理控制數(shù)據(jù)。能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需要的能量，通常采用微型電池供電。第十六頁，共46頁。二、軟件結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺軟件構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)應(yīng)用的公共基礎(chǔ)，提供了高度的靈活性、模塊性和可移植性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺軟件在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)架構(gòu)中的位置如圖5.2所示。第十七頁，共46頁。二、軟件結(jié)構(gòu)圖5.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件體系結(jié)構(gòu)第十八頁，共46頁。二、軟件結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐層、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)層的一部分共性功能以及管理、信息安全等部分組成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺軟件。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺軟件采用層次化、模塊化的體系結(jié)構(gòu)，使其更加適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的要求，并用自身的復(fù)雜換取應(yīng)用開發(fā)的簡單。第十九頁，共46頁。三、拓撲結(jié)構(gòu)通常將網(wǎng)絡(luò)中的主機、終端和其他通信控制與處理設(shè)備抽象為結(jié)點；將通信線路抽象為線路，而將結(jié)點和線路連接而成的幾何圖形稱為網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。常用的拓撲結(jié)構(gòu)有平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。第二十頁，共46頁。平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最簡單的一種拓撲結(jié)構(gòu)，所有節(jié)點為對等結(jié)構(gòu)，具有完全一致的功能。圖5.3無線傳感器平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第二十一頁，共46頁。平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點：

拓撲結(jié)構(gòu)簡單，易維護，具有較好的健壯性，事實上就是一種AdHoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。由于沒有中心管理節(jié)點，故采用自組織協(xié)同算法形成網(wǎng)絡(luò)，其組網(wǎng)算法比較復(fù)雜。第二十二頁，共46頁。分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（也稱層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）是平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一種擴展拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)分為上層和下層兩個部分：上層為中心骨干節(jié)點；下層為一般傳感器節(jié)點。圖5.4無線傳感器分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第二十三頁，共46頁。分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點：

結(jié)構(gòu)擴展性好，便于集中管理，可以降低系統(tǒng)建設(shè)成本，提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和可靠性，但是集中管理開銷大，硬件成本高，一般傳感器節(jié)點之間可能不能夠直接通信。第二十四頁，共46頁?；旌暇W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中平面結(jié)構(gòu)和分級結(jié)構(gòu)的一種混合拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點之間及一般傳感器節(jié)點之間都采用平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點和一般傳感器節(jié)點之間采用分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖5.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第二十五頁，共46頁?；旌暇W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點：

拓撲結(jié)構(gòu)和分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同的是一般傳感器節(jié)點之間可以直接通信，可不需要通過匯聚骨干節(jié)點來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。這種結(jié)構(gòu)同分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比較，支持的功能更加強大，但所需硬件成本更高。第二十六頁，共46頁。Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)來看，Mesh網(wǎng)絡(luò)是規(guī)則分布的網(wǎng)絡(luò)，不同于完全連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中通常只允許和節(jié)點最近的鄰居通信，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的節(jié)點一般都是相同的，因此Mesh網(wǎng)絡(luò)也稱為對等網(wǎng)。圖5.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第二十七頁，共46頁。Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點：

網(wǎng)絡(luò)對于單點或單個鏈路故障具有較強的容錯能力和魯棒性。Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點就是盡管所有節(jié)點都是對等的地位，且具有相同的計算和通信傳輸功能。

第二十八頁，共46頁。五、協(xié)議結(jié)構(gòu)通信協(xié)議層可以劃分為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層五層，而網(wǎng)絡(luò)管理面則可以劃分為能耗管理面、移動性管理面以及任務(wù)管理面。如圖5.8(a)所示。第二十九頁，共46頁。五、協(xié)議結(jié)構(gòu)(b)圖

5.8無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)第三十頁，共46頁。五、協(xié)議結(jié)構(gòu)物理層

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)可以是無線、紅外或者光介質(zhì)。數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)流的多路復(fù)用、數(shù)據(jù)幀檢測、媒體接入和差錯控制。數(shù)據(jù)鏈路層保證了傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)點到點和點到多點的連接。第三十一頁，共46頁。五、協(xié)議結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點高密度地分布于待測環(huán)境內(nèi)或周圍。在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和接收器節(jié)點之間需要特殊的多跳無線路由協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法在設(shè)計時需要特別考慮能耗的問題，傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計的設(shè)計特色還體現(xiàn)在以數(shù)據(jù)為中心。第三十二頁，共46頁。五、協(xié)議結(jié)構(gòu)傳輸層

在多種類型數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的前提下保障各種數(shù)據(jù)的端到端的傳輸質(zhì)量。應(yīng)用層

包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件。應(yīng)用層的傳感器管理協(xié)議、任務(wù)分配和數(shù)據(jù)廣播管理協(xié)議以及傳感器查詢和數(shù)據(jù)傳播管理協(xié)議是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層需要解決的三個潛在問題。第三十三頁，共46頁。五、協(xié)議結(jié)構(gòu)特點：

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議分層以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合,是對網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成功能的定義和描述。對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說,其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)。相對已有的有線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，需要更為精巧和靈活的結(jié)構(gòu)，用于支持節(jié)點的低功耗，高密度，提高網(wǎng)絡(luò)的自組織能力、自動配置能力、可擴展能力和傳感器數(shù)據(jù)的實時性保證。

第三十四頁，共46頁。5.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用一、軍事領(lǐng)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織、容錯以及信息獲取能力，使其非常適合于軍事領(lǐng)域。第三十五頁，共46頁。二、環(huán)境觀測與預(yù)報領(lǐng)域常見的應(yīng)用包括：可通過跟蹤珍稀鳥類、動物和昆蟲的棲息、覓食習(xí)慣等進行瀕臨種群的研究等；

可在河流沿線分區(qū)域布設(shè)傳感器節(jié)點，隨時監(jiān)測水位及相關(guān)水資源被污染的信息；

在山區(qū)中泥石流、滑坡等自然災(zāi)害容易發(fā)生的地方布設(shè)節(jié)點，可提前發(fā)出預(yù)警，以便做好準備，采取相應(yīng)措施，防止進一步的惡性事故的發(fā)生；

可在重點保護林區(qū)鋪設(shè)大量節(jié)點隨時監(jiān)控內(nèi)部火險情況，一旦有危險，可立刻發(fā)出警報，并給出具體方位及當前火勢大??；

布放在地震、水災(zāi)、強熱帶風(fēng)暴災(zāi)害地區(qū)、邊遠或偏僻野外地區(qū)，用于緊急和臨時場合應(yīng)急通信。第三十六頁，共46頁。二、環(huán)境觀測與預(yù)報領(lǐng)域第三十七頁，共46頁。三、空間、海洋探索借助于航天器布撒的傳感器節(jié)點實現(xiàn)對星球表面大范圍、長時期和近距離的監(jiān)測和探索，是一種經(jīng)濟可行的方案。圖5.11美國宇航局空間探索計劃中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式示意圖圖5.12水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)示意圖第三十八頁，共46頁。四、工業(yè)領(lǐng)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可用于煤礦、石化、冶金行業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域中的危險環(huán)境。圖5.13煤礦安全環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)第三十九頁，共46頁。五、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域無線傳感器可用于監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣變更情況、牲畜和家禽的環(huán)境狀況以及大面積地表檢測。圖5.15葡萄園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)示意圖圖5.16多溫室間無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的示意圖第四十頁，共46頁。六、醫(yī)療健康與監(jiān)護領(lǐng)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療研究、護理領(lǐng)域主要的應(yīng)用包括遠程健康管理、重癥病人或老齡人看護、生活支持設(shè)備、病理數(shù)據(jù)實時采集與管理、緊急救護等，也為未來的遠程醫(yī)療提供了更加方便、快捷的技術(shù)實現(xiàn)手段。圖5.17基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的人體行為監(jiān)測系統(tǒng)第四十一頁，共46頁。七、建筑領(lǐng)域無線傳感器可用于建筑施工及后期使用過程的安全監(jiān)測，包括對珍貴文物的保護。圖5.18基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)圖5.19將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在珍貴文物的保護場地第四十二頁，共46頁。八、其他領(lǐng)域智能交通控制管理安防系統(tǒng)倉儲物流管理智能家居系統(tǒng)圖