電子科大無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課件wsnchapter1概述.ppt

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)黃樂天,上課時(shí)間：周三1、2節(jié)（立人樓 B109） email: Tel:61831105（O） Office:科研樓B224(B) - 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：科B237（待定） - 課程考核方式： 平時(shí)考核（15%）、期末考試（60%）和實(shí)驗(yàn)考核（25%）,Course Overview,Textbook: “Wireless Sensor Networks無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，Lan F.Akyildiz, Mehmet Can Vuran編，徐平平，劉昊，褚宏云等譯，電子工業(yè)出版社，第1版，2013年3月。,參考書及預(yù)備知識(shí),Reference books 1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用，姚向華

2、、楊新宇、易勁剛、韓九強(qiáng)，高等教育出版社，第1版，2012年4月。 2. 智能網(wǎng)絡(luò)傳感器與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，景博、張劼、孫勇，國(guó)防工業(yè)出版社，第1版，2011年1月。 3物聯(lián)網(wǎng)/無(wú)線傳感網(wǎng)原理與實(shí)踐，賈靈、王新宇、鄭淑軍，北京航空航天大學(xué)出版社，第1版，2011年1月。 Prerequisite knowledge and/or skills 計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)，微機(jī)原理，傳感原理與信息感知技術(shù),WSN是一門交叉學(xué)科，涉及計(jì)算機(jī)、微電子、網(wǎng)絡(luò)、通信、信號(hào)處理、傳感器等諸多領(lǐng)域,隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)、片上系統(tǒng)soc、納米材料、無(wú)線通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的進(jìn)步以及互

3、聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展 傳統(tǒng)傳感器信息獲取技術(shù)從獨(dú)立的單一化模式向集成化、微型化，智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，成為信息獲取最重要和最基本的技術(shù)之一。,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及這么多知識(shí)、技術(shù)。需要哪些基礎(chǔ)？達(dá)到什么目標(biāo)？需要掌握哪些重點(diǎn)？,WSN的定義（維基百科）,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多在空間中分布的自動(dòng)裝置組成的一種無(wú)線通信計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，這些裝置使用傳感器協(xié)作地監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況（比如溫度、聲音、振動(dòng)、壓力、運(yùn)動(dòng)或污染物）。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展最初起源于戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等軍事應(yīng)用。而現(xiàn)今無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用于很多民用領(lǐng)域，如環(huán)境與生態(tài)監(jiān)測(cè)、健康監(jiān)護(hù)、家居自動(dòng)化以及交通控制等。,起源于軍事目的的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在

4、民用化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)哪些問題？對(duì)其后續(xù)發(fā)展帶來(lái)什么影響？,WSN的特征,大規(guī)模 為了獲取精確信息，在監(jiān)測(cè)區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，可能達(dá)到成千上萬(wàn)，甚至更多。 自組織 在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道。 動(dòng)態(tài)性 傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因?yàn)橄铝幸蛩囟淖儯涵h(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點(diǎn)故障或失效；環(huán)境條件變化可能造成無(wú)線通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時(shí)通；傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性；新節(jié)點(diǎn)的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化，具有動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)

5、性。,WSN的特征,可靠性 由于監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大，不可能人工“照顧”每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)。 以數(shù)據(jù)為中心 用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時(shí)，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個(gè)確定編號(hào)的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)在獲得指定事件的信息后匯報(bào)給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語(yǔ)言交流的習(xí)慣。 集成化 傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗低，體積小，價(jià)格便宜，實(shí)現(xiàn)了集成化。,以上哪些特征是“普世化”的，哪些特征只針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景。,VWSN的特征,可靠性 由于監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大，不可能人工“照顧”每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚

6、至不可維護(hù)。 以數(shù)據(jù)為中心 用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時(shí)，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個(gè)確定編號(hào)的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)在獲得指定事件的信息后匯報(bào)給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語(yǔ)言交流的習(xí)慣。 集成化 傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗低，體積小，價(jià)格便宜，實(shí)現(xiàn)了集成化。,以上哪些特征是“普世化”的，哪些特征只針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景。,網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),從無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的角度來(lái)看，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體系由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)和應(yīng)用支撐平臺(tái)三個(gè)部分。,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議類似于傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)中的TCP/IP協(xié)議體系，它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組

7、成。 各層內(nèi)容將在后續(xù)章節(jié)依次介紹討論。,Contents,第1章 概述 -4學(xué)時(shí)chap1、2 第2章 傳感器與執(zhí)行器-2學(xué)時(shí)chap14 第3章 傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)影響因素-2學(xué)時(shí)chap3 第4章 物理層 -4學(xué)時(shí)chap4 第5章 介質(zhì)訪問控制 -6學(xué)時(shí)chap5 第6章 差錯(cuò)控制 -2學(xué)時(shí)chap6 第7章 網(wǎng)絡(luò)層 -4學(xué)時(shí)chap7 實(shí)驗(yàn) 基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn) -8學(xué)時(shí) 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 自學(xué)第8，9，10章 了解第13，15，16，17，18章,Chapter 1: Introduction,什么是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)？,巨型機(jī)說(shuō)：“我認(rèn)為全球大概只需要五臺(tái)計(jì)算機(jī)就夠了”； PC機(jī)說(shuō)：“每個(gè)家庭的桌面上都

8、應(yīng)該有一臺(tái)電腦” ； Pocket PC說(shuō)：“太大了，應(yīng)該每人口袋里放一臺(tái)” ； WSN說(shuō)：“每粒沙子都應(yīng)該是一臺(tái)計(jì)算機(jī)”。,Internet、衛(wèi)星或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等,匯聚節(jié)點(diǎn),監(jiān)測(cè)區(qū)域,傳感器節(jié)點(diǎn),什么是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),WSN是一種分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用無(wú)線多跳的通信方式，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，具有自組織、自控制以及自適應(yīng)等智能屬性。由傳感器節(jié)點(diǎn)、感知對(duì)象和觀察者三個(gè)基本要素組成。,Sink,傳感器節(jié)點(diǎn),Internet、衛(wèi)星或移動(dòng)通信網(wǎng),WSN體系結(jié)構(gòu),終端用戶,檢測(cè)區(qū)域,Sensor Types,Light Thermopile Ultraviolet IR Visible Light C

9、olor sensors Magnetic Sound Ultrasound Accelerometer Temperature Pressure Humidity Touch sensors,回顧微機(jī)原理或嵌入式系統(tǒng)內(nèi)容 理解無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)和組成，工作原理及應(yīng)用 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)都是以此為基礎(chǔ),Small Low power Low bit rate High density Low cost (dispensable) Autonomous Adaptive,傳感器節(jié)點(diǎn)硬件,各種節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)平臺(tái),傳感器節(jié)點(diǎn)的具體產(chǎn)品,Sensor Node Hardware,Two main com

10、ponents Base (Processor + Transceiver) Sensor Board Base + Sensor Board(s) = Sensor Node,Sensor Node Features,Sensor Motes Timeline,Rockwell WINS,Smart Dust,JPL Sensor Webs,Dust,Examples for Sensor Nodes,MICA Mote,Rene Mote,weC Mote,Dot Mote,Examples for Sensor Nodes,Current Platforms: 1st Generatio

11、n,Mica2DOT (2003) 16Kb program mem RFM TR1000 (CSMA/ASK) Lightweight and small Mica2 Mica2 and MicaZ use EEPROM; Stargate uses SDRAM Imote2 will have different versions, SRAM changes accordingly,SENSOR NODE FEATURESCommunication and Power, With external Bluetooth adapter With external WLAN adapter D

12、ifferent sleep levels,MICAz Platform,Microprocessor: Atmel ATmega128L 7.3728 MHz clock 128 kB of Flash for program memory 4 kB of SRAM for data and variables 2 UARTs (Universal Asynchronous Receive and Transmit) Serial Port Interface (SPI) bus Dedicated hardware I2C bus Radio: Chipcons CC2420 (IEEE

13、802.15.4) 250 kbit/s External serial flash memory: 512 Kb xbow estimates 100000 samples 51-pin expansion connector Eight 10-bit analog I/O 21 general purpose digital I/O User interface: 3 programmable LEDs Powered by two AA batteries 1850 mAh capacity,Logger Flash,ATMega128L controller Analog I/O Di

14、gital I/O,Freq. Tunable Radio,51-Pin Expansion Connector,Antenna,MMCX connector,LEDs,Telos Platform,Robust USB interface Integrated antenna (30m-125m) External antenna capability (500m) High Performance 10kB RAM, 48 KB ROM 12-bit ADC and DAC (200ksamples/sec) Hardware link-layer encryption,Telos Pla

15、tform,Single board philosophy Robustness, Ease of use, Lower Cost Integrated Humidity 125m outdoor ranges,SunSPOT Platform,Microprocessor: 32 bit ARM920T core 180 MHz clock 512 kB of Flash for program memory 4 MB of Flash for data USB Connection Radio: Chipcons CC2420 (IEEE 802.15.4) 250 kbit/s 3.7V

16、 rechargeable 720 mAh lithium-ion battery Software: Squawk VM Fully capable J2ME CLDC 1.1 Java VM with OS functionality VM executes directly out of flash memory Device drivers in Java Automatic battery management,實(shí)驗(yàn)平臺(tái),無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn),傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用一般不需要很高的信道帶寬，卻要求具有較低的傳輸延時(shí)和極低的功率消耗，使用戶能在有限的電池壽命內(nèi)完成任務(wù) IEEE 802

17、.15.4標(biāo)準(zhǔn)把低功耗、低成本作為主要目標(biāo)，為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種互連互通的平臺(tái)，各大射頻芯片廠商也陸續(xù)推出支持該標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線收發(fā)芯片 ZigBee、無(wú)線HART和6LoWPAN等無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范均是基于IEEE 802.15.4-2006低速率無(wú)線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),The 802.15.4 / Zigbee sandbox,Wireless Technologies Compared,ZigBee聯(lián)盟簡(jiǎn)介,ZigBee聯(lián)盟組成 成立于2001年9月 成員為半導(dǎo)體廠商、無(wú)線IP供應(yīng)商、OEM廠商及終端用戶 擁有150個(gè)成員，包括飛思卡爾、菲利普、三菱、三星、IBM及華為等 Zi

18、gBee聯(lián)盟的宗旨 在一個(gè)開放式全球標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上使穩(wěn)定的、低成本的、低功耗的、無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控和控制產(chǎn)品成為可能,ZigBee標(biāo)準(zhǔn),ZigBee來(lái)源于蜜蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式。蜜蜂通過(guò)跳ZigZig形狀的舞蹈?jìng)鬟f新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離與方向等信息 ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)。 ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，采用了IEEE802.15.4作為其物理層和媒體接入層規(guī)范。在其基礎(chǔ)之上，ZigBee聯(lián)盟制定了數(shù)據(jù)鏈路層（DLL)網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用編程接口API規(guī)范，并負(fù)責(zé)高層應(yīng)用、測(cè)試和市場(chǎng)推廣等方面的工作 ZigBe

19、e技術(shù)將主要嵌人在消費(fèi)性電子設(shè)備、家庭和建筑物自動(dòng)化設(shè)備、工業(yè)控制裝置、電腦外設(shè)、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機(jī)等設(shè)備，支持小范圍的基于無(wú)線通信的控制和自動(dòng)化等領(lǐng)域中的應(yīng)用，同時(shí)還支持地理定位功能,ZigBee e.g. Light switch, infrared sensor 38 primitives,Full Function Device (FFD) Any topology Network coordinator capable Talks to any other device 3 modes: PAN Coordinator, Coordinator, Device 49 primi

20、tives (14 PHY+ 35 MAC) (1/3 of Bluetooth),IEEE 802.15.4 Topologies,Star,PAN Coordinator,802.15.4 Topology：Peer-Peer Topology Combined Topology,Full function device,Reduced function device,Clustered stars - for example, cluster nodes exist between rooms of a hotel and each room has a star network for

21、 control.,Point to point,Network Pieces PAN Coordinator,PAN Coordinator “owns” the network Starts it Allows other devices to join it Provides binding and address-table services Saves messages until they can be delivered And more could also have i/o capability A “full-function device” FFD Mains power

22、ed,Network Pieces - Router,Routers Routes messages Does not own or start network Scans to find a network to join Given a block of addresses to assign A “full-function device” FFD Mains powered depending on topology Could also have i/o capability,Network Pieces End Device,End Device Communicates with

23、 a single device Does not own or start network Scans to find a network to join Can be an FFD or RFD (reduced function device) Usually battery powered,物理層信道分配和調(diào)制方式,注：* 項(xiàng)為可選項(xiàng)目，系802.15.4-2006新增內(nèi)容,IEEE 802.15.4 PHY - Operating Frequency Bands,868MHz / 915MHz PHY,The 2.4GHz ISM band,802.11 DSSS,IEEE 802.

24、15.4 PHY幀格式,PHY 負(fù)載,物理幀頭(PHR),同步頭(SHR),PSDU,Reserved (1 比特),Frame length (7 比特),SFD,前導(dǎo)碼（preamble）,可變,1 字節(jié),1 字節(jié),Ocets:4 字節(jié),SFD，Start-of-Frame Delimiter PSDU，PHY Service Data Unit,IEEE 802.15.4 MAC幀格式,幀頭MHR，MAC Header：包括幀控制域，幀序列號(hào)，地址和用于加解密的附加安全頭部 幀尾MFR，MAC Footer：16位CRC校驗(yàn)碼,802.15.4：General Frame Structu

25、re,4 Types of MAC Frames: Beacon Frame Data Frame Acknowledgment Frame MAC Command Frame,無(wú)線 HART,無(wú)線HART（WirelessHART）標(biāo)準(zhǔn)是HART通訊協(xié)議的擴(kuò)展，專為如過(guò)程監(jiān)視和控制等工業(yè)環(huán)境應(yīng)用所設(shè)計(jì)。 IEC 6259（Ed. 1.0）是國(guó)際電工委員會(huì)于2010年4月批準(zhǔn)發(fā)布的完全國(guó)際化的無(wú)線HART標(biāo)準(zhǔn)，是過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域的第一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 圖示網(wǎng)絡(luò)有5種組件,6LoWPAN,IEEE于2004年11月成立了一個(gè)6Lowpan（IPv6 over IEEE 802154或IP

26、v6 over LR PAN）工作組，專門致力于如何實(shí)現(xiàn)IPv6數(shù)據(jù)包在IEEE 802.15.4上的傳輸，研究基于1Pv6 over IEEE與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相關(guān)的通信標(biāo)準(zhǔn) 6LoWPAN是“IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks”（低功率無(wú)線個(gè)域網(wǎng)上的IPv6）縮寫 屬IETF（因特網(wǎng)工程任務(wù)組）中的一個(gè)工作組，負(fù)責(zé)制訂基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)個(gè)域網(wǎng)上IPv6傳輸?shù)耐ㄓ嵓夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 現(xiàn)已發(fā)布了RFC4944基礎(chǔ)性的技術(shù)規(guī)范。,6LowPan草案,6Lowpan是IPv6 over Low Power wireless

27、 Personal Area Network的縮寫，該草案的目標(biāo)是制訂如何在Lowpan上傳輸IPv6報(bào)文。 當(dāng)前Lowpan采用的開放協(xié)議主要指IEEE 802. 15.4 MAC 層標(biāo)準(zhǔn),在上層并沒有一個(gè)真正開放的標(biāo)準(zhǔn)支持路由等功能。 由于IPv6是下一代互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，在技術(shù)上均趨于成熟，并且在Lowpan上采用IPv6協(xié)議可以與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，因此IETF成立了專門的工作組制定如何在802.15.4協(xié)議上發(fā)送和接收IPv6報(bào)文等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),Overview,6LoWPAN is an acronym of IPv6 over Low power Wireless Personal

28、Area Networks. A simple low throughput wireless network comprising typically low cost and low power devices. Common topologies include star, mesh, and combinations of star and mesh. The Phy and MAC layers conform to IEEE 802.15.4-2003 standard,6LoWPAN Characteristics,Small packet size (127Byte) 16-b

29、it short or IEEE 64-bit extended media access control addresses Low bandwidth. (250kbps) Low power, typically battery operated Relatively low cost,6LoWPAN,The Working Group will generate the necessary documents to ensure interoperable implementations of 6LoWPAN networks and will define the necessary

30、 security and management protocols and constructs for building 6LoWPAN networks. 6lowpan will work closely with the Routing Over Low power and Lossy networks (roll) working group which is developing IPv6 routing solutions for low power and lossy networks (LLNs).,ROLL,ROLL: defining the routing solut

31、ion within the LLN (Low power and Lossy Network).,Description of Working Group,Low power and Lossy networks (LLNs) are made up of many embedded devices with limited power, memory, and processing resources. They are interconnected by a variety of links, such as IEEE 802.15.4, Bluetooth, Low Power WiF

32、i, wired or other low power PLC (Powerline Communication) links. LLNs are transitioning to an end-to-end IP-based solution to avoid the problem of non-interoperable networks interconnected by protocol translation gateways and proxies.,Problem,No method exists to make IP run over IEEE 802.15.4 networks Stacking IP and above layers “as is” may not fit within one 802.15.4 frame IPv6 40 octets, TCP 20 octets, UDP 8 octets + other layers (security, routing, etc) leaving few