無線傳感器原理.ppt

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ),適用：電氣信息類專業(yè),教材及參考書,1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)明教程，崔遜學(xué)，清華大學(xué)出版社 2、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，孫利民，清華大學(xué)出版社 3、智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，于海斌，科學(xué)出版社,聯(lián)系方式,辦公室：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)樓340 電 話：84315468 E-mail：,911歷史事件,尋找拉登藏身之處,應(yīng)用需求引發(fā)研究熱潮,綜觀計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展史，應(yīng)用需求始終是推動(dòng)和左右全球網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)步的動(dòng)力與源泉。,第一章 緒 論,一,什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò),二,傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史,三,傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用情況,四,傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù),教學(xué)目的：掌握傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本情況,本章重點(diǎn)：基本概念、應(yīng)用情

2、況,一、什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò),無 線 網(wǎng) 絡(luò),有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng),無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng),移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò),無線傳感器網(wǎng)絡(luò),有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò),需要固定基站,如使用的手機(jī)，屬于無線蜂窩網(wǎng)，需要高大的天線和大功率基站來支持，基站就是最重要的基礎(chǔ)設(shè)施； 使用無線網(wǎng)卡上網(wǎng)的無線局域網(wǎng)，由于采用了接入點(diǎn)這種固定設(shè)備，也屬于有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)。,無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)-無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)是分布式的，沒有專門的固定基站。 無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)分為兩類: 一類是移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad hoc Network,簡(jiǎn)稱MANET)，終端是快速移動(dòng)的。 另一類就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)是靜止的或者移動(dòng)很慢。,無線傳感器網(wǎng)

3、絡(luò)(WSN)是大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息，并報(bào)告給用戶。,“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”術(shù)語的標(biāo)準(zhǔn)定義,傳感器技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù),通 信 技 術(shù),感 官,大 腦,神 經(jīng),現(xiàn)代信息技術(shù),信息系統(tǒng),無線傳感器網(wǎng)絡(luò),物 理 層,數(shù)據(jù)鏈路層,網(wǎng) 絡(luò) 層,傳 輸 層,應(yīng) 用 層,能 量 分 配,移 動(dòng) 管 理,應(yīng) 用 優(yōu) 化,傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物示例,1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的常用邏輯結(jié)構(gòu)圖,傳感器1,傳感器2,傳感器N,無線鏈路,無線接口 模塊,監(jiān)控主機(jī),基本工作過程,(1) 傳感器節(jié)點(diǎn)的處理器模塊完成計(jì)算與控制功能，射頻模塊完成無線通

4、信傳輸功能，傳感器探測(cè)模塊完成數(shù)據(jù)采集功能，通常由電池供電，封裝成完整的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 (2) 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)只需要具有處理器模塊和射頻模塊，通過無線方式接收探測(cè)終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，再傳輸給有線網(wǎng)絡(luò)的PC機(jī)或服務(wù)器。,(3) 各種類型的低功耗網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)可以構(gòu)成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，或者混合型的ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有的路由節(jié)點(diǎn)還可以采用電源供電方式。,1.2傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu),1、節(jié)點(diǎn)的體系組成 從無線聯(lián)網(wǎng)的角度來看，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。,1.3 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)的體系組成,類似于傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)中的TCP/IP協(xié)議體系，它由

5、物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。,(1) 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,(2) 網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái),網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)主要是對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)自身的管理和用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，包括拓?fù)淇刂?、服?wù)質(zhì)量管理、能量管理、安全管理、移動(dòng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理等。,(3) 應(yīng)用支撐平臺(tái),應(yīng)用支撐平臺(tái)建立在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)之上，包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件; 通過應(yīng)用服務(wù)接口和網(wǎng)絡(luò)管理接口來為終端用戶提供各種具體應(yīng)用的支持。,應(yīng)用支撐平臺(tái)包括如下內(nèi)容：, 時(shí)間同步 定位 應(yīng)用服務(wù)接口 網(wǎng)絡(luò)管理接口,2、傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu),根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的多少，傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以分為平面結(jié)構(gòu)和分級(jí)結(jié)構(gòu)。 如果網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小，一

6、般采用平面結(jié)構(gòu)。如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大，則必須采用分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。,(1) 平面結(jié)構(gòu),平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單，所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，又稱為對(duì)等式結(jié)構(gòu)。 源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間一般存在多條路經(jīng)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷由這些路徑共同承擔(dān)，一般情況下不存在瓶頸，網(wǎng)絡(luò)比較健壯。,平面結(jié)構(gòu)的不足,平面型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)的組織、路由建立、控制與維持的報(bào)文開銷上都存在問題； 這些開銷會(huì)占用很大的帶寬，影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸速率； 整個(gè)系統(tǒng)在宏觀上將損耗很大的能量； 可擴(kuò)充性差。,(2) 分層結(jié)構(gòu),分層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),傳感器網(wǎng)絡(luò)被劃分為多個(gè)簇； 每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)簇成員組成。這些簇頭形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。 簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，簇成員

7、只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量； 具有很好的可擴(kuò)充性。,分層結(jié)構(gòu)的不足,簇頭的能量消耗問題較大，簇頭發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文的頻率要高出普通節(jié)點(diǎn)幾倍或十幾倍； 在簇內(nèi)運(yùn)行簇頭選擇程序來更換簇頭。,1.4傳感器節(jié)點(diǎn)的限制條件,傳感器網(wǎng)絡(luò)由數(shù)據(jù)獲取子網(wǎng)、數(shù)據(jù)分布子網(wǎng)和控制管理中心三部分組成。,主要組成部分是集成了傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通過協(xié)議自組織成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)，將采集的數(shù)據(jù)優(yōu)化后經(jīng)無線電波傳輸給信息處理中心。 傳感器節(jié)點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，存在一些限制和約束。,1、電源能量有限,耗能模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。 隨著集成電路工藝的進(jìn)

8、步，處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量主要消耗在無線通信模塊上。,1、電源能量有限,傳感器節(jié)點(diǎn)的絕大部分能量消耗在無線通信模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸信息時(shí)要比執(zhí)行計(jì)算時(shí)更消耗電能； 傳輸l比特信息100m距離需要的能量大約相當(dāng)于執(zhí)行3000條計(jì)算指令所消耗的能量。,2、通信能力受限,通常無線通信的能量消耗與通信距離的關(guān)系符合如下規(guī)律： n滿足關(guān)系2n4。n的取值與很多因素有關(guān)，如傳感器節(jié)點(diǎn)部署貼近地面時(shí)，障礙物多、干擾大，n取值就大；天線質(zhì)量對(duì)信號(hào)發(fā)射質(zhì)量影響也很大。 通常取n為3，假定通信能耗與距離三次方成正比。,隨著通信距離的增加，能耗會(huì)急劇增加； 在滿足通信連通性的前提下應(yīng)盡量減少

9、單跳的通信距離； 一般而言，傳感器節(jié)點(diǎn)的無線通信半徑在100m以內(nèi)比較合適。,3、計(jì)算和存儲(chǔ)能力受限,節(jié)點(diǎn)是微型嵌入式設(shè)備，價(jià)格低、功耗小，導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲(chǔ)器容量比較小。 節(jié)點(diǎn)需要完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點(diǎn)的任務(wù)請(qǐng)求和節(jié)點(diǎn)控制等多種工作。 如何利用有限的計(jì)算和存儲(chǔ)資源完成諸多協(xié)同任務(wù)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)所需要考慮的問題。,1.5 組網(wǎng)特點(diǎn),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性、斷接性、電源能力局限性等共同特征； 在組網(wǎng)方面具有一些鮮明的自身特點(diǎn)。它的主要特點(diǎn)包括自組織性、以數(shù)據(jù)為中心、應(yīng)用相關(guān)性、動(dòng)態(tài)性、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大和需要高的可靠性等。,二、傳

10、感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史,第一階段,最早可以追溯二十世紀(jì)70年代越戰(zhàn)時(shí)期使用的傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。,胡志明小道,胡志明小道,熱帶樹,熱帶樹,轟炸機(jī),傳感器僅產(chǎn)生探測(cè)數(shù)據(jù)流 傳感器無計(jì)算能力 傳感器之間不能相互通信,傳統(tǒng)感知方法的特征,有線/無線連接,第二階段,感知能力計(jì)算能力通信能力,1999年商業(yè)周刊將傳感器網(wǎng)絡(luò)列為二十一世紀(jì)最具影響的21項(xiàng)技術(shù)之一 。,二十世紀(jì)80年代至90年代之間,第三階段,21世紀(jì)開始至今,2001,911事件,2002,橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室提出“網(wǎng)絡(luò)就是傳感器”。,2003,2006,美國(guó)技術(shù)評(píng)論雜志評(píng)出深遠(yuǎn)影響人類未來生活的十大新興技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一 。,我國(guó)發(fā)布國(guó)家中長(zhǎng)期

11、科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要。,計(jì)算設(shè)備的演化歷史,三、傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用情況,（一）民事應(yīng)用,大鴨島海燕監(jiān)測(cè),無人干擾監(jiān)測(cè),鳥 巢,海 燕,大 鴨 島,橋 梁 監(jiān) 測(cè),健 康 監(jiān) 測(cè),海 洋 監(jiān) 測(cè),環(huán) 境 監(jiān) 測(cè),電力高壓線,高爾夫球場(chǎng),葡 萄 園,道 路 交 通,智能停車場(chǎng),物流系統(tǒng),列車鐵軌,高速公路系統(tǒng),韓國(guó)濟(jì)州島智能漁場(chǎng),北京大興區(qū)菊花基地,克爾斯博公司,浙江溫州的奶牛牧場(chǎng),沈陽玫瑰園,二零零八年五月十二日汶川地區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈地震,（二）軍事應(yīng)用,聯(lián)合國(guó)維和部隊(duì),伊 拉 克,微型感應(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò),核武器和生化武器,美軍未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)的戰(zhàn)場(chǎng)警戒示意圖,傳感器節(jié)點(diǎn),通行車輛,槍聲定位反恐系統(tǒng),F-22

12、猛禽戰(zhàn)斗機(jī),美國(guó)F-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī),機(jī)外傳感器網(wǎng)絡(luò),美軍“沙地直線”項(xiàng)目,無線鏈路,目標(biāo)探測(cè)、分類和跟蹤,傳感器節(jié)點(diǎn),傳感器節(jié)點(diǎn),密封形封裝罩,節(jié)點(diǎn)封裝示例（一）,特點(diǎn)： 表面光滑 可以滾動(dòng) 自動(dòng)調(diào)整姿態(tài)位置 萬向節(jié)固定架設(shè)計(jì),節(jié)點(diǎn)封裝示例（二）,錐形罩,特點(diǎn)： 底基重量大 自正位 “懸垂鐘擺”式電路板 飛機(jī)拋撒,“狼群”地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò),美軍共計(jì)完成23項(xiàng)傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目,網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè),四、傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù),通信能力有限 節(jié)點(diǎn)通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米,關(guān)鍵之一 如何在有限的通信能力條件下, 完成探測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸？ 無線通信技術(shù)是第一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)！,電源能量有限 通常電池供電，工作環(huán)境惡劣，一次部署終生使用，更換電池困難,關(guān)鍵之二 如何節(jié)省電源、最大化網(wǎng)絡(luò)的使用壽命？ 低功耗設(shè)計(jì)問題是第二項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)！,計(jì)算能力有限 節(jié)點(diǎn)體積小，處理器和存儲(chǔ)器性能有限，不允許進(jìn)行復(fù)雜算法的運(yùn)算,關(guān)鍵之三 嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)是第三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)！,自組織的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò) 傳感器網(wǎng)絡(luò)沒有基站 節(jié)點(diǎn)失效、新節(jié)點(diǎn)加入，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性，需要自動(dòng)愈合,關(guān)鍵之四 多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)路由是第四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)！,傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)