单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第五章 无线传感器网络,第五章 无线传感器网络,学习任务,5.1,无线传感器网络概述,5.2,无线传感器网络的系统结构,5.3,无线传感器网络的应用,5.4,无线传感器网络的研究方向,学习任务5.1 无线传感器网络概述,5.1,无线传感器网络概述,一、,WSN,对物联网的支撑作用,无线传感器网络技术是传统传感技术和网络通讯技术的融合，通过将无线网络节点附加采集各种物理量的传感器而成为兼有感知能力和通讯能力的智能节点,是物联网的,核心支撑技术之一,。,是物联网网络感知层和传输网络层的,主要实现技术,。,5.1 无线传感器网络概述一、WSN对物联网的支撑作用,二、什么是无线传感器技术？,无线传感器网络技术,是传统传感技术和网络通讯技术的融合，通过将无线网络节点附加采集各种物理量的传感器而成为兼有感知能力和通讯能力的智能节点,是物联网的核心支撑技术之一。,二、什么是无线传感器技术？无线传感器网络技术是传统传感技术和,三、无线传感器网络概念,无线传感器网络（,Wireless Sensor Network,，,WSN,）,是由一组稠密布置、随机散布的传感器节点构成的无线自组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域内感知对象的信息,并将其提供给用户。,构成无线传感器网络的三个要素：,传感器节点、感知对象、观察者,三、无线传感器网络概念无线传感器网络（Wireless Se,四、,WSN,发展历史,国外,最早的传感器网络出现在上世纪七十年代，将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络，我们称之为第一代传感器网络。,1993,年，美国加州大学洛杉矶分校（,UCLA,）联合,rockwell,研究中心在,DARPA,的资助下开始进行了,WINS,（,Wireless Integrated Network Sensors,）的项目研究。,1996,年起麻省理工学院,(MIT),进行了,AMPS(Micro.Adaptive Multi.domain Power.aware Sensors),项目的研究。,四、WSN发展历史国外,四、,WSN,发展历史,加州大学伯克利分校（,UC Berkeley,）于,1999,年在,DARPA,的资助下开始进行,Smart Dust,项目的研究。,无线传感器网络技术最先在空间探索领域和军事领域上得到展开，如,2000,年被美国国防部定为国防部科学技术五个尖端项目之一,Smart Sensor Web,项目。,在民用方面，,2002,年,10,月,24,日，,Intel,公司发布了,“,基于微型传感器网络的新型计算发展规划,”,。,日本总务省在,2004,年,3,月成立了泛在传感器网络调查研究会，该研究会的主要目的就是对无线传感器网络的研究开发课题、标准化课题、社会的认知性和该技术推进政策等进行探讨。,四、WSN发展历史加州大学伯克利分校（UC Berkeley,四、,WSN,发展历史,国内,无线传感器网络及其应用研究被记录在,1999,年发表的中国科学院,知识创新工程试点领域方向研究,的信息与自动化领域研究报告中。,2001,年，微系统研究与发展中心成立。,2002,年,2008,年，中国国家自然基金共支持传感器网络相关的面上项目,111,项，重点项目,3,项；国家,“,863”,重点项目发展计划共支持面上项目,30,余项，国家重点基础研究发展计划,“,973”,也设立,2,项与传感器网络直接相关的项目。,四、WSN发展历史国内,四、,WSN,发展历史,2006,年初发布的,国家中长期科学与技术发展规划纲要,为信息技术确定了,3,个前沿方向，其中,2,个与无线传感器网络研究直接相关。,中国工业与信息化部在,2008,年启动的,“,新一代宽带移动通信网,”,国家级重大专项中，有第,6,个子专题,“,短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化,”,是专门针对传感器网络技术而设立的。,四、WSN发展历史2006年初发布的国家中长期科学与技术发,五、,WSN,的特点和优点,特点,网络规模大,节点微型化,动态性,自组织,可靠性,时效性,以数据为中心,应用相关性强,五、WSN的特点和优点特点,五、,WSN,的特点和优点,优点,分布节点中多角度和多方位信息的综合，有效地提高了对被监测区域的观测的准确度和信息的全面性；,传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力。即使在极为恶劣的应用环境中，监控系统也可以正常工作；,五、WSN的特点和优点优点,五、,WSN,的特点和优点,节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标；,多节点联合，可形成覆盖面积较大的实时探测区域。借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力，可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。,五、WSN的特点和优点节点中多种传感器的混合应用有利于提高探,六、发展趋势,未来研究方向,节点进一步微型化,寻求更好的系统节能策略,进一步降低节点成本,提高传感器网络安全性和抗干扰能力,提高节点的自动配置能力,完善高效的跨层网络协议栈,网络的多应用和异构化,进一步与其他网络的融合,六、发展趋势未来研究方向,5.2,无线传感器网络的系统结构,一、节点结构,传感器网络节点的,4,个主要的组成部分：,数据采集模块,(,传感器、,A/D,转换器,),、,数据处理和控制模块,(,微处理器、存储器,),、,无线通信模块,(,无线收发器,),和,能量供应模块,(,电池,),组成。可以选择的其他功能单元包括：定位模块、移动模块以及电源自供电模块等。如图,5.1,所示。,5.2 无线传感器网络的系统结构一、节点结构,一、节点结构,图,5.1,传感器节点体系结构,一、节点结构图5.1 传感器节点体系结构,一、节点结构,传感器模块,负责监测区域内针对特定观测对象和物理信号的采集和数据转换。,处理器模块,负责控制整个传感器的硬件，存储和处理本身采集的或其它节点发来的数据。,无线通信模块,负责与其他传感器节点进行无线通信，交换应用数据和网络管理控制数据。,能量供应模块,为传感器节点提供运行所需要的能量，通常采用微型电池供电。,一、节点结构传感器模块负责监测区域内针对特定观测对象和物理信,二、软件结构,无线传感器网络中间件和平台软件构成无线传感器网络业务应用的公共基础，提供了高度的灵活性、模块性和可移植性。无线传感器网络中间件和平台软件在无线传感器网络软件系统架构中的位置如图,5.2,所示。,二、软件结构无线传感器网络中间件和平台软件构成无线传感器网络,二、软件结构,图,5.2,无线传感器网络软件体系结构,二、软件结构图5.2 无线传感器网络软件体系结构,二、软件结构,无线传感器网络应用支撑层、无线传感器网络基础设施和基于无线传感器网络应用业务层的一部分共性功能以及管理、信息安全等部分组成了无线传感器网络中间件和平台软件。,无线传感器网络中间件和平台软件采用层次化、模块化的体系结构，使其更加适应无线传感器网络应用系统的要求，并用自身的复杂换取应用开发的简单。,二、软件结构无线传感器网络应用支撑层、无线传感器网络基础设施,三、拓扑结构,通常将网络中的主机、终端和其他通信控制与处理设备抽象为结点；将通信线路抽象为线路，而将结点和线路连接而成的几何图形称为,网络的拓扑结构,。,常用的拓扑结构有,平面网络结构,、,分级网络结构,、,混合网络结构,和,Mesh,网络结构,。,三、拓扑结构通常将网络中的主机、终端和其他通信控制与处理设备,平面网络结构,平面网络结构是无线传感器网络中,最简单,的一种拓扑结构，所有节点为对等结构，具有完全一致的功能。,图,5.3,无线传感器平面网络结构,平面网络结构平面网络结构是无线传感器网络中最简单的一种拓扑结,平面网络结构,特点：,拓扑结构简单，易维护，具有较好的健壮性，事实上就是一种,Ad Hoc,网络结构形式。由于没有中心管理节点，故采用自组织协同算法形成网络，其组网算法比较复杂。,平面网络结构特点：,分级网络结构,分级网络结构（也称层次网络结构）是平面网络结构的一种扩展拓扑结构，网络分为上层和下层两个部分：上层为中心骨干节点；下层为一般传感器节点。,图,5.4,无线传感器分级网络结构,分级网络结构分级网络结构（也称层次网络结构）是平面网络结构的,分级网络结构,特点：,结构扩展性好，便于集中管理，可以降低系统建设成本，提高网络覆盖率和可靠性，但是集中管理开销大，硬件成本高，一般传感器节点之间可能不能够直接通信。,分级网络结构特点：,混合网络结构,混合网络结构是无线传感器网络中平面结构和分级结构的一种混合拓扑结构，网络骨干节点之间及一般传感器节点之间都采用平面网络结构，而网络骨干节点和一般传感器节点之间采用分级网络结构。,图,5.5,无线传感器网络混合网络结构,混合网络结构混合网络结构是无线传感器网络中平面结构和分级结构,混合网络结构,特点：,拓扑结构和分级网络结构不同的是一般传感器节点之间可以直接通信，可不需要通过汇聚骨干节点来转发数据。这种结构同分级网络结构相比较，支持的功能更加强大，但所需硬件成本更高。,混合网络结构特点：,Mesh,网络结构,Mesh,网络结构是一种新型的无线传感器网络结构，从结构来看，,Mesh,网络是规则分布的网络，不同于完全连接的网络结构，该结构中通常只允许和节点最近的邻居通信，网络内部的节点一般都是相同的，因此,Mesh,网络也称为对等网。,图,5.6,无线传感器网络,Mesh,网络结构,Mesh网络结构Mesh网络结构是一种新型的无线传感器网络结,Mesh,网络结构,特点：,网络对于单点或单个链路故障具有较强的容错能力和鲁棒性。,Mesh,网络结构最大的优点就是尽管所有节点都是对等的地位，且具有相同的计算和通信传输功能。,Mesh网络结构特点：,五、协议结构,通信协议层可以划分为,物理层,、,链路层,、,网络层,、,传输层,和,应用层,五层，而网络管理面则可以划分为能耗管理面、移动性管理面以及任务管理面。如图,5.8(a),所示。,五、协议结构通信协议层可以划分为物理层、链路层、网络层、传输,五、协议结构,(b),图,5.8,无线传感器网络协议结构,五、协议结构,五、协议结构,物理层,无线传感器网络的传输介质可以是无线、红外或者光介质。,数据链路层,数据链路层负责数据流的,多路复用,、,数据帧检测,、,媒体接入,和,差错控制,。数据链路层保证了传感器网络内点到点和点到多点的连接。,五、协议结构物理层,五、协议结构,网络层,传感器网络节点高密度地分布于待测环境内或周围。在传感器网络节点和接收器节点之间需要特殊的多跳无线路由协议。无线传感器网络的路由算法在设计时需要特别考虑能耗的问题，传感器网络的网络层设计的设计特色还体现在以数据为中心。,五、协议结构网络层,五、协议结构,传输层,在多种类型数据传输任务的前提下保障各种数据的端到端的传输质量。,应用层,包括一系列基于监测任务的应用层软件。应用层的传感器管理协议、任务分配和数据广播管理协议以及传感器查询和数据传播管理协议是传感器网络应用层需要解决的三个潜在问题。,五、协议结构传输层,五、协议结构,特点：,网络协议结构是网络的协议分层以及网络协议的集合,是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。对无线传感器网络来说,其网络协议结构不同于传统的计算机网络和通信网络。相对已有的有线网络协议栈和自组织网络协议栈，需要更为精巧和灵活的结构，用于支持节点的低功耗，高密度，提高网络的自组织能力、自动配置能力、可扩展能力和传感器数据的实时性保证。,五、协议结构特点：,5.3,无线传感器网络的应用,一、军事领域,无线传感器网络具有自组织、容错以及信息获取能力，使其非常适合于军事领域。,5.3 无线传感器网络的应用一、军事领域,二、环境观测与预报领域,常见的应用包