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1、1,第7章 无线传感器网络与物联网,2,蓬勃发展的无线传感器网络WSN WSN的技术热点 特殊的传感网：RFID 物联网IOT,提纲,3,1 蓬勃发展的无线传感器网络,1.1 无线传感器网络的发展现状 1.2 无线传感器网络的特点和结构,4,无线传感器网络的发展现状 随着微电子和微系统(MEMS)、无线通信、信号处理这三个技术领域近年来的飞速发展，一个新的研究领域成为国内外关注的热点，这就是基于大量具有通信功能的微型无线传感器构造的无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks)。 WSN具有极其广泛的应用，如感知战场状态（军事应用）、环境监控（如气候、地理、污染变化的
2、监控）、物理安全（如建筑和结构的）监控、城市道路交通监控、安全场所的视频监控,5,无线传感器网络的发展现状,WSN应用例子安全监控（如矿井结构、瓦斯）智能网将网络功能分解后由各个SIB来完成,6,国际学术界对WSN的关注专刊 IEEE Journal on Selected Areas in Communications (2004,VOL.22,NO.6,2005,VOL.23,NO.4，2006,VOL.24,NO.2 ) Proceedings of The IEEE (2003,Vol.91,N0.8) IEEE Wireless Communications(December 200
3、4) IEEE Signal Processing Magazine (2006,VOL.23,NO.4 ) 。 WSN相关的国际会议 Wireless Communications and Networking Conference Wireless Communications, Networking and Mobile Computing ISCIT、 ICASSP、 ISSCS 。,无线传感器网络的发展现状,7,2002年Berkeley大学启动了NEST计划 目的：开发出Network Embedded Systems Technology (NEST) 开放式的软、硬件实验平台，
4、以加速发展面向应用 多样化的算法、服务和体系构架 美国国防研究机构DARPA意识到传感器网络的巨大应用价值 10年前启动了一个分布式传感器网络计划DSN（Distributed Sensor Networks program） 2001年又启动一个传感器信息技术计划SensIT（Sensor Information Technology program）,无线传感器网络的发展现状,8,2004年在美国国家平台研究计划 目的：把无线传感器网络技术自然科学基金、国家健康协会的资助下，哈佛大学启动了CodeBule应用于医疗事业领域，包括医疗救急、灾害事故的快速反应、病人康复护理等方面。 2003年
5、INTEL公司在Berkeley大学的研究中心启动了关于WSN方面的研究计划,内容：异构传感器网络，测量各种异构传感器网络的性能，研究嵌入式处理在异构网络中的应用。 mote计划，开发下一代的自组织WSN节点，设计出更强处理能力、更大存储容量、更高带宽和可靠射频能力的节点。 TASK计划，研发Tiny Application Sensor Kit （TASK），为一般用户快速开发和部署自己的WSN应用，提供简单实用的开发套件。,无线传感器网络的发展现状,9,欧洲2002年启动的EYES研究计划非,无线传感器网络的发展现状,10,无线传感器网络的发展现状,11,12,结论：美国和欧洲对WSN非常
6、重视，投入巨大人力和物力广泛开展理论和应用平台的研究开发,无线传感器网络的发展现状,13,国内对WSN的研究 2004年中国国家自然科学基金委员会将无线传感器网络列为重点研究项目 2005年我国开始传感网标准化研究工作 国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)在支持的重点领域及其优先主题“ 信息产业及现代服务业”中列入了“传感器网络及智能信息处理” , 并在前沿技术中重点支持“ 自组织传 感器网络技术” 2008年9月启动的国家16个重大专项中03专项设立7个方向，WSN为第6个“短距离无线互联与传感 器网络研发”。,无线传感器网络的发展现状,14,1.2 无线传感器网络的特点和
7、结构,15,WSN有两种组网结构,WSN通信体系平面结构 1)平面拓扑结构，如上图。所有的网络节点处于相同的平等地位,不存在任何的等级和层次差异,所以也被称为对等式结构。,16,2)逻辑分层结构，如右图。网络节点按照某种规则（如 地理位置、应用需求）分成各个簇，每个簇由簇头和成 员节点构成,智能网概念模型,WSN的逻辑分层结构,17,2) WSN的技术热点 无线传感器网络的技术热点 WSN若干的研究结果 面向未来的无线传感器网络,18,网络拓扑控制技术 研究的内容：是满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和节点选择，生成高效的数据转发的网络拓扑结构。 目的：网络拓扑控制能够提高路由协议和
8、MAC协议的效率，有利于节省节点的能量以延长网络生存期。 研究热点：是通过激活选定的节点集合，以能量有效的方式进行网络拓扑控制。GAF（从等效路由的角度选择工作节点）、SPAN（从维护WSN骨干传输网的角度选择工作节点）等算法,2.1 无线传感器网络的技术热点,19,节点的连接和覆盖技术 定义两种连接：纯连接（任意两个节点都能通信，包括直接和多跳，这是物理基础）、路由连接（节点间通过某种路由算法连接，主要考虑能够快速传递数据、能耗最小，即考虑优化）；建立的连接模型主要涉及节点密度、通信距离、跳数、连接度覆盖问题指为了保证整个区域都在监测范围内，需要按照一定规则或者密度在目标区域布置传感器，通常
9、认为传感器的传感范围是以节点为中心的园，基本要求是相邻传感器覆盖范围连通，同时考虑到通信要求,2.1 无线传感器网络的技术热点,20,问题节点的探测和隔离技术 对传感器网络中问题节点（包括已经失效和性能降低）的探测及其隔离，研究安全路由策略，规避问题节点，如SEAD、SPINS、SNEP、SAR、改进AODV等；也有人研究路由空洞问题（路由空洞节点指那些所有的邻居节点，距离sink的距离都比自己远的节点），这样如果采用贪婪（GF）算法，数据就无法传送到控制节点了。,2.1 无线传感器网络的技术热点,21,路由技术 WSN路由技术的分类： 以数据为中心的路由协议，如SPIN、Rumor Rout
10、ing等路由算法。 分层路由协议，如LEACH、TEEN等路由算法。 基于节点位置的路由协议，如MECN、GAF等路由算法 基于QoS的路由协议，考虑数据传输的时延、可靠性等QoS指标，如MLER、SPEED等路由算法 基于MA（Mobile Agent）的路由协议； 其它各种基于节能的路由,2.1 无线传感器网络的技术热点,22,媒质接入控制技术 MAC协议的指标：能耗、带宽需求、冲突避免和维持网络连接 MAC协议的分类： 基于调度算法的（Scheduling-based）MAC协议，如SMACS、DE-MAC等协议算法 非碰撞的（Collision free）MAC协议，如IP-MAC、T
11、RAMA等协议算法 基于竞争（Contention-based）的MAC协议，如SMAC、T-MAC等协议算法 混合（Hybrid scheme）的MAC协议，如混合DMAFDMA等协议算法,2.1 无线传感器网络的技术热点,23,媒质接入控制标准 1998年3月，IEEE标准化协会正式成立802.15工作组，制定WPAN（数米到10米范围）的MAC和PHY标准。下设4个任务组，802.15.1即蓝牙，是中速率，近距离的WPAN，用于手机、PDA等等近距离通信；802.15.2，研究802.15.1与WLAN（802.11）的共存问题；802.15.3，研究高速WPAN；802.15.4，即Z
12、igbee，研究低能耗、低速率（20、40、250kbps）、低成本的WPAN，该标准被许多WSN产品采纳。,2.1 无线传感器网络的技术热点,24,定位技术 WSN定位技术的特点 WSN中的节点一般都是随机放置在需要探测的区域，不预先知道自己的位置 没有位置信息的监测信息通常是没有实际意义的，所以定位技术是WSN中一项关键技术 WSN定位技术的方案 节点分为信标节点和位置未知节点 信标节点可以根据GPS技术或者其他方式获知自己的位置，其他节点通常会采用传统的三边测量法、三角测量法或极大似然估计法确定自己的位置。,2.1 无线传感器网络的技术热点,25,节能技术 WSN节能的特点： WSN中的
13、节点一般使用电池供电，布设以后很难更换，因此能量有效性成了首要问题，直接关系到网络的使用寿命 WSN节能的分类： 节点级(node-level)节能：网络内节点的软硬件节能设计及系统的节能架构 节点间(inter-node level)节能：节点间协同工作及节点间能量的协调控制 网络级(network level)节能：延长网络寿命而采用的能量均匀消耗措施,2.1 无线传感器网络的技术热点,26,鲁棒性 WSN鲁棒性特点： 应用必须自适应于节点故障和信道质量的波动 鲁棒性的分类 应对节点故障的鲁棒性，如多径路由算法、单径路由修复算法 应对无线信道波动的鲁棒性，建立适合于WSN的传输层协议算法，
14、如PSFQ(Pump Slowly,Fetch Quickly),2.1 无线传感器网络的技术热点,27,2.2 WSN若干的研究结果,1、自行开发无线传感器网络系列(普通、医疗、多媒体)硬件节点 2、自行开发无线传感器网络中间件软件 3、自行开发无线传感器网络平台软件 。,28,29,30,31,2.3 面向未来的无线传感器网络,32,WSN和其他无线通信技术的融合,33,WSN的应用前景：,34,35,特殊的WSN：RFID,何为RFID ？ RFID是英文Radio Frequency Identification 的缩写，中文称为: 1. 无线射频身份识别 2. 感应式电子芯片 3.
15、感应卡 4. 非接触卡.等等， 是非接触式自动识别技术的一种。,36,RFID系统工作原理,37,RFID工作原理 阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，标签获得能量被激活，并将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到计算机系统进行相关处理；计算机系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制， 发出指令信号控制执行机构动作。,38,标签（Tag）：标签是射频识别系统的核心，是射 频识别系统真正的数据载体。标签由耦合元
16、件及芯 片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物 体上标识目标对象；依据射频标签供电方式的不 同，可以分为有源标签和无源标签。 阅读器（Reader）：阅读器用以产生发射无线电射 频信号并接收由电子标签反射回的无线电射频信 号，经处理后获取标签数据信息，有时阅读器也可 以写信息到标签。阅读器可被设计为手持式或固定 式。 天线（Antenna）：天线是为标签和阅读器提供射 频信号空间传递的设备。阅读器的天线可以内置也 可以外置。,39,RFID特性（1） (一) 数据可读写 只要通过RFID 阅读器即可不需接触，直接读取信息至数据库內，且可一次处理多个标签，並可以将物流处理的状态写入标签，供下一阶段物流处理的读取判断之用。 (二) 小型化、形狀多样： RFID在读取上並不受尺寸大小与形状的限制，不需为了读取精确度而固定其尺寸和印刷质量。,40,RFID特性（2） (三) 鲁棒性强： 纸张一受到污染就看不清楚，但RFID对水、 油和药
