无线传感器网络技术概述 第一章资料

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1、无线传感网络Wireless Sensor Networks,王婷婷,本课程在专业中地位,首先，物联网是由感知层、网络层和应用层构成的层次体系。感知层主要涉及到RFID、传感器、二维码等机器设备，然后通过电信网和互联网的融合网络层，及时准确地传递物体基本信息，在应用平台上，利用各种先进智能技术对信息资料进行分析处理，以便对物体进行智能控制。传感器在基础感知层，负责对物体信息的采集和抓取，这一功能对于物联网技术的发展和应用，起着至关重要的支撑作用。无线传感器网络则是将传感器感知到的信息通过无线组网技术来进行传输的一种技能。 事实上传感技术也好、RFID技术也好，都仅仅是信息采集技术之一。除传感技

2、术和RFID技术外，GPS、视频识别、红外、激光、扫描等所有能够实现自动识别与物物通信的技术都可以成为物联网的信息采集技术。传感网或者RFID网只是物联网的一种应用，但绝不是物联网的全部。无线传感器网络不同于物联网。,本课程在专业中地位,本课程是物联网专业的一门专业技术基础课，是一门理论和实际紧密结合的课程。 本课程的任务是使学生掌握无线传感器网络的概念、相关原理、主要技术以及未来发展等，具有较强的实验技能，对学生进行逻辑思维能力训练。 为学习其他物联网专业课程准备必要的知识，并为从事有关实际工作奠定必要的基础。,1、课程定位物联网重要专业技术课,专业基础课程,专业技术课程,综合实践课程,公共

3、素质课程,单片机与接口技术 传感器理论与技术 嵌入式系统原理及应用 EDA技术基础及应用 微机原理与应用 无线传感网络 射频识别技术 ,单片机技术课设 嵌入式系统课设 RFID传感与检测技术课设 无线传感器网络综合设计,电路基础 模拟电子技术 数字电子技术 ,思想道德修养 英语 数学 ,无线传感器网络 综合设计 毕业设计等,传感器理论与技术 计算机网络技术 ,无线传感网络 ZigBee技术,先修课程,现学课程,后续课程,本课程在专业中地位,本课程的先行主要课程有：传感器理论与技术，要求学生掌握传感器相关原理以及选用等；计算机网络技术等基础课程，要求学生掌握网络传输的相关技术及方法。是涉及多学科

4、的交叉的一门课程。 总之，其地位作用：这是一门专业必修课，是作为物联网新技术，对本专来学生专业技术的一个拓展和推广。,概述,各层协议的主要技术,体系结构,协议标准,主要技术,包含全部原理知识点,主要原理性知识点,概念、特征、 关键技术、应用领域、 发展现状、与物联网之间关系,节点结构、网络结构协议栈、 网络分类,MAC协议、路由协议、传输协议,时间同步技术、拓扑控制技术、 定位技术、数据融合技术,与其他网络融合技术,IEEE 802.15.4标准、ZIGBEE标准,与蜂窝网、互联网的融合,实验部分,主要利用 已有实验板CC2530设备来完成。,CC2530平台结构,接口组件设计与应用,外设组件

5、接口,GPIO接口组件、中断组件、 随机数组件、定时器组件等,ADC组件、串口通信组件、 通信协议组件,射频通信组件,射频模块、射频驱动控制接口和组件、 射频数据接受和发送,射频通信组件,点对点通信、点对多点通信、 通信信道设置、发送功率设置等,包含全部实验知识点,主要实验性知识点,具体实验项目,考核方法,1、考核方法,本课程共48课时： 分为24课时理论、22课时实验、2课时期末复习课。 理论部分 课堂表现 平时作业 期末考试（笔试：闭卷） 实验部分 平时操作情况（实验操作考试） 实验报告（实验理论考试）,2、成绩评定方法,理论部分 课堂表现及作业占总成绩的10% 期末考试成绩占总成绩的60

6、% 实验部分 平时操作情况和实验报告占总成绩的30% 其中， 实验操作考试占总成绩的15% 实验理论考试占总成绩的15%,无线传感网发展历程,第一代传感网络 第二代传感网络 第三代传感网络 第四代传感网络 ,什么是无线网络,计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。,所谓无线网络，就是利用无线电波作为信息传输的媒介构成的无线局域网（WLAN），与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份。,什么

7、是传感器网络,WSN-Wireless Sensor Networks 基础 微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术 解释1 由部署在观测环境附近的大量的微型廉价低功耗的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的无线网络系统。,什么是传感器网络,解释2： 传感器网络是由一组传感器以特定方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布給观察者。 传感器网络的三个基本要素： 传感器，感知对象，观察者 传感器网络的基本功能 协作地感知、采集、处理和发布感知信息,传感器接近感知对象 传感器仅产生数据流 传感器无计算能力 无

8、传感器间通信能力,传统的感知方法,有线/无线连接,现代感知方法,Sensing Area,传感器网络覆盖感知对象区域 每个传感器完成其临近感知对象的观测 多传感器协同完成感知区域的大观测任务 使用多跳路由算法向用户报告观测结果,Sink,Internet 或 通信卫星,Sensor network,传感器网络的网络结构,sink -汇聚点 sensor node -传感器节点 sensor field -监测区域,传感器网络的实体,传感器节点 功能：采集、处理、控制和通信等 网络功能：兼顾节点和路由器 资源受限：存储、计算、通信、能量 Sink节点 功能：连接传感器网络与Internet等外部

9、网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的数据。 特点：连续供电、功能强、数量少等,现代微型传感器 感知能力计算能力通信能力 体积小 能耗小,传感器节点,传感器模块：信息采集、数据转换 处理器模块：控制、数据处理、网络协议 无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据 能量供应模块：提供能量,传感器网络的特点,大规模网络：地理区域大；部署密集 提高信噪比；提高监测精度；增强容错性；减少盲区 自组织网络：不确定性；拓扑结构变化 资源受限：计算、存储、通讯、能量 动态拓扑：节点故障；通讯故障；移动性；节点加入 可靠网络：适应环境条件；鲁棒性、容错性 应用相关

10、：没有统一的通信协议平台 以数据为中心,传感器节点的限制,电源能量有限 通信能力有限 计算和存储能力有限,通信能力有限 节点带宽窄，而且经常变化 节点通信覆盖范围只有几十到几百米， 而且经常变化,挑战之一 如何在如此有限通信能力的条件下, 高质量地完成感知数据的查询、分析、挖掘与传输？ 在传感器网络环境下，发现最小化算法通信复杂性的机理是我们面临的第一个挑战问题！,多源、多跳是主要通信方式 多个传感器节点向一个目标传送信息 一次多源信息传输需要多条由多个传感器节点组成的路径,挑战之二 如何为多源信息传输选择优化通信路径？ 在传感器网络环境下，建立选择优化或近似优化通信路径的理论是我们面临的第二

11、个挑战问题！,节点移动、断接频繁 在移动网络中，节点移动频繁 节点间通信的断接频繁，导致通信失败. 经常受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响, 因此传感器可能会长时间脱离网络, 离线工作,挑战之三 通信路径重构成为突出问题？路由算法必须具有自适应性？ 如何建立网络随机连通性的数据理论，为通信路径重构和自适应路由算法设计奠定坚实理论基础是我们面临的第三个挑战问题？,电源能量有限 传感器的电源能量极其有限 由于电源能量的原因经常失效或废弃 电源能量约束是传感器网络应用的障碍 现有电源部件不能满足传感器网络的需要 传感器传输信息比执行计算更消耗电能 传感器传输1位信息需要的

12、电能足以执行3000条计算指令,挑战之四 如何传感器网络在工作过程中节省能，实现能源均衡，最大化网络生命周期？ 建立能源复杂性和能源均衡理论是我们面临的第四个挑战性问题！,计算能力有限 传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处理器和存储器，具有计算能力 但是，处理器性能、存储器容量和能源都很有限，导致传感器的计算能力十分有限,挑战之五 如何使用大量具有有限计算能力的传感器设计能源有效的高性能分布式算法? 设计同时最小化能源、时间、空间和通信复杂性的分布式算法是我们面临的第五个挑战性问题！,传感器数量大、分布范围广 传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多 传感器网络可以

13、分布在很大区域，也可以分布在险恶环境下 传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护,挑战之六 如何使传感器网络软硬件具有高强壮性和容错性是我们面临的第六个挑战性问题！,大规模分布式触发器 很多传感器网络需要对感知对象进行控制（如温度控制） 传感器需要配备回控装置和控制软件 我们称回控装置和控制软件为触发器,挑战之七 如何管理成千上万分布式触发器是我们面临的第七个挑战性问题？,感知数据流无限 传感器网络每个传感器都产生无限的流式数据，并具有实时性 每个传感器仅具有有限的存储器和计算资源，难以处理巨大的实时数据流,挑战之八 如何设计高效率、能源有效、实时的海量感知数据流的查询、分

14、析和挖掘的分布式算法？,以数据为中心 传感器网络不是通常的网络 用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件 用户很少询问“A节点到B节点的连接是如何实现的？” 用户经常询问“网络覆盖区域中那些地区出现毒气？” 传感器网络不是以地址为中心的 用户不会询问“地址为27的传感器的温度是多少？” 用户感兴趣是“某个地理位置的温度是多少？” 数据传输以聚集方式进行,而不是地址到地址的路由,传感器网络是以数据为中心的网络 把传感器视为感知数据流或感知数据源 把传感器网络视为感知数据空间或数据库 把数据管理和处理作为网络的应用目标,挑战之九 如何建立以数据为中心的传感器网络？ 以感知数据管理和处理为中心; 把

15、数据管理和处理技术与网络技术融为一体; 为用户提供有效的感知数据空间或感知数据库; 使用户如同使用通常的数据库系统和数据处理 系统一样自如地使用感知数据. 传感器网络数据管理系统的理论和技术是我们面临的第九个挑战性问题！,需要多种多样的感知器 物理传感器 生物传感器 化学传感器 ,挑战之十 如何建立新感知器概念、理论、技术和各种新型感知器是我们面临的第十个挑战性问题？,其他挑战性问题 传感器的投放或撒播理论与技术 传感器的定位问题 时钟同步问题 组网连通可靠性研究和探测覆盖率研究 传感器网络安全性问题和抗干扰问题 信号的协作处理,传感器网络的协议栈（1）,能源管理平台： 管理传感器节点如何使用

16、能量； 移动管理平台： 检测和注册传感器节点的移动，维护到汇聚点的路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居； 任务管理平台： 在一个给定的区域内平衡和调度监测任务,传感器网络的协议栈（2）,传感器网络物理层（1）,传输媒体 建议采用ISM （工业、科学和医学）频段 短距离的无线低功率通信最适合传感器网络 红外 不需要许可证，抗干扰 要求收发双方在视线之内 光 不排除用光作为通信媒体,传感器网络物理层（2）,频率选择，载频发生，信号检测，调制，数据加密 信号传播 传播信号需要的最小发送功率和传输距离d的n次方（ ）成正比，2= n 4. 为了减小传输距离，传感器网络采用多跳 （multihop）通信方式,传感器网络MAC协议的功能（1）,功能 无线信道的使用 建立传感器网络的基础结构 考虑因素 节省能量 可扩展性 链路带宽分配的公平性、带宽利用率、延时性能等 目前普遍认为这三个方面的重要性依次递减,MAC协议的能量浪费因素（2）,空闲侦听：节点不知道邻居节点何时向自己发送数据，射频收发模块必须一直处于工作状态，消耗大