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1、无线传感网络 绪论 课程 - 01作者：利海沃周数安排 2总体介绍与物理层讲解 3MAC层协议 4拓扑控制技术 5路由协议 6时间同步、定位技术、覆盖 7以Zigbee为例讲解1 8以Zigbee为例讲解2 9WSN操作系统与硬件平台介绍 10一周的准备演讲 11由同学来上台演讲(主题待定) 12由同学来上台演讲(主题待定) 13实验1 14实验2 15实验3课程安排理清思绪所有移动站点都处于平等地位 无中心站，所有站点间可直接通信无需中继 所有站点共享同一信道，竞争同一信道 不便于采用定向天线 用户增加时，冲突厉害 适合用户少且范围小的组网ABCDE频率f无中心对等结构（Ad-hoc） 临时
2、会议/紧急情况 科学考察/探险/军事战 场 接入网络服务商所需的 时间和成本 现有服务和架构的性能 或者能力 远离网络基础设施而希 望保持与网络的连接无网络基础设施可用不想使用网络设施网络基础设施范围外自 组 织 网 络自组织网络的应用需求Ad-hoc与WSN的异同项目WSNAd-hoc网络功能以获取感知信息为主要目的的信息采集 网络解决人与人、设备与设备之间 信息传输 节点能力小型化、低成本、低功耗，处理能力低 ，通信速率与通信距离有限处理与存储能力、通信能力、 可靠性相对强大 网络形态大规模、密度高小型网络，密度高后冲突增大 拓扑结构一到多、多到一（节点到用户，节点间 一般不存在通信）任意
3、的点到点业务特征由用户发起查询或节点检测到异常或周 期报告，业务量低传输话音、数据、视频等业务 ，业务量高 关注问题以数据为中心，电池供电，能量有限， 所以限制其网络协议算法设计强调简单 、高效以通信为目的，与能量无关， 以网络容量、QoS、业务传输 的有效性为主 相同点不依托任何网络基础设施的情况下展开工作；都可以依靠节点之间的自 组织行为协调对信道资源的使用以及在网路拓扑动态变化的情况下实现 多跳路由转发等功能。RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别， 俗称电子标签。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通 过射频信号自动识别目标
4、对象并获取相关数据，识别工作无须人工干 预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时 识别多个标签，操作快捷方便。 RFID简介RFID系统有三个主要的组成组件，分别是： 标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，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； 阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计 为手持式或固定式； 天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。RFID的组成组件 1.条形码 2.磁卡 3.IC卡 4.RFID卡现有四种识别技术条码和磁卡的成本较低，但是都容易磨损，且数据量很小；接触式IC卡的 价格稍高，数据存
5、储量较大，安全性好，但是也容易磨损，寿命短。 与条码、磁卡、接触式IC卡相比，RFID标签实现了免接触操作，具有应用 便利，无机械磨损，寿命长，无需可见光源，穿透性好，抗污染能力和耐 久性强等特点。并且，RFID标签可以在恶劣环境下工作，读取距离远，支 持写入数据，可重复使用，并使用了防冲撞技术，能够识别高速运动物体,并可同时识别多个射频卡。 信息载体信息量读/写性读取方式保密性智能化抗干扰 能力寿命成本条码纸、塑料 薄膜、金 属表面小只读CCD或激 光束扫描差无差较短最低磁卡磁性物质一般读/写电磁转换一般无较差短低IC卡EEPROM大读/写电擦除、 写入最好有好长较高RFID卡EEPROM大
6、读/写无线通信最好有很好最长较高四种识别技术的比较频率低频高频超短频微波 125KHz13.56MHz433MHz860960MHz2.4GHz识别距离60cm60cm50100m3.5m5m(P) 100m(A)1m以内（P） 50M（A）一般特性-比较高价 -几乎没有 环境变化 引起的性 能下降-比低频低廉 -适合短距离识别 和适合多重标签 识别的应用领域-长距离识别 -实时跟踪、对集 装箱内部湿度、 冲击等环境敏感-先进的IC技术使最 低廉的生产成为可 能 -多重标签识别距离 和性能最突出-特性与900M 频带类似 -受环境的影响 最多运行方式无源型无源型无源型有源型/无源型有源型/无源
7、型识别速度低速-高速 环境影响迟钝-敏感 标签大小大型-小型RFID全球使用频率RFID与无线传感的结合ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低 成本、低复杂度的无线网络技术。ZigBee采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简 单、成本低的规格； ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和 应用层。ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消 费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备 控制等。 Zigbee数据传输速率低：10KB/秒250KB /秒，专注于低传输应用 功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用624个月
8、 成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本 网络容量大：网络可容纳65,000个设备。 时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动 设备信道接入时延为15ms。 安全： ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加 密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）,各个 应用可灵活确定其安全属性。 有效范围小：有效覆盖范围1075米，具体依据实际发射功率大小 和各种不同的应用模式而定 工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz （美国），均为免执照（免费）的频段Zigbee的特点版本 ZigB
9、ee04 ZigBee06 ZigBee07 指令集 无 无 ZigBee ZigBee PRO无线射频标准 802.15.4 802.15.4 802.15.4 802.15.4 地址分配无CSKIPCSKIP随机拓扑星状树状、网状树状、网状网状大网络不支持不支持不支持支持自动跳频是，3个信道否否是PAN ID冲突解决支持否可选支持数据分割支持否可选可选多对一路由 否 否 否 是高安全支持支持支持，1密钥支持，1密钥支持，多密钥应用领域消费电子(少量节 点)住宅(300个节点 以下)住宅(300个节点 以下)商业(1000个节点 以上)Zigbee的发展网间联系200420082007200
10、620052009SA1 M2M (TR 22.868) CompletedSA3 USIM M2M (TR 33.812 ) 90% SA1 NIMTC (TS 22.368) 60%Application Use casesITU-T USN (Y.2221) , Vehicle Network2001 2002 2003IEEE 802.15.4-2003IEEE 802.15.4-2006IEEE 802.15.4-2009ZigBee V1.0ZigBee 2006 ZigBee 2007ZigBee RF4CE ZigBee IP stackIETF 6Lowpan IETF Ro
11、llRFC 4919 RFC4944ISO/IECSA2 NIMTC (TR 23.xyz) RAN2 NIMTC M2M ArchitectureM2M Service ReqIETF 6LowAppNetwork Improvement to 3GPP networkfor Machine Type CommunicationM2M TC: General Service Requirement and ArchitectureTC3、TC2、TC5Global M2M Partnership proposal (from VDF)标准的发展个人对无线传感网络的预测未来 趋势管理化（中间件
12、）网络化（IPv6）传感器技术标准化（联盟）集成化（三低）安全（数据安全、隐私）大规模网络：地理区域大、部署密集； 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； 以数据为中心； 可靠网络：适应环境条件；鲁棒性、容错 性。无线传感器网络概念网关大规模、自组织、随机部署、环境复杂、传感器节 点资源有限、网络拓扑经常变化 内网与外网连接无线传感器网络无线传感器网络无线传感器网络无线传感器网络无线传感器网络 物理层（Physical Layer）无线通讯方式有射频(RF-radio frequency)和红外(IR -in
13、frared)两种。由于红外方式的方向性限制,使其应用更 多的局限在点对点直接通讯,故无线传感器网络倾向于射频 通讯。在通迅频带使用上可参考免申请的ISM（Industrial Security Manual,工业安全手册）（工业、科学和医疗）开 放频段2.4GHz（全球）、433MHz（欧洲）和917MHz（美 国）。当通讯网络工作在开放频带时也会受到其它外部系统 的影响，使用时必须采取抗干扰（微波炉、802.11b和蓝牙 等设备）措施。无线传感器网络结构 链路层（Data Link Layer） 链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路,主要由 介质访问控制(Medium Acce
14、ss Control ,简称MAC) 组成,MAC协议的 基本作用是避免点到点通讯时冲突的发生。传感器网络的MAC协议必须满足两项基本要求:首先是组建网络 底层基础设施,实现多跳并具备自组织特性的节点无线通讯;其次是在 节点通讯过程中实现平等高效的资源共享。针对WSN的MAC提出了以 下三种解决方案: 无线传感器网络结构 网络层(Network Layer) 网络层协议主要负责路由发现和维护。路由协议可以 划分为平面路由协议和分级路由协议。WSN 路由协议设计要遵从如下原则:(1)、能量利用率优先考虑;(2)、数据为中心;(3)、不影响传感器节点探测精度条件下的数据聚合;(4)、理想的节点定位
15、和目标追踪。无线传感器网络结构 传输层(Transport Layer)当WSN需要接入Internet或其它外部网时该层才是特 别必需的,工作在ISM （工业安全手册）频段的设备可能 出现较高的数据包错误率,建立一套端到端的传输与阻塞 控制协议能够很好地满足WSN的系统需求。在协议栈的高层采用确认与重传机制明显要比底层复 杂的错误处理控制码方式易于实现可靠的数据传输。另外,由于大量传感器布局密度可能会高于需求,各传 感器节点通过在局部区域内结合信息进行冗余处理,减少 和压缩数据量可确保传输数据的高效性。但据目前了解针对传输层还没有提出进一步规划和发 布相关的探讨。无线传感器网络结构 应用层（Application Layer）WSN主要应用于对事件的探测,然而事件的探测往往需 要一个或多个节点上多种传感器的协作。这个多种不同信息结合的过程称为数据融合,它有四 个显著特点:(1)、冗余处理:同一个激励信号可被不同传感器捕获,剔 除重复不必要信息;(2)、补充信息:一种传感器捕获一种特征,多种特征的结合将获得更全面信息;(3)、及时信息:多传感器的并行采集与处理;(4)、低成本信息:为获得准确信息而需单个功能强大但高价的传感器可用多种廉价的传感器共同实现。数据融合在WSN的应用层实现,显然传输已融合的信息 要比未经处理的数据节省能量。,合理的对采集数据进行 融合不但可以改善信息获
