生活中物联网技术应用-第八讲

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1、生活中的物联网技术应用,一,什么是无线传感器网络,二,传感器网络的发展历史,三,传感器网络的应用情况,四,传感器网络的关键技术,第八讲 无线传感器网络技术,一、什么是无线传感器网络,911历史事件,寻找拉登藏身之处,应用需求引发研究热潮,概念与定义,微型智能网络化,传统,热,雷达,地震波,红外,温度,湿度,压力,光强度,速度,微机电系统,嵌入式系统,无线通信,微型,智能,网络,传感器,传感器,化学成分,无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。,“无线传感器网络”术语的标准定

2、义,可以看出，传感器、感知对象和观察者是传感器网络的三个基本要素。这三个要素之间通过无线网络建立通信路径，协作地感知、采集、处理、发布感知信息，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术，它们分别构成了信息系统的“感官”、“大脑”和“神经”三个部分。,传感器网络的常用逻辑结构图,传感器1,传感器2,传感器N,无线链路,无线接口 模块,监控主机,二、传感器网络的发展历史,第一阶段：最早可以追溯至20世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。,当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”上进行了一场血腥较量，这条道路是胡志明部队向南方游击队源源不断输送物资的秘密通道，美

3、军曾经绞尽脑汁动用航空兵狂轰滥炸，但效果不理想。后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。,所谓“热带树”，实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要越军车队经过，传感器就会探测出目标产生的震动和声响信息并自动发送到指挥中心，美军飞机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏越军4.6万辆卡车。,传感器仅产生探测数据流传感器无计算能力 传感器之间不能相互通信,传统感知方法的特征,有线/无线连接,第二阶段：20世纪80年代至90年代。,感知能力计算能力通信能力,1999年商业周刊将传感器网络列为二十一世纪最具影响的21项技术之

4、一 。,此阶段主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。,第三阶段:21世纪初至今。,2001,911事件,2002,橡树岭实验室提出“网络就是传感器”。,2003,2006,美国技术评论杂志评出深远影响人类未来生活的十大新兴技术，传感器网络列为第一 。,我国发布国家中长期科学与技术发展规划纲要。,这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。除了应用于情报部门反恐活动以外，在其他领域也获得了很好的应用。,计算设备的演化历史,三、传感器网络的应用情况,（一）民事应用,2002年，美

5、国的科学家把无线传感器网络技术应用于监视大鸭岛海鸟的栖息情况。他们使用了包括光、湿度、气压计、红外传感器、摄像头在内的近10种传感器类型，系统通过自组织无线网络，将数据传输到300英尺外的基站计算机内，再由此经卫星传输至加州的服务器。,大鸭岛生态环境监测系统,大鸭岛海燕监测,该系统使用的器件包括上百个MICA2节点，经过定制的传感器模板、笔记本电脑、Stargate信号接收处理板及卫星通信传输系统等。,大鸭岛海燕监测,传感器节点及其封装,桥 梁 监 测,健 康 监 测,海 洋 监 测,环 境 监 测,电力高压线,高尔夫球场,葡 萄 园,道 路 交 通,在智能交通方面，美国交通部提出了“国家智能

6、交通系统项目规划”，预计到2025年全面投入使用。该系统综合运用大量传感器网络，配合GPS系统、区域网络系统等资源，实现对交通车辆的优化调度，并为个体交通推荐实时的、最佳的行车路线服务。目前在美国宾夕法尼亚州的匹兹堡市已经建有这样的智能交通信息系统。,智能停车场,物流系统,列车铁轨,高速公路系统,以中科院上海微系统所为首的研究团队正在积极开展WSN在城市交通中的应用。中科院软件所在地下停车场基于WSN网络技术实现了细粒度的智能车位管理系统，使得停车信息能够迅速通过发布系统推送给附近的车辆，大大提高了停车效率。,在物流领域中，基于RFID和传感器节点在大粒度商品物流管理中已得到了广泛的应用。宁波

7、中科万通公司与宁波港合作，实现了基于RFID网络的集装箱和卡车的智能化管理。,案例：基于RFID的集装箱管理系统,韩国济州岛智能渔场,北京大兴区菊花基地,克尔斯博公司,浙江温州的奶牛牧场,沈阳玫瑰园,（二）军事应用,联合国维和部队,伊 拉 克,微型感应传感器网络,核武器和生化武器,美军未来战斗系统的战场警戒示意图,传感器节点,通行车辆,枪声定位反恐系统,美国军方成功测试了由Crossbow产品MICA2组建的枪声定位系统，将传感器节点安置在建筑物周围，能够有效地按照一定的程序组建网络进行突发事件(如枪声、爆炸源等)的检测，为救护、反恐提供有力的辅助手段。图1.6所示是枪声定位系统100 m 1

8、00 m的实验场地俯瞰图及节点分布示意图。,F-22猛禽战斗机,美国F-22猛禽战斗机,机外传感器网络,美军“沙地直线”项目,无线链路,目标探测、分类和跟踪,传感器节点,传感器节点,密封形封装罩,节点封装示例（一）,特点： 表面光滑 可以滚动 自动调整姿态位置 万向节固定架设计,节点封装示例（二）,锥形罩,特点： 底基重量大 自正位 “悬垂钟摆”式电路板 飞机抛撒,“狼群”地面传感器网络,美军共计完成23项传感器网络项目,网络工程专业,四、传感器网络的关键技术,通信能力有限 节点通信覆盖范围只有几十到几百米,关键之一如何在有限的通信能力条件下, 完成探测数据的传输？无线通信技术是第一项关键技术

9、！,传感器网络的关键技术,电源能量有限 通常电池供电，工作环境恶劣，一次部署终生使用，更换电池困难,关键之二 如何节省电源、最大化网络的使用寿命？ 低功耗设计问题是第二项关键技术！,传感器网络的关键技术,计算能力有限 节点体积小，处理器和存储器性能有限，不允许进行复杂算法的运算,关键之三嵌入式操作系统设计是第三项关键技术！,传感器网络的关键技术,自组织的动态网络 传感器网络没有基站 节点失效、新节点加入，导致网络拓扑结构的动态性，需要自动愈合,关键之四多跳自组织的网络路由是第四项关键技术！,传感器网络的关键技术,传感器网络是以数据为中心的网络 用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件,关键之五

10、 如何建立以数据为中心的传感器网络？ 传感器网络的第五项关键技术是数据融合方法！,传感器网络的关键技术,网络攻击无处不在 传感器节点的物理操纵 传感信息的窃听 拒绝服务攻击 私有信息的泄露 ,关键之六安全性是传感网络设计的重要问题。如何保护机密数据和防御网络攻击是第六项关键技术！,传感器网络的关键技术,45,1.2 传感器网络的体系结构,1.2.2 传感器网络节点的结构,（Note：实心箭头的方向表示数据在节点中的流动方向）,辅助单元：移动系统、定位系统、自供电系统 因此可能还需要功能完善的微型化嵌入式操作系统,46,从无线联网的角度来看，传感器网络节点的体系由分层的网络通信协议网络管理平台应

11、用支撑平台 三个部分组成。,节点的体系组成,1.2 传感器网络的体系结构,1.2.3 网络体系结构,47,(1) 网络通信协议类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系，它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。,1.2.3 网络体系结构,1.2 传感器网络的体系结构,节点的体系组成,IEEE 802.15.4低速无线个域网(LR-WPAN)标准。 目标：低能量消耗、低速率传输、低成本 旨在为个人或家庭范围内不同设备之间低速互联提供统一标准。,48,(2) 网络管理平台,网络管理平台主要是对传感器节点自身的管理和用户对传感器网络的管理，包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理

12、、安全管理、移动管理、网络管理等。,(3) 应用支撑平台,应用支撑平台建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上，包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。,1.2.3 网络体系结构,1.2 传感器网络的体系结构,节点的体系组成,49,应用支撑平台包括如下内容：, 时间同步 定位 应用服务接口 网络管理接口,1.2.3 网络体系结构,1.2 传感器网络的体系结构,节点的体系组成,50,根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。如果网络的规模较小，一般采用平面结构。如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。,1.2

13、 传感器网络的体系结构,1.2.3 网络体系结构,传感器网络的结构,51,传感器网络的结构,(1) 平面结构,平面型的网络结构在节点的组织、路由建立、控制与维持的报文开销上都存在问题，这些开销会占用很大的带宽，影响网络数据的传输速率。另外，整个系统在宏观上将损耗很大的能量。还有一个缺点就是可扩充性差。,1.2 传感器网络的体系结构,1.2.3 网络体系结构,平面结构的网络比较简单，所有节点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。源节点和目的节点之间一般存在多条路经，网络负荷由这些路径共同承担，一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。,52,问题就是簇头的能量消耗问题，簇头发送和接收报文的频率要高出普

14、通节点几倍或十几倍，因而要求可以在簇内运行簇头选择程序来更换簇头。,传感器网络的结构,(2) 分级结构,1.2 传感器网络的体系结构,1.2.3 网络体系结构,在分级结构中，传感器网络被划分为多个簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。簇头节点负责簇间数据的转发，簇成员只负责数据的采集。这大大减少了网络中路由控制信息的数量，具有很好的可扩充性。,53,1.3 传感器网络的特征,无线自组网(Ad Hoc Network)：几十至上百个节点、无线通信、动态组网、多跳转发、节点移动、对等网络。,1.3.1 与现有无线网络的区别,传感器网络是集成了监测、控制和无线通信的网络系

15、统，节点数量庞大（上千上万）；节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下大多数传感器节点是固定不动的。,另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。,54,1.3 传感器网络的特征,1.3.2 与现场总线的区别,自动化领域现场总线控制系统（Fieldbus Control System, FCS）专门为实现在严格的实施约束条件下工作而特别设计的。,控制局域网络CAN、局部操作网络Lonworks、过程现场总线Profibus、可寻址远程传感器数据通信HART等,无线传感器网络可以看作是无线现场总

16、线的实例，但是无线传感网络关注的焦点不是数十毫秒范围内的实时性，而是具体的业务应用，这些应用能够容许较长时间的延迟和抖动。此外，基于传感器网络的一些自适应协议在现场总线中并不需要，而且现场总线及其协议也不需要考虑节约能源问题。,55,无线传感器网络可以看成是由数据获取子网、数据分布子网和控制管理中心三部分组成。它的主要组成部分是集成了传感器、数据处理单元和通信模块的节点，各节点通过协议自组织成一个分布式网络，将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，也存在一些限制和约束。,1.3 传感器网络的特征,1.3.3 传感器节点的限制条件,56,电源能量有限,传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量主要消耗在无线通信模块上。从图中可知传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能，传输l比特信息100m距离需要的能量大约相当于执行3000条计算指令所消耗的能量。,