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1、物联网,武奇生,第五章 无线传感器网络简介,无线传感器网络的概念 无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Networks）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域里被监测对象的信息，并发送给远程监测中心。人们又称无线传感器网络为“智能尘埃（Smart Dust）”，将它散布于四周以实时感知物理世界的变化。,5.1 无线传感器网络概述,无线传感器网络体系结构 无线传感器网络的系统架构通常包括传感器节点(Sensor node)、汇聚节点(Sink)和管理节点(Manager Node)。,
2、图5-1 无线传感器网络的系统架构,大量传感器节点随机密布于整个被观测区域中，通过自组织的方式构成网络。传感器节点在对所探测到的信息进行初步处理之后，以多跳中继的方式将其传送给汇聚节点，然后经卫星、互联网或是移动通信网络等途径到达最终用户所在的管理节点。终端用户也可以通过管理节点对无线传感器网络进行管理和配置、发布监测任务或是收集回传数据。 传感器节点通常是一个嵌入式系统，由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制，它的处理能力、存储能力相对较弱，通信距离也很有限，通常只与自身通信范围内的邻居节点交换数据。要访问通信范围以外的节点，必须使用多跳路由。为了保证采集,到的数据信息能够通过多跳送到汇聚
3、节点，节点的分布要相当密集。从网络功能上看，每个传感器节点都具有信息采集和路由的双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要存储、管理和融合其他节点转发过来的数据，同时与其他节点协作完成一些特定任务。 汇聚节点通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，它既可以是一个具有足够能量供给、更多内存资源和计算能力的增强型传感器节点，也可以是一个带有无线通信接口的特殊网关设备。汇聚节点连接传感器网络与外部网络，通过协议转换实现管理节点与传感器网络之间的通信，把收集到的数据信息转发到外部网络上，同时发布管理节点提交的任务。,传感器节点由传感单元、处理单元、无线收发单元和电源单元等几部分组成。,图5-
4、2 无线传感器网络节点结构,传感单元由传感器和数/模转换模块组成，用于感知、获取监测区域内的信息，并将其转换为数字信号； 处理单元由嵌入式系统构成，包括处理器、存储器等，负责控制和协调节点各部分的工作，存储和处理自身采集的数据以及其他节点发来的数据； 无线收发单元由无线通信模块组成，负责与其他传感器节点进行通信，交换控制信息和收发采集数据；电源单元能够为传感器节点提供正常工作所必需的能源，通常采用微型电池。,无线传感器网络的体系结构由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑平台这三个部分组成。,无线传感器网络的体系结构,分层的网络通信协议 ：类似于传统Internet网络中的TCP/IP协
5、议体系，网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。 网络管理平台：主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理，它包括了拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。 应用支撑平台：建立在分层网络通信协议和网络管理技术的基础之上，它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)时间同步 (2)定位 (3)应用服务接口 (4)网络管理接口,无线传感器网络的特点 (1)分布式 (2)自组织 (3)拓扑变化 (4)多跳路由 (5)安全性差,无线传感器网络与无线自组网络有着许多相似之处，但
6、是无线自组网络以传输数据为目的，致力于在不依赖于任何基础设施的前提下为用户提供高质量的数据传输服务；而无线传感器网络以数据为中心，将能源的高效使用作为首要设计目标，专注于从外界获取有效信息。除此之外，无线传感器网络还具有以下一些区别于无线自组网络的独有特征。 (1)规模大、密度高 (2)动态性强 (3)应用相关 (4)以数据为中心 (5)可靠性 (6)节点能力受限,5.2 无线传感器网络研究进展,无线传感器网络的发展跨越了三个阶段：无线数据网络、无线传感器网络、普适计算。 1无线数据网络 1) ALOHA系统 2)分组无线网 3)无线局域网 4)无线个域网 5)无线自组网络,5.2.1 无线传
7、感器网络的发展历程,2无线传感器网络 1) Sensor IT 2)WINS 3)Smart Dust 4)Sea Web 5)Hourglass 6)Sensor Webs 7)IrisNet 8)NEST,3普适计算 1991年，Mark Weiser提出了“普适计算(Pervasive Computing)”的思想，即把计算机嵌入到环境或日常工具中去，让计算机本身从人们的视线中消失，使人们注意的中心回归到要完成的任务本身，并可以随时随地和透明地获得数字化的服务。它有如下特点： (1)普适性 (2)透明性 (3)动态性 (4)自适应性 (5)永恒性,5.2.2 无线传感器网络的研究进展 无
8、线传感网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、航空航天、环境监测、交通管理、医疗救护、制造业、反恐抗灾等领域，特别是在未来军事领域中，由于传感网络可以快速部署在敌对地区并收集相关情报，同时又无需人为干预，所以可以极大地减小人员的损失，是现代化电子信息战的重要体现。因此，传感网络在未来具有广泛的应用前景，它将掀起新的产业浪潮。,从2003年开始，美国科学基金委员会就开始资助传感器和无线传感网络项目，涉及能感知有毒化学物、爆炸物和生物攻击的传感器，在分布环境下的传感网络系统，传感器和工业系统的集成，以及在决策过程中如何有效利用感知数据的问题。这些研究和应用紧密联系，政府每年拨款3400万美元
9、支持大小不同的研究项目。在2005年对网络技术和系统的研究计划中，主要研究下一代高可靠的、安全的可扩展的网络，可编程的无线网络及传感器系统的网络特性，包括研究体系结构、工具、算法以及应用系统。该项资助金额达到4000万美元。,欧盟的EYES(自组织和协作有效能量的传感网络)是为期3年的一项计划，从2002年开始实施。研究的范围包括分布式信息处理、无线通信和移动计算。该项目集中研究体系结构，协议和软件，使结点“聪明”，自组织及相互协作。他们提出应具备的两层结构，低层处理传感器和传感网络，上层则根据低层提供的信息，为应用提供服务。在通信网络方面开发的新技术包括内部传感器结构，分布无线接入，路由协议
10、，可靠的端到端传输，节点时间同步和定位；在服务层，支持移动传感器应用，包括信息收集、查找、发现和安全等。 2004年3月，日本总务省成立“泛在传感网络(USN，Ubiquitous Sensor Network)”调查研究会，研究会成员共31名，除家电厂商、通信运营商和大学之外，还包括SKYLEYNETWORKS、世康、欧姆龙等大型公司。,加州大学洛杉矶分校(UCLA)在生态监控方面研究了小气候传感器和视频传感网络技术，包括通过有限的传感器节点和简单且易于测试的通信软件进行长时间数据收集的应用系统，研究在鸟巢中的微气候的影响，另外还有移动感知平台的生态应用系统，无线传感器中的自适应通信，农业和
11、生态应用中的视频成像节点的部署等。在地震监控和响应结构方面，研究了数据通信控制器和网络时间同步，实时地震监控和深埋地下的传感器的可靠部署，宽带地震网络，连续实验和结构模型，结构检测的无线地震监控网络。在污染传输监控方面，研究了实验室污染源估计，包括开发提取污染源区域特征的软硬件系统，实验室岩石影响评估，传输媒质中沙漠土壤物理模型和相关数据获取系统，在理想化土壤系,中包括水渗透和土壤潮湿分布的初步实现，传感器错误控制，定位传感网络错误的算法并在信息传输中最小化这些错误。 加州大学伯克利分校(UC Berkeley)实施了WINS项目，项目包括NEST(网络嵌入系统技术研究)，为网络嵌入系统开发了
12、一系列的软硬件实验平台，包括在小型传感器上运行的TinyOS操作系统，TOSSIM模拟器，数据查询系统TinyDB，以及在TinyOS上运行的编译器NesC，用于传感网络的定位系统Calamari，链路层加密算法TinySEC等。该项目还包括Sensor Webs、Smart Dust、PicoRadio等部分。,麻省理工学院(MIT)研究了传感网络和数据流管理系统集成框架和集成两者技术的查询优化技术等，并且获得了NSF的资助；在DARPA的支持下，研究了用于无线传感网络的中间件技术，比如定位、追踪和联网等，大型传感网络可扩展算法，软件应用的灵活性，利用无线和超声波提供定位服务的方法等。还研究
13、了无线传感网络节约能量的拥塞控制等，该研究获得美国2005年的NSF支持。研究传感网和移动装置网的分布算法，该研究获得了NSF、DARPA，空军太空实验室的支持，研究了基于知识的信号处理技术等方面内容。,5.2.3 无线传感器网络面临挑战和未来发展方向 无线传感器网络技术挑战 1物理层：调制机制、便于与上层协议结合的跨层优化设计、硬件设计。 2数据链路层：复杂度和性能的折中、各种性能指标间的折中、跨层优化 3网络层：路由协议不仅要考虑节能，更要从整个网络系统的角度，根据具体的应用背景，考虑网络能量的均衡使用，最终延长整个网络的寿命。,好的路由协议具有以下特点。 (1)针对能量高度受限的特点，高
14、效利用能量几乎是设计的第一策略。 (2)针对包头开销大、通信耗能、节点有合作关系、数据有相关性和节点能量有限等特点。 (3)采用数据聚合、过滤等技术。 (4)针对流量特征、通信耗能等特点，采用通信量负载平衡技术。 (5)针对节点少移动的特点，不维护其移动性。 (6)针对网络相对封闭、不提供计算等特点，只在汇聚节点考虑与其他网络互联。 (7)针对网络节点不编址的特点，采用基于数据或基于位置的通信机制。 (8)针对节点易失效的特点，采用多路径机制。,无线传感器网络的路由协议面临的技术挑战： (1)减小通信量 (2)构建能量有效的全局最优路由策略 (3)保持通信量负载平衡 (4)应具有容错性 (5)
15、应具有安全机制 4传输层：需要设计具有较短时延的传输协议，需要考虑如何保证传输的安全性，需要优化现有的传输协议，提高可扩展性和容错性，降低能量消耗并缩短响应时间。,无线传感器网络不同于传统数据网络的特点对无线传感器网络的设计与实现提出了新的挑战，主要体现在以下5个方面。 (1) 低能耗。 (2) 实时性 (3) 低成本 (4) 安全、抗干扰 (5) 协作 无线传感器网络技术的发展趋势 (1) 灵活、自适应的网络协议体系 (2) 跨层设计 (3) ZigBee标准规范 (4) 与现有网络的融合,1在军事领域的应用 2在环境监测和预报中的应用 3医疗健康方面应用 4智能交通方面应用 5其他应用,5.2.4 无线传感器网络的应用前景,5.3 本章小结,本章对无线传感器网络的基本结构及发展历史、现状、前景进行了介绍。无线传感器网络经历了节点技术、网络协议设计和智能群体研究等三个阶段，吸引了大量学者对其展开研究，并取得了包括有关节点平台和通信协议技术研究的一系列成果。目前已经广泛应用于军事、环境监测、医疗保健、家居、商业等领域，能够完成传统系统无法完成的任务。,
