无线传感器网络技术概述第一章ppt课件.ppt

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%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：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，消耗大量能源，是无效能耗的主要来源。 冲突：同时向同一节点发送多个数据帧，信号相互干扰，接收方无法准确接收，重发造成能量浪费串扰：接收和处理发往其他节点的数据属于无效功耗。控制开销：控制报文不传送有效数据，消耗的能量对用户来说是无效功耗。,传感器MAC协议的节能策略（3）,尽量让传感器节点处于睡眠状态； 减少传感器节点之间的碰撞； 减少接收到自己不需要接收的数据分组；（overhearing） 减少控制消息的开销。,WSN MAC协议（4）,基于竞争S-MAC/T-MAC/Sift基于TDMA的DEAN/TRAMA /DMAC/周期性消息调度其它SMACS/EARCSMA/CA和CDMA结合,WSN路由协议（1）,已有网络ad hoc、蜂窝主要目标通信服务质量 带宽利用率传感器网络主要目标高效使用能源 延长网络系统的生存期,WSN路由协议（2）,特点基于局部拓扑信息数据为中心（不知道目的节点的编号，甚至向哪个区域）要求能量高效（协议简单|开销小|节省能量/均衡消耗）可扩展性（网络范围/节点密度）鲁棒性（节点变化|拓扑变化）快速收敛性,WSN路由协议（3）,能量感知路由能量路由/能量多路径路由查询路由定向扩散路由(DD)/谣传路由地理路由GPRS/GEAR/ GEM/边界定位路由可靠路由ReInform/SPEED /多路径路由,WSN传输层（1）,当传感器网络中的系统需要接入Internet 或其它外部网络时，传输层的功能是必要的目前关于传感器网络传输层机制和协议的建议很少存在的问题硬件的限制（例如有限的电能和存储量）使传感器节点不能像Internet中的服务器那样存储大量的数据TCP的应答方式开销太大将来有可能在传感器网络中使用类似于UDP的协议，而在Internet和卫星网络中使用TCP/UDP协议,WSN传输层（2）,一种TCP分段（TCP splitting） 的方法可能使传感器网络和其它网络（如Internet)互通,WSN应用层,应用层协议还处于探索阶段三种可能的应用层协议传感器管理协议 Sensor management protocol (SMP)任务分配和数据通告协议 task assignment and data advertisement protocol (TADAP)传感器询问和数据分发协议 Sensor query and data dissemination protocol (SQDDP),WSN 时间同步（1）,时间同步是传感器网络的基本功能MAC/跟踪/监测时间同步需要的多样性（目标跟踪例子）传感器网络时间同步的性能参数最大误差同步期限同步范围效率代价和体积,WSN时间同步机制（2）,TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks ）RBS（Reference Broadcast Synchronization）TINY/MINI-SYNCDMTS （Delay Measurement Time Synchronization）PCS （Probabilistic Clock Synchronization ）,WSN定位机制（1）,定位是传感器网络的基本功能报告事件发生的地点目标跟踪和定位协助路由进行网络管理,WSN定位机制（2）,特殊性体积、成本（GPS不能普遍适用）能耗有限、可靠性差节点的规模大、随机布放无线模块通信距离有限环境要求（室内、室外）,WSN定位机制（3）,基于距离的定位机制到达时间定位算法（TOA）不同到达时间定位算法（TDOA）到达角度定位定位算法（AOA）接收信号强度定位算法（RSSI）距离无关的定位机制质心定位算法（Centroid）距离向量-跳段定位算法（DV-HOP）自组织定位算法（Amorphous Positioning)近似的点在三角形中定位算法（APIT),无线传感器网络的研究进展,军事领域美国陆军的研究计划“灵巧传感器网络通信” （20012005，通用通信基础设施）“无人值守地面传感器群” （支持陆军更广阔视野）“战场环境侦察与监视系统” （侦察和情报）美国海军的研究计划“传感器网络系统”（战术和战略级的传感器信息管理）“网状传感器系统CEC（Cooperative engagement capability) (装载在舰艇和战斗机群上，进行高精度侦察）美国国防部Smart Sensor Web，5个尖端研究领域之一 （以Web为中心的传感器信息分发和融合网络）美国Sandia国家实验室和能源部 （发现对地铁、车站的生化武器袭击）,无线传感器网络的研究进展,民用领域美国交通部国家智能交通系统项目规划，1995开始，2025投入使用（用传感器网络进行地面交通管理）Intel公司基于微型传感器网络的新型计算发展项目，2002发布 开发超微型传感器 MOTE（尘粒） Smart dust (智能灰尘）,无线传感器网络的研究进展,学术和科技界美国自然科学基金委（NSF）推动下，很多高校开展研究英国、意大利、日本等国的大学和研究机构学术科技界的研究集中在网络技术、通信协议、感知数据查询处理技术和应用试验等方面,无线传感器网络的研究进展,中国研究进展和现状高校和研究机构,传感器网络的影响,传感器网络将物理世界和信息技术连接起来传感器网络具有改造社会的潜力，将来广阔的应用领域使得传感器网络成为我们生活中不可缺少的部分传感器网络已经引起国内外科技界和工业界高度重视,传感器网络的影响,改变世界的十个新兴技术,未来四大高技术将掀起新产业浪潮,WSN的关键技术,关键网络技术拓扑控制网络协议网络安全时间同步定位技术数据融合数据管理无线通信技术嵌入式系统应用层技术,核心问题能源传感器封装部署资源受限下的网络机制大规模下的网络机制,ZigBee网络的拓扑结构主要有三种，星型网和、网状网（mesh）和混合网。,ZigBee终端设备：（FFD or RFD）ZigBee路由： FFDZigBee协调器：FFD,ZigBee网状网（mesh）： 一般是由若干个FFD连接在一起形成，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信。Mesh网中，一般将发起建立网络的FFD节点作为PAN协调点。Mesh网是一种高可靠性网络，具有“自恢复”能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择。,ZigBee应用场合,