无线传感器网络技术课件.ppt

物联网技术导论第二章 无线传感器网络技术,第二章 无线传感器网络技术,2.1,2.2,无线传感器网络概述,无线传感器网络硬件基础,无线传感器网络操作系统,2.3,2.4,2.5,无线传感器网络的关键技术,无线传感器网络中间件软件,面向多类型网络的无线传感器网络接入技术,2.6,2.1.1,什么是无线传感器网络？,无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由具有感知、处理和无线通信能力的微型节点通过自组织方式形成的网络，是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。,2.1.2,无线传感器网络体系结构,监控终端,无线或有线网 络,监控接入,簇头节点,簇头节点,2.1.2,无线传感器网络体系结构,图2-2无线传感器网络协议栈,2.1.3,无线传感器网络基本特点,以传输数据，完成通信为目的，中间节点仅负责分组数据的转发，通常节点具有持续的能量供给。他们注重在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略，最大化带宽利用率，同时提供高性能的服务质量QoS(Quality of Service)。,以数据为中心，以获取信息为目的，中间节点不但要转发数据，还要进行与具体应用相关的数据处理、融合和缓存，除了少数节点可能移动外，大部分节点都是静止的。有时运行在恶劣甚至危险的远程环境中，传感器节点的电池无法补充更新。,无线传感器网络,传统的无线网络和MANET网络,2.1.4,无线传感器网络的关键技术,1.物理层关键技术； 2.信道接入技术； 3.无线传感器网络路由； 4.无线传感器网络拓扑控制技术； 5.无线传感器网络覆盖技术； 6.无线传感器网络数据融合技术；7.无线传感器网络定位与跟踪技术。,灵活、自适应的网络协议体系；跨层设计；寻求系统节能策略；节点的自动配置；与其他网络的融合,2.1.5,无线传感器网络的发展现状与趋势,2.1.6,无线传感器网络面临的挑战,低能耗；实时性；低成本；安全和抗干扰；协作。,2.1.7,无线传感器网络的主要应用领域,无线传感器网络,战场评估,地震监测,深海监控,目标跟踪和检测,小区安全监控,精细农业,森林火灾监控,生活习性监测,第二章 无线传感器网络技术,2.1,2.2,无线传感器网络的基本概念,无线传感器网络硬件基础,无线传感器网络操作系统,2.3,2.5,无线传感器网络的关键技术,无线传感器网络中间件软件,面向多类型网络的无线传感器网络接入技术,2.6,2.4,2.2.1,无线传感器网络硬件设备概述,在无线传感器网络中，传感器节点既要实现数据采集和处理转化，又要实现数据的融合和路由，并对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发回监控终端。,2.2.1,无线传感器网络硬件设备概述,由南京邮电大学传感网研究中心自主研发的UbiCell系列节点是国内无线传感器网络节点的典型代表之一，同时也提供了该系列节点的开发套件。开发套件包括多种规格的UbiCell系列节点、可插拔下载编程转接器、可上传式烧写器等部分。UbiCell套件提供了完整的无线传感器网络节点的开发平台。,国外的许多机构由于对无线传感器网络的研究起步较早，因此已开发成功的传感器节点较多。比较典型的有UC Berkeley的Smart dust、Crossbow公司的Mica系列节点、Intel公司的Intel Mote2以及MoteIV公司的Tmote系列节点。国内一些科研机构由于对无线传感器网络的研究起步较晚，因此已成功开发的节点不多，主要有中科院计算所宁波分所研发的GAINS和GAINZ系列节点以及上一节提及的南京邮电大学研发的UbiCell系列节点等。,2.2.2,典型的无线传感器网络节点,2.2.2,典型的无线传感器网络节点,Smart dust的主要特点如下： 使用太阳能作为其工作能量的来源，具有长期工作的潜力。 采用MEMS技术，体积微小，整个传感器节点可以控制在1立方毫米左右。采用光通信方式。一方面功耗比无线电小；另一方面不需要长长的天线，在体积上也可以做得更小。另外，通信信道空分复用，所以基站可以同时与多个节点通信。 光通信方式降低了节点功耗，但是其传输的方向性、无视距阻碍的要求给节点的部署带来很大挑战。,2.2.2,典型的无线传感器网络节点,Mica系列节点是加州大学伯克利分校研制的用于传感器网络研究的演示平台的试验节点。产品包括WeC、Renee、Mica、Mica2、Mica2dot和Spec等，其中Mica2和Mica2dot节点已经由Crossbow公司包装生产。Mica系列节点在硬件上由运算和通信平台和传感器平台构成。两者之间通过51针的自定义接口进行连接。Mica2dot是Mica2的一个微缩版，对 Mica2的外围电路进行了如下的简化：外部指示灯从三个减少到一个；外部接口引脚从51个减少到18个，以环形方式排布；接口的减少使得其外部可用的I/O资源变少；使用4MHz的外部时钟，降低系统运行时的功率消耗。,2.2.2,典型的无线传感器网络节点,Tmote Sky是 MoteIV 公司出品的超低功耗、高数据传输率的下一代无线传感器网络平台；使用TI公司的超低功耗微处理器芯片MSP430，通信模块采用了TI公司支持 IEEE802.15.4标准和ZigBee协议的CC2420芯片，可与其它IEEE802.15.4的设备协同工作；250kbps的数据收发速率可以使节点更快完成通信事件的处理，快速休眠，节省系统能量；编程和数据获取通过 USB接口，最大的特点是具有10KBits 的片上RAM 作为数据处理使用，1Mbits的外部数据存储器，集成了湿度、温度、光等敏感元件，能够独立作为传感器节点使用，但内部的FLASH空间较小。,2.2.2,典型的无线传感器网络节点,GAINS3节点的主要特性如下： （1）通信距离编程可调0300m，有效距离达100m以上； （2）采用的元器件大都为低功耗器件，在睡眠状态，电流仅为5mA，在掉电节能模式下，电流更是只有110A左右； （3）功能丰富、接口清晰的协议栈。,2.2.2,典型的无线传感器网络节点,由南京邮电大学研发的Ubicell系列节点，涵盖了从测量普通温、湿度数据到音频、图像、视频等多媒体数据的多种无线传感器网络节点。普通UbiCell节点拥有强大的8位精简指令系统微处理器，处理速度和精确性完全可以满足各种应用需求;图像和音频UbiCell节点采用了与普通UbiCell节点相同的处理器，但是扩展了存储空间，采用了更为强大的无线通信芯片。UbiCell视频节点则采用了强大的集成了硬件视频CODEC的ARM9处理器，采用了更高像素的CMOS摄像头，无线通信模块采用支持802.11标准的WiFi模块。,无线传感器网络节点是无线传感器网络的主要组成部分，节点不仅需要成本低廉，而且要求它的工作时间要尽可能长。无线传感器网络中不应该存在专门的路由器节点，每个节点既是终端节点，又是路由器节点。节点间采用无线自组织网络联系起来，并采用多跳的路由机制进行通信。因此，在单个的节点上，一方面硬件必须低能耗，采用无线传输方式；另一方面软件必须支持多跳的路由协议。,2.2.3,无线传感器网络硬件节点,2.2.3,无线传感器网络硬件节点,图2-3 无线传感器网络硬件节点的基本构架,2.2.3,无线传感器网络硬件节点,中央主控处理模块,用户界面接口,无线通信模块,典型的无线传感器网络节点的硬件系统主要包括：,信息传感模块,能量供应模块,要选择合适的处理器以满足设计需求,主要是根据具体的要求选择合适的接口形式比如采用屏幕显示和输入设备实现或者采用常用的通信接口比如UART与中央主控处理模块进行通信,核心是射频芯片的选择和射频电路PCB的设计,一是直接将传感器集成在节点上；二是将传感器以插件的方式同节点连接,该模块设计的好坏决定着传感器网络的寿命,2.2.4,无线多媒体传感器网络硬件节点,（1）无线音频传感器节点设计与实现滤波电路模块音频放大模块音频编解码模块（2）无线图像传感器节点设计与实现 多媒体图像传感器节点的基本结构包括了一个CMOS图像传感器、一个高性能的微控制器（如ATmega128L）、一个辅控制器（Tiny12）以及外围辅助电路。,（3）无线视频节点处理器与视频处理模块采用高集成度、极小体积的片上系统设计，可以采用Freescale i.MX27处理器。 无线通信模块要有足够大的带宽来满足视频传输的需要。 摄像头选用OmniVision公司的OV2640。 视频采集端和接收端通过Wi-Fi无线网络联接，可采用UDP Socket进行数据传输。 视频解码模块采用ffmpeg库进行解码。,2.2.4,无线多媒体传感器网络硬件节点,2.2.5,无线传感器网络硬件开发套件,图像音频传感器的核心处理器为Mega128，可以采用JTAG ICE仿真器进行仿真。图像传感器的辅处理器为Tiny12，可以采用stk500与之通信。视频传感器的核心处理器为i.MX27，开发板的flash中已经配置好嵌入式Linux。,2.2.6,面向多类型网络接入的无线传感器网络网关,网关设备将重点面向TD-SCDMA、GSM等主流移动通信网络标准及Internet网络系统，全面构建可接入多种异构网络的无线传感器网关节点设备，其拟订的系统架构如图2-5所示，其硬件部分通常包括如下五个主要模块：处理器模块、外部网络接入与控制设备、802.15.4无线通信模块、外部存储器模块和能量供应模块。,2.2.6,面向多类型网络接入的无线传感器网络网关,图2-5 网关节点设备系统结构实例,第二章 无线传感器网络技术,2.1,2.3,无线传感器网络的基本概念,无线传感器网络操作系统,无线传感器网络硬件基础,2.2,2.5,无线传感器网络的关键技术,无线传感器网络中间件软件,面向多类型网络的无线传感器网络接入技术,2.6,2.4,2.3.1,无线传感器网络操作系统概述,针对传感器网络应用的多样性、硬件功能有限、资源有限、节点微型化和分布式多协作等特点，研究和设计新的基于传感器网络的操作系统成为当前提高无线传感器网络性能的一个重要课题。 由于传感器网络的特殊性，需要操作系统能够高效地使用传感器节点有限的系统资源，且能够对各种特定应用提供最大的支持。在面向传感器网络的操作系统支持下，多个应用可以并发地使用各类系统资源，如计算、存储和通信等。因此需要设计针对无线传感器网络的操作系统。,2.3.2,TinyOS操作系统,TinyOS是一个典型的无线传感器网络操作系统。它是由美国加州大学伯克利分校开发的开源嵌入式操作系统。它采用一种基于组件（Component-Based）的开发方式，能够快速实现各种应用。TinyOS的程序核心往往都很小（核心代码和数据大概在400Bytes左右），能够有效缓解传感器存储资源少的问题，使其有效的运行在无线传感器网络上。它还提供一系列可重用的组件，可以简单方便的编制程序，用来获取和处理传感器的数据并通过无线电来传输信息。,2.3.2,TinyOS操作系统,TinyOS操作系统、库程序和应用服务程序均由nesC语言编写，TinyOS的很多特性，如并发模型、组件结构等等都是由nesC语言体现的。 nesC在设计时强调组件化的编程思想，提高开发的方便性和代码的有效性，其基本特性如下： （1）结构和内容的分离。 （2）根据接口的设置说明组件功能。 （3）组件通过接口彼此静态地相连。,2.3.2,TinyOS操作系统,TinyOS的应用程序中，每个组件需要指明其使用的 接口以及提供的接口。,TinyOS中的通信遵循主动消息（Active Message，AM）通信模型，它是一个简单的可扩展的面向消息通信的高性能通信模式，一般广泛地应用在并行分布式处理系统中。,2.3.3,MantisOS操作系统,MantisOS是一种无线传感器网络操作系统，它的内核和API采用标准C语言，提供Linux和Windows开发环境，易于用户使用。MantisOS提供抢占式任务调度器，采用节点循环休眠策略来提高能量利用率。其对RAM的最小需求可到500B，对FLASH的需求可小于14KB。它提供集成的硬件和软件平台，适合广泛的传感器网络应用程序，它是一个多模型系统，可以进行多频率通讯，适合多任务传感器节点，可动态重新编程。,2.3.3,MantisOS操作系统,图2-6 MantisOS 体系结构,第二章 无线传感器网络技术,2.1,2.4,无线传感器网络的基本概念,无线传感器网络的关键技术,无线传感器网络硬件基础,2.2,2.5,无线传感器网络操作系统,无线传感器网络中间件软件,面向多类型网络的无线传感器网络接入技术,2.6,2.3,2.4.1,无线传感器网络物理层关键技术,无线传感器网络物理层的作用主要有实现信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等功能，设计目标是以尽可能少的能量损耗获得较大的链路容量。目前，对无线传感器网络物理层的研究迫切需要解决的问题有：在降低硬件成本方面需要研究集成化、全数字化、通用化的电路设计方法；在节能方面需要设计具有高数据率、低符号率的编码、调制算法。,2.4.1,无线传感器网络物理层关键技术,为了满足低功耗、低成本的无线网络的要求，IEEE标准委员会在2000年12月份正式批准并成立了IEEE 802.15.4工作组，其任务就是开发一个低速率的WPAN（LR-WPAN，Low-rate wireless Personal Area Network）标准化工作，它具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点，能在低成本设备（固定、便携或可移动的）之间进行低数据率的传输。 IEEE 802.15.4标准满足国际标准组织（ISO）开放体系互联（OSI）参考模式，包括物理层、介质访问层（MAC层）、网络层以及高层。体系结构如图2-8所示：,2.4.1,无线传感器网络物理层关键技术,图 2-8 IEEE 802.15.4标准体系结构,2.4.1,无线传感器网络物理层关键技术,IEEE 802.15.4标准所定义的物理层具有的功能有：激活和休眠无线电收发器，当前信道的能量检测、接收数据包的链路质量指示、信道频率选择和数据的发送与接收。 近几年来，物理层的超宽带UWB（Ultra Wide Band）短距离无线通信引起了全球通信技术领域极大的重视。超宽带通信技术以其传输速率高、抗多径干扰能力强等优点成为短距离无线通信极具竞争力和发展前景的技术之一。,2.4.2,无线传感器网络MAC层关键技术,目前，对大多数传感器硬件平台而言，无线通信模块是传感器节点能量的主要消耗者，而MAC协议直接控制着无线射频收发器的活动，决定何时发送数据或接收数据，所以MAC协议节能效果的好坏将严重影响网络的生命周期。 此外，传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，无线传感器网络的强大功能需要众多节点密切协作才能实现。局部范围内的多点通信需要MAC协议协调节点间的无线信道分配，以高效的支持在整个网络范围内的路由选择与通信路径的正确连通。,2.4.2,无线传感器网络MAC层关键技术,因此，在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面： （1）能源有效性；（2）可扩展性；（3）性能的综合测评；（4）分布式算法；（5）可靠性。,2.4.3,无线传感器网络路由关键技术,无线传感器网络路由概述路由协议的作用是寻找一条或多条满足一定条件的，从源节点到目的节点的路径，将数据分组沿着所寻找的路径进行转发，由此可以看出路由协议的功能主要有以下两个方面： （1）搜索满足条件的从源节点到目的节点的优化路径； （2）转发数据分组。,2.4.3,无线传感器网络路由关键技术,无线传感器网络路由概述目前，研究人员根据无线传感器网络的结构、路由协议自身特点以及应用类型等，将路由协议分为以下几个类型。（1）以数据为中心的路由协议；（2）基于层次结构（树结构）的路由协议；（3）基于地理信息路由协议；（4）基于多路径的路由协议。,2.4.3,无线传感器网络路由关键技术,路由协议设计的关键问题在设计路由协议时需要考虑到以下关键问题 ：（1）节点部署 ；（2）数据精确性前提下的能耗 ；（3）以数据为中心的数据报告模型 ；（4）鲁棒性与容错性 ；（5）网络动态性 ；（6）数据融合 。,2.4.3,无线传感器网络路由关键技术,几种典型的路由协议,(1) Flooding路由协议,Flooding路由协议是传统网络中最为经典和简单的路由协议，是基于洪泛机制的路由协议，可以应用到无线传感器网络中。Flooding路由协议不要求维护网络的拓扑结构和相关路由计算信息，仅要求节点在接收到信息后以广播的方式向邻居节点转发数据包，邻居节点重复执行上述过程（转发时除去刚刚发送给它们的节点），直到数据包到达目的地或者该数据包的生命周期结束。,2.4.3,无线传感器网络路由关键技术,几种典型的路由协议,(1) Flooding路由协议,Flooding路由协议的优点是实现简单，每个节点只需将接收到的数据包进行广播，而无需进行查找路由表，选择下一跳节点的计算；其次，其无需特殊的算法保持网络拓扑信息的更新以及新路由的发现。但是Flooding路由协议的漏洞也是十分明显且致命的，主要有以下三个方面：a. 信息内爆（Implosion）；b. 部分重迭（overlap）现象；c.网络资源利用不合理。,2.4.3,无线传感器网络路由关键技术,几种典型的路由协议,(2) 定向扩散路由协议,定向扩散路由协议是一种典型的以数据为中心，基于查询的路由机制。汇聚节点根据不同的应用需求定义不同的兴趣请求消息，并通过洪泛的方式将兴趣请求消息数据包发送至全网或者局部网络的传感器节点。在进行兴趣请求消息洪泛发送过程的同时，每个节点根据缓存中的兴趣列表，沿着兴趣请求消息发送方向的反向建立数据传输梯度，当兴趣请求消息到达源节点后，源节点则将数据沿着之前建立好的传输梯度传输，直到汇聚节点。,2.4.3,无线传感器网络路由关键技术,几种典型的路由协议,(3) Leach路由协议,LEACH也可以说是一种自适应分簇拓扑算法，其基本思想是将节点组织成簇结构形式，每个簇有一个簇头节点，其他节点作为非簇头节点。所有的非簇头节点只与本簇的簇头节点通信，而簇头节点收集簇内非簇头节点的数据，进行融合后传输到汇聚节点。因此，簇头节点要比非簇头节点消耗更多能量，为了避免节点长期担当簇头节点而过早耗尽能量，LEACH使用轮转的方式选举簇头，从而让所有的节点都有机会成为簇头进而达到网络中节点能量消耗均匀的目的。,2.4.3,无线传感器网络路由关键技术,几种典型的路由协议,(4) GRID路由协议,GRID路由协议是一种典型的基于地理栅格的分层网络路由协议，其开始是为移动自组织网络而设计的路由协议，其根据地理栅格构建分层网络并实现路由。其基本思想是将整个网络划分成一个个正方形的小区域，在同一个区域内，所有节点的标号都是用栅格号来标识。 GRID路由协议主要包括了三个阶段：栅格划分、路由建立与路由维护。,2.4.3,无线传感器网络路由关键技术,几种典型的路由协议,(4) GRID路由协议,图2-9 GRID示例,如图2-9所示，有一个4*5的栅格域，每个栅格的边长都相同且为r。则节点通过每个栅格内的簇头节点构成整个网络的骨干网络完成数据通信。每个栅格都有自己的编号，如（1，2）、（2，4）等，栅格中的所有节点都共享这个栅格编号，栅格内的簇头节点负责栅格中的分组转发。,2.4.4,无线传感器网络拓扑控制技术,拓扑控制技术是在保证网络连通性和覆盖度的前提下，通过一定的功率控制或骨干网节点的选择算法，剔除节点间不必要的无线通信链路，生成一个能量高效的数据转发网络拓扑结构。对于自组织的无线传感器网络而言，网络拓扑控制对网络性能影响很大，良好的拓扑结构能够提高路由协议和MAC协议的效率，为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面提供基础，有利于延长整个网络的生存时间。,2.4.4,无线传感器网络拓扑控制技术,在无线传感器网络中，网络拓扑结构的控制与优化有着十分重要的意义，主要表现在以下几个方面：（1）影响整个网络的生存时间 ；（2）减小节点间通信干扰，提高网络通信效率；（3）为路由协议、时间同步提供基础；（4）影响数据融合；（5）弥补节点失效的影响。,2.4.4,无线传感器网络拓扑控制技术,无线传感器网络是与应用密切相关的，不同的应用对应有不同的拓扑控制设计目标要求。在拓扑控制中一般需要考虑的设计目标如下：（1）能量消耗； （5）网络延迟；（2）覆盖度； （6）干扰和竞争；（3）连通性； （7）对称性；（4）算法的分布式程度； （8）鲁棒性和可扩展性。,2.4.4,无线传感器网络拓扑控制技术,传感器网络中的拓扑控制按照研究方向可以分为两类，如图2-11所示：节点功率控制和层次性拓扑结构组织。,图2-11 拓扑控制算法的分类,2.4.5,无线传感器网络覆盖关键技术,覆盖作为无线传感器网络中的一个基本问题，反映了网络所能提供的“感知”服务质量，可以使无线传感器网络的空间资源得到优化分配，进而更好地完成环境感知、信息获取和有效传输的任务，即如何部署传感器网络节点，在保证一定的服务质量前提下，达到网络覆盖范围最大化。因此，研究覆盖技术的目的是：（1）使待监测区域中的每一点都至少在一个传感器节点的覆盖范围内；（2）在保证覆盖要求的基础上，同时减少网络节点能量消耗、延长网络寿命。,2022/11/26,56,可编辑,2.4.5,无线传感器网络覆盖关键技术,节点部署方式分类,(1) 确定性覆盖,如果无线传感器网络的状态相对固定或是无线传感器网络环境已知，就可以根据预先配置的节点位置确定网络拓扑情况或增加关键区域的传感器节点密度，这种情况被称为确定性覆盖问题。典型的确定性覆盖有确定性区域/点覆盖、基于网格的目标覆盖和确定性网络路径/目标覆盖3种类型。,(2) 随机覆盖,在许多实际自然环境中，由于网络情况不能预先确定且多数确定性覆盖模型会给网络带来对称性与周期性特征。加之，无线传感器网络自身拓扑变化复杂，因此，需要进一步对节点随机分布在预先没有得到自身位置的传感区域的情况进行讨论，这正是无线传感器网络随机覆盖所要解决的问题。,2.4.5,无线传感器网络覆盖关键技术,覆盖目标分类,(1) 面覆盖,面覆盖算法的目标是在大量冗余的节点中寻找能够覆盖同样区域大小并保证网络连通的节点集合。,(2) 点覆盖,在点覆盖算法中，每一个目标点都要能够被至少一个传感器节点所覆盖。,(3) 栅栏覆盖,栅栏覆盖考察了目标穿越网络时被检测或是没有被检测的情况，反映了给定的无线传感器网络所能提供的传感、监视能力。,2.4.6,无线传感器网络数据管理与数据融合技术,数据管理技术,无线传感器网络的大量数据如何存储、查询和分析计算是无线传感器网络的一个重要研究方向数据管理技术。本小节分别介绍了无线传感器网络数据管理技术的概念，关键技术及现有的数据管理系统：加州大学伯克利分校的TinyDB系统、康奈尔大学的Cougar系统和南京邮电大学的DisWareDM系统。DisWareDM由南京邮电大学计算机学院无线传感器网络研究中心开发，是在DisWare中间件及其开发平台基础上设计的一个无线传感器网络数据管理系统，它可以为用户提供灵活的传感器网络数据实时查询功能。,2.4.6,无线传感器网络数据管理与数据融合技术,数据管理技术,传感器网络是以数据为中心，应该把传感器节点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感知数据库，以数据作为线索进行查询和计算处理。 根据上述设计思想，被监测的物理环境的数据可以被模型化为一个数据库，该数据库提供的数据有来自实体的静态指标数据（如节点编号、传感器类型等）和来自传感器收集到的动态感知数据值（如光强、温度、湿度、土壤酸碱度等）。这些感知数据构成的分布式感知数据库需要由一个软件系统来管理。该软件系统称为无线传感器网络数据管理系统。,2.4.6,无线传感器网络数据管理与数据融合技术,数据管理技术,（1）TinyDB系统 加州大学伯克利分校在其研制的操作系统TinyOS的基础上开发了一个TinyDB数据管理系统，该系统为用户提供了一个简洁、易用、类SQL的应用程序接口。用户可以如同使用传统关系数据库系统一样使用TinyDB查询传感器网络数据。 （2）Cougar系统 康奈尔大学在研制Cougar查询处理系统过程中，提出了在传感器网络上计算聚集函数的容错和可扩展算法，采用了网内数据聚合的方法，减少了通讯能耗。此外，探索了把传感器网络表示为数据库的思想，并探讨了如何把多查询处理优化的问题。,2.4.6,无线传感器网络数据管理与数据融合技术,数据融合技术,数据融合是针对一个系统中使用多种（多个或多类）传感器这一特定问题而展开的一种信息处理的新的研究方向，因此数据融合又可称作信息融合、多传感器融合（MSF）。根据国外研究成果，传统的数据融合比较确切的定义为：利用计算机技术对按时序获得的若干传感器的观测信息在一定准则下加以自动分析、综合以完成所需的决策和估计任务而进行的信息处理过程。,2.4.6,无线传感器网络数据管理与数据融合技术,数据融合技术,数据融合是将来自多传感器或多源的信息和数据进行综合处理，得出更为准确完整的信息。这与传统的多传感器数据融合技术有所不同。传统的多传感器数据融合是对不同的知识源和传感器采集的数据进行融合，以实现对观测现象更好的理解。而无线传感器网内数据融合主要是为了减少网络内的数据传输量，达到减少能源的消耗，延长网络生命期的目的。 数据融合技术在节省能量、提高信息准确度的同时，要牺牲其他方面的性能作为代价。,没有位置信息的监测消息通常毫无意义，确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。为了提供有效的位置信息，随机部署的传感器节点必须能够布置后确定自身位置。由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。,2.4.7,无线传感器网络定位与目标跟踪技术,2.4.7,无线传感器网络定位与目标跟踪技术,定位算法分类,在传感器网络中，由于在特定的环境下，某些算法的某些性能可能会优于其他算法，因此没有统一的最优的定位算法，只有针对特定环境比较适合的定位算法。在统计和归纳已有的定位算法的基础上，各个定位算法又可以按照不同的划分标准进行分类。常用的划分标准有基于测距或者无需测距的定位分类标准、绝对定位和相对定位标准、按照集中式计算、分布式计算与递增式计算划分标准、紧密耦合与松散耦合分类、粗粒度与细粒度等。,2.4.7,无线传感器网络定位与目标跟踪技术,定位算法分类,按照最常用的划分标准将其划分为基于测距的定位算法和无需测距的定位算法。前者需要测量相邻节点之间的绝对距离或者方位，并利用节点间的实际距离或者方位来计算未知节点的位置，常用的测距技术有RSSI、TOA、TDOA和AOA等。虽然测距技术容易受到周围环境的干扰，具有一定的局限性，但再通过各种方法进行改进，比如多次测量求平均值、剔除误差太大的数据等方法。然而这些方法需要增加计算复杂度和多余的通信开销，所以基于测距的定位方法虽然在定位精度上有一定可取之处，但是并不适用于低功耗、低成本的领域。,2.4.7,无线传感器网络定位与目标跟踪技术,定位算法分类,基于无需测距的定位算法无需测量节点之间的绝对距离或方位，而是利用节点间的估计距离计算节点的位置，其比较典型的算法有DV-Hop定位和凸规划定位。基于无需测距的定位算法虽然在精确度方面有待进一步改进，但是具有可扩展性、规模性以及代价小等优点。,2.4.7,无线传感器网络定位与目标跟踪技术,定位机制,笼统地说解析几何中的任何可以确定某一点位置的几何学方法，只要传感器网络能够提供足够的信息，都可以成为定位的方法。比较常用的是三边定位法、多边极大似然估计法以及角度测量法。下面具体介绍一下三边定位原理： 已知三个信标节点（已知具体位置）的坐标和其中一个未知节点（具体位置不知）到三个信标节点的距离，求该未知节点的坐标。该方法为基本的几何方法，具体过程如图2-12所示。,2.4.7,无线传感器网络定位与目标跟踪技术,定位机制,图 2-12 三边定位原理,设未知节点D的坐标为(x,y)，信标节点的A、B、C的坐标分别为(xA,yA)、 (xB,yB) 、(xC,yC)，未知节点到三个信标节点的距离分别为dA、dB、dC，则：,2.4.7,无线传感器网络定位与目标跟踪技术,定位机制,从而可以推出未知节点的坐标：,2.4.7,无线传感器网络定位与目标跟踪技术,定位跟踪,在无线传感器网络的许多实际应用中，跟踪运动目标是一项基本功能。由于传感器节点体积小、价格低廉、采用无线通信方式，以及传感器网络部署随机，具有自组织性、鲁棒性和隐藏性等特点，无线传感器网络非常适合于移动目标的定位和跟踪。例如在战场上及时跟踪地方车辆的行进路线和兵力的调动情况，将获取的战场信息及时发送回我方指挥中心。 跟踪与定位不同，主要的目的不是追求定位的精度，而是需要对移动的目标或者时间进行动态的监测。基于无线传感器网络的目标跟踪过程大致包括三个阶段：检测、定位和通告，其每个阶段需要不同的技术来实现。,2.4.7,无线传感器网络定位与目标跟踪技术,定位跟踪,在检测阶段，主要任务是通过各种检测手段检测跟踪目标是否出现，常用的技术有超声波检测、震动技术检测、红外线技术检测以及多媒体技术检测等；定位阶段，主要任务是根据不同的场景和用户需求来选择适合的定位技术来确定当前目标的位置和状态，然后记录当前目标的轨迹和状态，用于以后目标跟踪查看或者预测，比较常用的方法有双元检测、三角测量以及基于流行学习算法等。通告阶段，是节点之间交互信息的过程，在这个过程中节点向周围其他节点发出求助协作定位或者通告其他节点自己对目标的监测状态。,时间同步是无线传感器网络的一项基础支撑技术。在无线传感器网络的应用中，传感器节点采集的数据如果没有空间和时间信息是没有任何意义的。准确的时间同步是实现传感器网络自身协议的运行、定位、多传感器数据融合、移动目标的跟踪、基于TDMA的MAC协议以及基于睡眠/侦听模式的节能机制等技术的基础。,2.4.8,无线传感器网络时间同步,2.4.8,无线传感器网络时间同步,LTS (lightweight tree-based synchronization)协议,LTS同步算法的设计目标就是适用于低成本、低复杂度的传感器节点的时间同步，侧重最小化同步的能量开销，同时具有鲁棒性和自配置的特点。特别是在出现节点失败、动态调整信道和节点移动情况下LTS算法仍能够正常工作。 LTS算法的同步次数是节点高度（与根节点的距离）的线性函数，降低了交换的信息量，同时也降低了同步精度。LTS算法的精度与生成树的深度相关，构造和维护深度小的生成树需要一定的计算和通信开销，同时算法还依赖从节点到参考节点的路由消息，错误的路由消息可能导致同步失败。,目前，典型的时间同步协议有如下几种：,2.4.8,无线传感器网络时间同步,RBS (Reference Broadcast Synchronization)协议,RBS算法通过接收节点对时抵消发送时间和访问时间，发送节点广播一个信标分组，广播域中两个节点都能接收到这个分组，交换接收时间，两个接收时间的差值相当于两个接收节点间的时间差值，其中一个节点可以根据这个时间差值更改它的本地时间，从而达到两个节点的时间同步。如下图所示。,2.4.8,无线传感器网络时间同步,RBS (Reference Broadcast Synchronization)协议,RBS机制中不是通告发送节点的时间值，而是通过广播同步指示分组实现接收节点间的相对时间同步。对于传播时间，RBS机制只关心各个接收节点之间消息传播时间的差值，对于RF信号来说这种传播时间差值非常小，所以RBS机制忽略了传播时间带来的时间偏差。不过，如果用声音作为信息传输手段，因为声音的传播速度较慢，这种传播时间偏差将不能忽略。,2.4.8,无线传感器网络时间同步,TPSN (Timing-sync Protocol for Sensor Networks)协议,TPSN由Saurabh Ganeriwal于2003年11月提出，其目的是采用层次型网络结构提供全网范围内节点同步。TPSN的建立分为拓扑建立阶段和同步建立阶段。 拓扑的建立为以后的同步请求、同步更新打下基础。虽然在初始阶段消耗一定的能量，但便于后续管理。拓扑的建立应该考虑其可扩展性，因为如果由于传感器节点的增加，造成拓扑建立的时间快速递增，那么对于应用是很不利的。拓扑建立也就是传感器网络节点自组织的过程，在传感器网络里传感器节点的散布是杂乱无章的，建立拓扑可以进行有效的管理。,2.4.8,无线传感器网络时间同步,TPSN (Timing-sync Protocol for Sensor Networks)协议,在拓扑建立以后，如果选择的根节点失效就随机地重新选择一个节点作为根节点，同时更新拓扑结构。这里判断根结点失效的标准是：在根节点所在层（层0）的下层（层1）节点向层0提出同步请求后，如果一段规定的时间内没有收到层0的回复信息，则认为根结点失效。 在同步建立阶段相邻级别的两个节点对间通过交换两个消息实现时间同步，如右下图所示。,2.4.8,无线传感器网络时间同步,TPSN (Timing-sync Protocol for Sensor Networks)协议,在发送时间、访问时间、传播时间和接受时间四个消息延迟组成部分中，访问时间往往是无线传输消息时延中最具不确定性的因素。为了提高两个节点间的事件同步精度，TPSN协议在MAC层消息开始发送到无线信道的时刻，才给同步消息加上了时标，消除了访问时间带来的时间同步误差。与RBS机制相比，TPSN协议考虑了传播时间和接收时间，利用双向消息交换计算信息的平均延迟，提高了事件同步的精度。,2.4.8,无线传感器网络时间同步,DMTS (Delay Measurement Time Synchronization)协议,DMTS (Delay Measurement Time Synchronization)协议是最为简单直观的同步机制。顾名思义，延迟测量时间同步对同步报文在传输路径上所有的延迟进行估计来实现节点间的时间同步。其基本原理为：选择一个节点作为时间主(leader)节点广播同步报文，同步报文中嵌入其本地时间。所有的接收节点测量这个时间广播报文的延迟，设置其本地时间为接收到分组携带的时间加上报文的传输延迟时间，从而实现所有接收到广播报文的节点主节点时间的同步。DMTS时间同步精度主要由测量延迟的精度所决定。,2.4.8,无线传感器网络时间同步,DMTS (Delay Measurement Time Synchronization)协议,图 2-15 DMTS机制的同步报文传输过程,DMTS机制通过使用广播同步报文，能够一次就同步单跳广播域内的所有的节点，同时无需复杂的运算和操作，可扩展性好，是一种低能耗的有效时间同步机制。但DMTS同步协议没有考虑传播延迟、编解码时间的影响，并没有对时钟漂移进行补偿，同步精度不高。,2.4.8,无线传感器网络时间同步,FTSP (Flooding Time Synchronization Protocol)协议,FTSP算法也是使用单个广播消息实现发送节点与接收节点之间的时间同步，但是算法的具体实现与DMTS有所不同。 FTSP算法对时钟漂移（clock drifts）进行了线性回归分析。FTSP算法考虑到在特定时间范围内节点时钟晶振频率是稳定的，因此节点间时钟偏移量（offset）与时间成线性关系。发送节点周期性广播时间同步消息，接收节点取得多个数据对，并构造最佳拟合直线L。通过回归直线L，在误差允许的时间间隔内，节点可直接通过L计算某