无线传感器网络及应用ppt课件.ppt

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1、,无线传感器网络简介与应用,Wireless Sensor Network,目录 CONTENTS PAGE,Chp1基本概念,Chp2发展历程,Chp5研究现状,Chp3体系架构,Chp6应用介绍,Chp7存在问题,Chp4技术特点,Chap1 基本概念,由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，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。技术支持：微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System,MEMS)片上系统(System on Chip,SoC)无线通信 低功耗嵌入式技术,无线传感

2、器网络Wireless Sensor Network，WSN,3,NEXT,Chap2无线传感器网络发展历程,Chap2 发展历程,20世纪70年代越战时期使用的传统传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量。“胡志明小道”是胡志明部队向南方游击队输送物资的秘密通道，美军对其进行了狂轰滥炸，但效果不大。后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。“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”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总

3、共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。,第一阶段,5,二十世纪80年代至90年代之间。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。1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。,第二阶段,Chap2 无线传感器网络发展历程,6,21世纪开始至今，也就是911事件之后。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。除了应用于反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。,第三阶段,Chap2 无线

4、传感器网络发展历程,7,有线/无线连接,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；,Chap2 无线传感器网络发展历程,8,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,Chap2 无线传感器网络发展历程,9,计算设备演化历史,Chap2 无线传感器网络发展历程,10,传感器网的影响,Chap2 无线传感器网络发展历程,11,传感器网的影响,Chap2 无线传感器网络发展历程,12,未来四大高技术将掀起新产业浪潮,传感器网的影响,Chap2 无线传感器网络发展历程,13,N

5、EXT,Chap 3无线传感器网络体系架构,系统架构,Chap3 无线传感器网络体系架构,15,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,节点架构,Chap3 无线传感器网络体系架构,16,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,传感器节点结构,Chap3 无线传感器网络

6、体系架构,17,网络架构,Chap3 无线传感器网络体系架构,网络服务接口,网络管理接口,18,NEXT,Chap 4无线传感器网络技术特点,例如：对森林、草原进行防火监测、野生动物活动情况监测、环境监测往往要布置大量的无线传感器节点，布设范围也往往超过一般的局域网范围。,Chap4 无线传感器网络技术特点,网络规模大（节点数量多）,布置大量的无线传感器节点的优点：1提高整体监测的精确度。2降低对单个节点的精度要求。3大量冗余节点的存在使得系统有较强的容错性能,20,与局部网的布设不同，无线传感器节点的位置布设前不能事先确定（飞机撒布、人员随机布设），节点之间的相互邻居关系也不能事先确定。要求

7、：无线传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置管理。实现方法：通过拓扑控制机制和网络路由协议自动形成能够转发数据的多跳无线网络系统。,自组织网络,Chap4 无线传感器网络技术特点,21,无线传感器网络的拓扑结构经常改变。原因：1被动改变 1）传感器节点电能耗尽。2）环境变化造成通信故障。3）传感器节点本身出现故障。2主动改变 1）增加新节点。2）根据路由算法的优化做出的改变。,动态性网络,Chap4 无线传感器网络技术特点,22,1传感器节点本身硬件结构可靠 布设时：可能通过飞机撒布、炮弹（火箭）发射、布设。工作时：风吹、日晒、雨淋。严寒、酷暑。维护性：维护十分困难（几乎不可能）。2网络结

8、构可靠 自组织、动态性保证基本的信息传输正常。3软件可靠 鲁棒性强。4信息保密性强,可靠性强,Chap4 无线传感器网络技术特点,23,互联网上传递的信息是五花八门的，但是无线传感器网络传递的信息与所关心的物理量密切相关。不同的应用背景对无线传感器网络的需求不同。最终导致其硬件平台、软件系统甚至网络协议都不同。所以在无线传感器网络中很难找到一种统一的通信协议平台。为了实现高效率，往往要针对一个具体应用来研究无线传感器网络技术。,应用相关性,Chap4 无线传感器网络技术特点,24,在互联网中终端、主机、路由器、服务器等设备都有自己的IP地址。想访问互联网中资源，必须先知道存放资源的服务器的IP

9、地址。所以互联网是一个以地址为中心的网络。而无线传感器网络是任务型网络。在WSN中，节点虽然也有编号。但是编号是否在整个WSN中统一取决于具体需要。另外节点编号与节点位置之间也没有必然联系。用户使用WSN查询事件时，将关心的事件报告给整个网络而不是某个节点。许多时候只关心结果（数据）如何，而不关心是哪个节点发出的数据。,以数据为中心,Chap4 无线传感器网络技术特点,25,传感器节点的限制,电源能量有限：电池供电、难于更换。通信能力有限：距离小于100M；速率小于1，000kbps计算和存储能力有限：处理器能力弱、存储容量小。,Chap4 无线传感器网络技术特点,26,结点数量更为庞大多数节

10、点为静止节点分布更为密集结点更容易出错能量约束拓扑结构变化频繁,几十至上百个节点局域网节点全移动结构变化（移动）能量可连续提供点到点通信,Chap4 无线传感器网络技术特点,27,NEXT,Chap 5无线传感器网络研究进展,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

11、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）,Chap5 WSN研究进展,军事领域,29,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美国Dust Networks和Crossbow Technologies等公司：MOTE（尘粒）Smart dust(智能灰尘）已进入应用测试,民用领域,Chap5 WSN研究进展,30,美国自然科

12、学基金委（NSF）推动下，加州大学伯克利分校、麻省理工、波士顿大学等研究机构率先开展了无线传感网络的关键技术和基础理论的研究工作英国、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,学术与科技界,Chap5 WSN研究进展,31,我国的无线传感网络及其应用研究起于1999年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告，并成为该领域提出的五个重大项目之一，是我国科技领域内少数位于世界前列的方向之一。主要研究机构：中国科学院上海微系统研究所、软件研究所、电子所和自动化所等科研机构，清华大学、上海交通大学、北京邮电大

13、学和天津大学等院校，中国移动、华为等大型企业都较早开展了无线传感网络的研究。项目资金支持：国家中长期科学与技术发展规划的重大专项、优先发展主题、科技前沿等部分，都将无线传感网络作为重点研究项目。目前，国家重大基础研究发展计划973计划、国家自然科学基金和国家863高技术计划也都有项目资助无线传感网络领域的基础理论和关键技术研究。,中国研究进展和现状,Chap5 WSN研究进展,32,Chap6 应用领域及实例分析,33,Chap6 应用领域及实例分析,精细农业种植,34,Chap6 应用领域及实例分析,厂房设备及环境监控,35,采用无线传感器网络，可以让大楼、桥梁和其它建筑物能够自身感觉并意识

14、到它们的状况，使得安装了传感器网络的智能建筑自动告诉管理部门它们的状态信息，从而可以让管理部门按照优先级进行定期的维修工作。,Chap6 应用领域及实例分析,建筑领域,36,军事领域技术优势,节点对等的网络，每个节点都具有路由功能。无线传感器网络各个节点的工作不依赖于任何预设的网络基础设施，开机后节点就可以快速自动地组成一个独立的网络，,干扰或人为破坏，无线传感器网络可以在无需外界帮助的情况下有效地容纳或剔除变化的节点，通过协调互补动态连接成新的网络系统，,在监测区域大量布设低成本的传感器节点与监测目标近距离的接触，对监测对象形成分布式、多角度、全方位的监测能力。具有较高的节点冗余、网络链路冗

15、余以及采集数据冗余。,战场适应能力强,战场生存能力强,准确性高,Chap6 应用领域及实例分析,37,军事上主要应用,战场目标定位,反恐装备研究,战场环境侦察与监测,战场效果评估,Chap6 应用领域及实例分析,无线传感器网络具有良好的扩展性、实时性和隐蔽性，适合对战场中运动的目标进行实时定位，以便及时地为指挥控制中心提供战场目标的实时位置信息。2003年美国国防高级研究计划局主导的Network Embed and System Technology项目成功验证了无线传感器网络技术的准确定位能力。该项目利用音频传感器网络可以对敌军所有参战人员的三维空间进行精确的定位，定位精度可达1.5m，定

16、位延迟达2s。2003年8月，美国陆军在俄亥俄州开展了“沙地直线(A Line in the Sand)系统”项目的研究，此系统主要研究无线传感器网络在目标识别、目标分类和目标跟踪方面的实现。,Chap6 应用领域及实例分析,战场目标定位,39,WSN在关键区域和可能路线通过飞机或其他手段可以布置大量的无线传感器节点，各个节点之间建立同步时钟，形成多条的自组织网络。无线传感器网络首先可以对战场中的地形、地貌、路况、气象、水文、敌我双方的兵力部署、武器配备和人员调动等进行远程、精确、全天候和隐蔽的侦查与监测，透明地洞察战场环境，然后对获得的原始数据进行传输、筛选、挖掘和融合，向战场指挥员提供一个

17、动态、实时更新的战场信息数据库，最终融合来自战场的其他信息，形成己方完毕的战场态势图，为更准确地制定战斗行动方案提供情报依据和服务，提升指挥员对战场态势的感知水平。美国海军开展的“协同作战能力”(Cooperative Engagement Capability，CEC)计划可以使指挥中心感知整个作战空间的全貌。美国陆军开展的“无人值守地面传感器和战场环境侦查与监视系统”项目的研究也已经取得实质性的进展。美军的“智能微尘(Smart Dust)”可以形成严密的监视网络，对敌国的军事力量和人员、物资的流动做到了如指掌。,Chap6 应用领域及实例分析,战场环境侦察与监测,40,战场效果评估是对火

18、力打击后目标毁伤情况的科学评价，是后续作战行动决策的重要依据。战场效果评价能力不佳会导致很高的重复打击率，造成物力和人力资源的浪费，削弱作战的有效性。战场效果评估是一项极具风险而又要求很高的工作。通常采用的是依托于侦察卫星、无人机等的手段，但是这些手段均受到敌方打击威胁、不良天气、飞行距离近、过顶时间短等因素的制约，无法对全天候的对毁伤效果做出正确评估。可以通过飞机、导弹或精确制导炸弹将造价低廉、生存能力强的传感器节点散布于攻击目标附近并自组网，收集复杂电磁环境中的战场上的相关信息进行分析，使指挥员实时地进行有效的战场目标毁伤效果评估，以便指挥员适时调整火力打击计划和火力打击重点，并且也可以最

19、大限度地优化打击火力配置，集中优势火力对关键目标进行打击，从而大大提高作战资源利用率。海湾战争后，美军加大了利用无线传感器网络进行战场效果评估系统的研究力度。,Chap6 应用领域及实例分析,战场效果评估,41,鉴于恐怖活动的突发性和不确定性，基于无线传感器网络的枪声定位系统的研究为反恐提供了有力的侦测手段。2003年第一套基于声传感器与无线传感器网络的反狙击系统研制成功，2005年美军成功测试了美国Crossbow公司研制的枪声定位系统。此类反恐系统通过向敏感区域事先安置声传感器节点，自动形成无线传感器网络，之后可以对覆盖范围内发生的枪声与爆炸声进行感知、监测和定位。无线传感器网络将枪响的时

20、间、强度、角度等数据传送给基站，基站通过对数据的融合和计算，可以对射击者的位置进行精确的定位。基于无线传感器网络的枪声定位系统可以为反恐、救护与保障重点部门安全提供有效的感知和监测手段。同时，2002年，美国Sandia国家实验室与美国能源部合作，共同开展能够防范生化武器袭击的监测系统。此系统将能够检查有毒气体的化学传感器作为无线传感器网络的节点布置在地铁、车站和机场等公共场所，一旦发现某种有毒气体后，立即通过无线传感器网络将数据报告到控制中心，启动应急处置预案，尽可能地减少人员损失和社会影响。,Chap6 应用领域及实例分析,反恐装备研究,42,“智能尘埃”的挑战在于，既要全面整合各种传感器

21、，还要把数据传输回基站。加州大学伯克利分校的克里斯托弗皮斯特(Kristofer Pister)、乔卡恩(Joe Kahn)以及伯哈德博瑟(Bernhard Boser)已经讨论过使用光传输和无线电来实现数据收发的方案。,Chap6 应用领域及实例分析,例1：智能尘埃,1992年前后掀起了一阵智能热：智能居室、智能建筑、智能炸弹等等。美国加州大学伯克利分校的Pister教授萌生制造微型无线传感器的想法。该项目也受到了美国国防部先进研究计划局DAPRA的资助。他设想的最终目标是使这种传感器的体积达到像尘埃一样小，可以附着在物体上，也可以释放到大气中。大量这种“尘埃”节点通过无线介质连接，采用ad

22、 hoc方式，通过节点的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息，形成“智能尘埃”网络。,43,智能尘埃是一个具有电脑功能的超微型传感器，它由微处理器、双向无线电接收装置和使它们能够组成一个无线网络的软件共同组成。将一些微尘散放在一个场地中，它们就能够相互定位，收集数据并向基站传递信息。,Chap6 应用领域及实例分析,例1：智能尘埃,44,2010年7月，该项目圆满完成。Pister利用市场上可以买到的现货商品，将温度、湿度、气压、光强、倾角与振动、磁等传感器封存在立方毫米量级的空间内，其中还包括双向无线通信单元、微控制器和电池。该智能尘埃的通信距离达到20米，连续工作时间为1周，如果以

23、1%的工作休眠比计，工作时间可长达2年之久。,Chap6 应用领域及实例分析,例1：智能尘埃,45,Chap6 应用领域及实例分析,例1：智能尘埃,46,2008年11月IBM提出“智慧地球”概念2009年1月，美国奥巴马总统公开肯定了IBM“智慧地球”思路2009年8月，IBM又发布了智慧地球赢在中国计划书，正式揭开 IBM“智慧地球”中国战略的序幕。,Chap6 应用领域及实例分析,通过数十亿个“微型、廉价、结实和异常敏感的探测器”建立一个全球感应网络。,发展智慧地球,47,Chap6 应用领域及实例分析,48,美国陆军于2003年在俄亥俄州开发了“沙地直线”（A Line in the

24、Sand）系统，这是一个用于战场探测的无线传感器网络系统项目。美军研制沙地直线项目的目的是希望识别出入侵的物体或目标，入侵目标可以是徒手人员、携带兵器的士兵或车辆。该项目的主要功能包括目标探测、分类和跟踪。沙地直线项目研制的无线传感器网络节点，被命名为“超大规模微尘节点”(eXtreme Scale Mote,简称XSM)。这是一种具有特殊功能的传感器网络节点，新技术含量高，能可靠地、大范围地实施长久监视。,Chap6 应用领域及实例分析,例2：“沙地直线”（A Line in the Sand）系统,49,性能指标,表1 沙地直线项目的战技性能指标,Chap6 应用领域及实例分析,例2：“沙

25、地直线”（A Line in the Sand）系统,50,性能指标,表2 沙地直线项目的目标分类战技指标,Chap6 应用领域及实例分析,例2：“沙地直线”（A Line in the Sand）系统,51,(1)声音传感器(2)被动红外传感器(3)磁传感器(4)多普勒雷达传感器,目标：(1)徒手人员(2)武装人员(3)车辆,在沙地直线项目的研究中，研究人员希望找出同类目标的相似特征，以区别于不同种类目标的相异特征值，从光、机械、热、电、磁、化学六个基本能量域来识别目标特征。,Chap6 应用领域及实例分析,沙地直线项目的传感器选型,52,研究人员考虑到对于入侵探测这种战场的应用，传感器节点

26、必须承受住多种不利的环境，如风、雨、雪、洪水、炎热、寒冷和复杂地形等。传感器的封装能够保护这些元件中的精密电子元器件。封装性能的优劣也直接影响传感器的探测和无线通信功能。,Chap6 应用领域及实例分析,网络节点的封装问题,53,密封罩,曲棍球冲压罩,锥形罩,Chap6 应用领域及实例分析,网络节点的封装问题,54,沙地直线项目的研究人员分别在俄亥俄州和佛罗里达州等不同地方进行了试验。通过可视化的软件界面系统，可以观察传感器节点的状况和目标的活动情况。该软件平台支持窗口放大和缩小，可重放最近记录，随时观察网络拓扑布局，显示目标的运动踪迹。,Chap6 应用领域及实例分析,试验部署与实施,55,

27、洛克希德马丁公司开发的无线传感器网络系统让用户在获取全面持续态势感知能力和他们周围环境特征等途径上发生了革命性变化。这种自供电自组织网络（SPAN）系统是一种“部署后不管”（“Field-and Forget”）地面传感器网络，提供了支持多任务及应用程序的隐蔽的持续监视功能。SPAN由使用能量采集技术的小型器件组成，因而此多功能无线传感器平台不需要更换电池。利用其周围环境中的现成能源，SPAN可以自身再充电。2013年，美国洛克希德马丁公司生产的无线地面传感器系统自供电自组织网络(SPAN)将被用于连接无人机系统（UAS或UAV）以提供广阔的覆盖能力和对指定区域的持久监视能力,Chap6 应用

28、领域及实例分析,例3：SPAN,56,Chap6 应用领域及实例分析,例3：SPAN,57,F-22猛禽战斗机,Chap6 应用领域及实例分析,例4：机外传感器网络,58,美军装备的枪声定位系统，用于打击恐怖分子和战场上的狙击手。部署在街道或道路两侧的声响传感器，检测轻武器射击时产生的枪口爆炸波，以及子弹飞行时产生的震动冲击波，这些声波信号通过传感器网络传送给附近的计算机，计算出射手的坐标位置。,Chap6 应用领域及实例分析,例5：枪声定位反恐系统,59,美国Crossbow公司研制的枪声定位反恐系统,器件：60个MICA2，定制的传感器模板。经鉴定其检测精度可达到1米，反映时间小于3秒。左

29、图是一个100 x100米的实验场地俯视图及节点分布示意图。上图是定制的基于FPGA的传感器模板。,Chap6 应用领域及实例分析,60,Chap6 应用领域及实例分析,例6：防生化武器,2003年伊拉克战争联合国维和部队超微型感应的传感器网络商用间谍卫星核武器、生化武器,61,美国海军开展网状传感器系统CEC(cooperativeengagementcapability)：感知数据是原始的雷达数据。该系统适用于舰船或飞机战斗群携带的电脑进行感知数据的处理。每艘战船不但依赖于自己的雷达，还依靠其他战船或者装载CEC的战机来获取感知数据。CEC系统现已成为美国海军一种新型的对空防御和反导作战系

30、统。当前CEC将海基雷达、机载/舰载目标探测传感器与机载/舰载武器系统组成一个一体化、网络化的作战平台，提高整个网络系统防空作战能力。2008年,美国军费预算1.34亿美元用于为海军装备CEC,并计划在20082013年间CEC装备数量达21套。,Chap6 应用领域及实例分析,例7：网状传感器系统CEC,62,工作过程：一艘战船除了从自己的雷达获取数据以外，还从舰船战斗群的20个以上的雷达中获取数据，也可以从鸟瞰战场的战机上获取数据。空中的传感器负责侦察更大范围的低空目标，这些传感器也是网络中重要的一部分。CEC还可以快速而准确地跟踪混乱战争环境中的敌机和导弹，使战船可以击中多个地平线或地平

31、线以上近海面飞行的超声波目标。因此，即使是今天最先进的反舰巡航导弹也会被实时地监测到并被击中。,Chap6 应用领域及实例分析,例7：网状传感器系统CEC,63,21 世纪是人类深入开发利用海洋资源的世纪，海洋物理研究、数据采集、交通导航、资源勘探、污染监控、灾难预防，以及对水下军事目标的监测、定位、跟踪与分类等，都迫切需要高度智能化、自主性强、分布式、全天候的信息采集、传输、处理及融合技术。,组成结构,基于水面浮标节点(射频+水声通信)、水中自主航行器（水声通信）水底固定节点（水声通信）,Chap6 应用领域及实例分析,例7：水下无线传感器网,印度洋海啸之后，全球领导人在印尼雅加达举行峰会，

32、议程的首要事务就是计划在印度洋构建传感器网络，以便对未来的海底地震做出预警。,64,探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器节点实现对星球表面大范围、长时期、近距离的监测和探索，是一种经济可行的方案。NASA 的 JPL 实验室研制的 Sensor Webs 就是为将来的火星探测、选定着陆场地等需求进行技术准备的。现在该项目已在佛罗里达宇航中心的环境监测项目中进行测试和完善。,Chap6 应用领域及实例分析,例8：宇宙空间探索,65,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,七、WSN应用存在的问题及关键技术,66,The End,67,