无线传感器网络技术与应用课件

无线传感器网络作为物联网的重要组成部分，其应用涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域。不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有巨大的应用价值，还将在许多新兴领域体现其优越性，家用、保健、交通等。第第1章章 无线传感器网络概述无线传感器网络概述1无线传感器网络作为物联网的重要组成部分，其应用涉及人类日常生无线传感器网络概述无线传感器网络的应用领域无线传感器网络的特点无线传感器网络的关键技术内容提要内容提要2无线传感器网络概述内容提要2一、无线传感器网络概述1、发展历程3一、无线传感器网络概述32、定义 无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素42、定义4二、无线传感器网络的应用领域军事农业医疗建筑工程与建筑物智能建筑与市政建设管理5二、无线传感器网络的应用领域5三、无线传感器网络的特点体积小、电源能力有限计算和存储能力有限分布式、多跳自组织通信半径小、带宽低动态性强以数据为中心6三、无线传感器网络的特点6四、无线传感器网络的关键技术网络拓扑控制网络协议时间同步定位技术数据管理网络安全7四、无线传感器网络的关键技术7无线传感器网络使用无线通信，链路极易受到干扰，链路通信质量往往随着时间推移而改变，因此研究如何保障稳定高效的通信链路是必要的。除此之外，通信协议还需要考虑网络中由于节点的加入和失效等因素引起的网络拓扑结构的改变，采用一定的机制保持网络的通信顺畅。第第2章章 网络与通信技术网络与通信技术8无线传感器网络使用无线通信，链路极易受到干扰，链路通信质量往引言物理层数据链路层ZigBee拓扑控制路由协议覆盖技术内容提要内容提要9引言内容提要9一、引言无线传感器网络的体系结构由分层的网路通信协议、网络管理平台以及应用支撑平台3部分组成 10一、引言10二、物理层1、物理层功能为数据端设备提供传送数据的通路传输数据2、物理层的主要技术介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术 11二、物理层113、链路特性数据包在传输过程中会遇到路径损耗、噪声、多径效应、邻节点干扰等情况，从而造成数据包的丢失123、链路特性124、物理层设计物理层设计的一些非常重要的问题是：1）低功耗问题。2）低发射功率和小传播范围。3）低占空系数问题。4）相对较低的数据率（一般来说每秒几十或几百kb）。5）较低的实现复杂度和较低的成本。6）较小的移动程度。134、物理层设计135、低速物理层IEEE 802.15.4UWB红外通信技术6、中高速物理层Wi-FiBlue ToothWiMAXWCDMA145、低速物理层14三、数据链路层MAC层位于物理层之上，负责把物理层的“0”、“1”比特流组建成帧，并通过帧尾部的错误校验信息进行错误校验；提供对共享介质的访问方法，包括以太网的带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）、令牌环（Token Ring）、光纤分布式数据接口（FDDI）等 15三、数据链路层151、基于竞争的MAC协议当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用信道，若竞争成功则开始发送数据，若产生了数据碰撞，就按照一定的重发策略开始数据重发流程典型的基于竞争的MAC协议有ALOHA协议、CSMA、无线局域网IEEE 802.11MAC协议161、基于竞争的MAC协议162、基于时分复用的MAC协议TDMA机制没有竞争机制的碰撞重传问题；数据传输时不需要过多的控制信息；节点在空闲时隙能够及时进入睡眠状3、其他类型的MAC协议SMACS/EAR协议S-MAC协议T-MAC协议172、基于时分复用的MAC协议17四、ZigBee1、ZigBee和IEEE 802.15.4两者之间的区别和联系1）ZigBee完整而充分地利用了IEEE 802.15.4定义的功能强大的物理特性优点2）ZigBee增加了逻辑网络和应用软件3）ZigBee基于IEEE 802.15.4射频标准，同时ZigBee联盟通过与IEEE紧密工作来确保一个集成的完整的市场解决方案4）IEEE 802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层标准，而ZigBee负责网络层、安全层以及应用层的开发18四、ZigBee182、ZigBee协议框架3、ZigBee技术特点低速率、短时延低功耗低成本大容量近距离通信自组织自配置192、ZigBee协议框架19五、拓扑控制在保证一定的网络连通质量和覆盖质量的前提下，一般以延长网络的生命期为主要目标，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的通信链路，兼顾通信干扰、网络延迟、负载均衡、简单性、可靠性、可扩展性等其他性能，形成一个数据转发的优化网络拓扑结构20五、拓扑控制201、拓扑控制技术最优邻节点集基于节点度的功率控制基于方向的功率控制2、层次型拓扑结构控制LEACH算法：基于簇的自适应分簇拓扑算法，这是第一个提出数据融合的层次算法基于能量有效的分簇控制：有效改善了LEACH算法中簇头可能分布不均匀的问题基于地理位置的分簇控制：如GAF算法，基于平面模型，以节点间的距离来度量是否能够通信211、拓扑控制技术21六、路由协议路由协议的目的是将消息分组从源节点（传感器节点）发送到目的节点（汇聚节点），因此需要完成两大功能：一是选择适合的优化路径，二是沿着选定的路径正确转发数据22六、路由协议221、路由协议分类根据拓扑结构可分为平面路由协议和分簇路由协议根据路径的多少可分为单路径路由协议和多路径路由协议根据通信模式可分为时钟驱动型、事件驱动型和查询驱动型根据目的节点的个数可分为单播路由协议和多播路由协议根据是否进行数据融合可分为融合路由协议和非融合路由协议231、路由协议分类232、平面路由协议Flood泛洪路由协议和Gossiping闲聊路由协议SPIN路由协议DD定向扩展路由协议3、分簇路由协议LEACH协议TEEN路由协议TTDD路由协议242、平面路由协议24七、覆盖技术通过网络中传感器节点的空间位置分布，实现对被监测区域或目标对象物理信息的感知，从根本上反映了网络对物理世界的感知能力25七、覆盖技术251、覆盖的评价标准覆盖能力网络的连通性能量有效性算法精确性算法复杂性网络动态性网络可扩展性261、覆盖的评价标准262、覆盖的分类按配置方式分类确定性覆盖、随机覆盖按应用属性分类节能覆盖、栅栏覆盖、连通性覆盖和目标定位覆盖272、覆盖的分类273、覆盖算法基于冗余节点判断的覆盖算法基于不交叉优势集的覆盖算法基于多重k-覆盖算法基于采样点覆盖算法283、覆盖算法28作为非传统的复杂任务型网络，传感器网络的单个节点资源匮乏，网络数据感知、处理与传输均需要通过特定的协同机制完成。传感器网络的管理技术是保障无线传感器网络规模化运行的关键。传感器网络管理技术包括时间同步技术、定位技术、数据管理技术和目标跟踪技术等。第第3章章 管理技术管理技术29作为非传统的复杂任务型网络，传感器网络的单个节点资源匮乏，网时间同步技术定位技术数据管理技术目标跟踪技术内容提要内容提要30时间同步技术内容提要30一、时间同步技术无线传感器网络的时间同步是指各个独立的节点通过不断与其他节点交换本地时钟信息，最终达到并且保持全局时间协调一致的过程，即以本地通信确保全局同步31一、时间同步技术31基本原理无线传感器网络中节点的本地时钟依靠对自身晶振中断计数实现，晶振的频率误差因初始计时时刻不同，使得节点之间的本地时钟不同步。若能估算出本地时钟与物理时钟的关系或者本地时钟之间的关系，就可以构造对应的逻辑时钟以达成同步32基本原理32同步算法按同步事件划分主从模式与平等模式内同步与外同步概率同步与确定同步发送者-接收者与接收者-接收者按具体应用特点划分单跳网络与多跳网络静态网络与动态网络基于MAC的机制与标准机制33同步算法33同步协议RBS是典型的接收者-接收者同步TPSN，无线传感器网络时间同步协议34同步协议34FTSP，泛洪时间同步协议表3-1 定性分析三种经典同步协议35FTSP，泛洪时间同步协议表3-1定性分析三种经典同步协议二、定位技术无线传感器网络主要应用于事件的监测，而事件发生的位置对于监测消息是至关重要的，没有位置信息的监测消息毫无意义，因此需要利用定位技术来确定相应的位置信息36二、定位技术361、基于距离的定位基于距离的定位机制（range-based）是通过测量相邻节点间的实际距离或方位进行定位的。分为三个阶段1）测距阶段。首先未知节点通过测量接收到信标节点发出信号的某些参数，如强度、到达时间、达到角度等，计算出未知节点到信标节点之间的距离，这个测量出来的距离可能是未知节点到信标节点的直线距离，也可能是二者之间的近似直线距离。2）定位阶段。未知节点根据自身到达至少三个信标节点的距离值，再利用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法等定位算法，计算出自身的位置坐标。3）修正（循环求精）阶段，采用一些优化算法或特殊手段将之前得到的未知节点的位置坐标进行优化、减小误差，提高定位精度。371、基于距离的定位372、与距离无关的定位距离无关的定位方法不需要实际准确的测得未知节点到信标节点的距离，仅仅根据节点之间相互通信获得未知节点到信标节点距离的估计，再根据极大似然估计算法等算法计算出未知节点的位置坐标，或者通过节点之间通信确定未知节点在某一区域，再根据质心算法等算法计算出未知节点的位置信息382、与距离无关的定位38三、数据管理技术1、系统结构无线传感器网络的体系结构主要由节点本身的资源（通信能力、存储容量和电源等）限制和目标应用功能决定，目前主要有集中式结构、分布式结构和半分布式结构、层次式结构四种类型39三、数据管理技术392、数据存储与索引技术数据存储的方法本地存储外部存储以数据为中心的存储方法索引的设计需要根据数据存储方法和系统的应用需求，可以表示为根据查询请求检索数据的算法，检索数据时通过查询索引来寻找所需要的数据402、数据存储与索引技术403、查询处理技术动态数据查询：数据仅在一个小的时间窗内有效历史数据查询：对检测到的历史数据进行检测、分析走势等，此类查询通常认为每个数据都是同等重要的，是不可缺少的413、查询处理技术41四、目标跟踪技术目标跟踪是指为了维持对目标当前状态的估计，同时也是对传感器接收的量测进行处理的过程基本原理：当有目标进入监测区域时，由于目标的辐射特性（通常是红外辐射特征）、声传播特征和目标运动过程中产生的地面震动特征，传感器会探测到相应的信号42四、目标跟踪技术422、目标跟踪的关键技术432、目标跟踪的关键技术43无线传感器网络开放性分布和无线广播通信特征决定了它存在着安全隐患，而不同应用背景的无线传感器网络对信息提出了不同的安全需求第第4章章 安全技术安全技术44无线传感器网络开放性分布和无线广播通信特征决定了它存在着安全无线传感器网络安全分析无线传感器网络协议栈的安全无线传感器网络密钥管理无线传感器网络的入侵检测技术内容提要内容提要45无线传感器网络安全分析内容提要45表4-1 无线传感器网络安全目标 46表4-1无线传感器网络安全目标46无线传感器网络协议栈由硬件层、操作系统层、中间件层和应用层构成。其安全组件分别为：安全原语、安全服务和安全应用三层组件，还有各种攻击和安全防御技术存在于上述三层中的各个层47无线传感器网络协议栈由硬件层、操作系统层、中间件层和应用层构48481、无线传感器网络密钥管理预共享密钥分配模型随机密钥预分配模型基于位置的密钥预分配模型其他的密钥管理方案491、无线传感器网络密钥管理492、入侵检测技术入侵检测可以被定义为识别出正在发生的入侵企图或已经发生的入侵活动过程分类基于误用的检测基于异常的检测基于规范的检测502、入侵检测技术50入侵检测框架51入侵检测框架51国内和国际有多项标准与无线传感器网络具有关联性，其中明确提出其研究对象为无线传感器网络标准的组织包括国内WGSN标准工作组和国际ISO/IEC JTC1 WG7工作组第第5章章 技术标准技术标准52国内和国际有多项标准与无线传感器网络具有关联性，其中明确提出WGSN 标准ISO/IEC JTC1 WG7标准其他标准内容提要内容提要53WGSN标准内容提要53一、WGSN标准WGSN工作组的主要任务是根据国家标准化工作的方针政策，研究并提出有关传感器网络标准化工作方针、政策和技术措施的建议；按照国家标准制定、修订原则，以及积极采用国际标准和国外先进标准的方针，制订和完善传感器网络的标准体系。提出制定、修订传感器网络国家标准的长远规划和年度计划的建议；根据批准的计划，组织传感器网络国家标准的制定、修订工作及其它标准化有关的工作54一、WGSN标准 54nWGSN系列标准按照传感器网络“共性平台+应用子集”的标准体系55WGSN系列标准按照传感器网络“共性平台+应用子集”的标准体二、ISO/IEC JTC1 WG7标准标准主要按照传感器网络“共性平台+应用子集”的标准体系，该体系很好地分离了各类不同传感器网络应用之间的共性技术特征和差异性，为形成统一体系的传感器网络标准体系提供了很好的解决思路。适用于传感器网络系统的研制、开发和测试等领域56二、ISO/IECJTC1WG7标准56表5-1 ISO/IEC JTC1WG7传感器网络标准制定57表5-1ISO/IECJTC1WG7传感器网络标准制定三、无线传感器网络相关标准ISO系列相关标准IEC系列相关标准ITU-T系列相关标准IEEE 802.15系列相关标准IEEE 1451系列相关标准IEEE 1588相关标准ISA100相关标准ZigBee联盟标准IETF相关标准OGC OpenGIS相关标准58三、无线传感器网络相关标准58传感器节点是无线传感器网络的核心要素，只有通过节点才能实现感知、处理和通信。节点存储、执行通信协议和数据处理算法，节点的物理资源决定了用户从无线传感器网络中获取数据的大小、质量和频率，因而节点的设计与实施是无线传感器网络应用的关键第第6章章 软硬件设计与测试软硬件设计与测试59传感器节点是无线传感器网络的核心要素，只有通过节点才能实现感传感器节点的分类传感器节点硬件设计网络开发测试平台技术内容提要内容提要60传感器节点的分类内容提要60一、传感器节点的分类针对感知的内容不同，分为：标量感知节点：环境中的标量信息主要包含温度、湿度、光照以及二氧化碳等信息媒体感知节点：多媒体信息主要包含声音、图像以及视频61一、传感器节点的分类61二、传感器节点硬件设计传感器节点应满足特定应用的特色需求：尺寸小、价格低、能耗低；可为所需的传感器提供适当的接口，并提供所需的计算和存储资源；能够提供足够的通信能力62二、传感器节点硬件设计621、传感器模块传感器模块是硬件平台中真正与外部信号量接触的模块，一般包括传感器探头和变送系统两部分对于不同的探测物理量，传感器模块将采用不同的信号处理方式2、处理器模块处理器模块是传感器节点的计算核心，所有的设备控制、任务调度、能量计算和功能协调、通信协议的执行、数据整合和数据转储程序都将在这个模块的支持下完成631、传感器模块633、无线通信模块无线通信模块由无线射频电路和天线组成，目前采用的传输媒体包括无线电、红外线和光波等，它是传感器节点中最主要的耗能模块，是传感器节点的设计重点4、电源模块电源模块是任何电子系统的必备基础模块。对传感器节点来说，电源模块直接关系到传感器节点的寿命、成本、体积和设计复杂度。如果能够采用大容量电源，那么网络各层通信协议的设计、网络功耗管理等方面的指标都可以降低，从而降低设计难度643、无线通信模块64三、网络开发测试平台技术利用nesC语言开发的TinyOS软件开发系统是专门针对无线传感器网络的操作系统TinyOS是一个开源的嵌入式操作系统，它是由U.C.Berkeley开发出来的，主要应用于无线传感器网络方面65三、网络开发测试平台技术65TinyOS组件的功能模块框架的优点是：首先，“事件-命令-任务”的组件模型可以屏蔽低层细节，有利于程序员更方便地编写应用程序；其次，“命令-事件”的双向信息控制机制，使得系统的实现更加灵活；再次，调度机制独立成单独的一块，有利于为了满足不同调度需求进行的修改和升级66TinyOS组件的功能模块66无线传感器网络是由应用驱动的网络，凭借其可快速部署、可自组织、隐蔽性等技术特点，广泛应用于国防军事、环境监测、医疗卫生、工业监控、智能电网、智能交通等多个领域第第7章章 典型应用设计典型应用设计67无线传感器网络是由应用驱动的网络，凭借其可快速部署、可自组织智能家居系统智能温室系统智能化远程医疗监护系统内容提要内容提要68智能家居系统内容提要68一、智能家居系统智能家居（又称智能住宅，Smart Home），是集系统、结构、服务、管理等于一体的居住环境。它以住宅为平台，利用先进的计算机控制技术、智能信息管理技术与通信传输技术，将家庭安防系统、家电控制系统等各子系统有机地结合在一起，通过统筹管理，使家居环境变得更加的舒适与安全69一、智能家居系统69智能家居系统中的关键技术是信息传输和智能控制，涉及综合布线技术、电力线载波技术、无线网络技术等智能家居系统架构图70智能家居系统中的关键技术是信息传输和智能控制，涉及综合布线技系统功能模块图智能家居系统软件设计分为客户端、家庭网关和控制终端三个部分。1）客户端为运行于手机及平板电脑的控制软件。2）家庭网关是客户端通过外部网络接入到家庭内部网络的关口，包含网络接入和中央控制器等模块。ZigBee控制是家庭内部的网络的核心部分，是家居设备和网关的连接桥梁。3）控制终端则直接负责执行控制动作和数据采集71系统功能模块图71二、智能温室系统智能温室是在普通日光温室的基础上，借助传感器、电子、计算机网络等高科技手段，对植物生长环境中的温度、湿度、光照、土壤水分、CO2等环境因子进行检测，通过执行机构实现加温、通风、施肥、补光、帘幕开关等自动控制，从而达到全天候无人管理，实现生产的自动化，创造适合作物生长的最佳环境，提高产品质量和生产效率的高效农业设施72二、智能温室系统72系统分为四个层次，主要由监控主机、大量无线温湿度传感器节点（终端）、若干无线路由器节点和一个网络协调器节点构成73系统分为四个层次，主要由监控主机、大量无线温湿度传感器节点（1、网络协调器作为监控主机和其他节点信息交换的总枢纽，一方面通过RS232或RS485串行总线与上位监控主机相连，一方面通过无线方式与路由节点或传感器节点交换数据2、路由器节点主要用于协调器与传感器节点之间数据的中继转发、邻居表和路由表的维护，根据实际需要也可以配置传感器模块，采集环境信息3、传感器节点是监视通道最前端，用于采集温室内各点的温湿度数据，作为控制设备进行环境自动控制的主要依据741、网络协调器作为监控主机和其他节点信息交换的总枢纽，一方面自动控制结构图75自动控制结构图75三、智能化远程医疗监控系统将采集的病人生理信息数据和医学信号，通过电子信息技术及通信网络系统传送到监护中心进行分析处理，并及时将诊断意见反馈到医疗终端的医疗技术76三、智能化远程医疗监控系统76远程医疗监控系统架构图77远程医疗监控系统架构图77本章将在WIN7 64bit操作系统下，通过IAR软件及下载仿真器对CC2530芯片进行编程。通过接下来的基础实验、传感器数据读取实验及通讯网络搭建等实验，掌握CC2530的功能、特点及开发技术，熟练掌握无线传感网络的搭建及工程应用。第第8章章 工程实验指导工程实验指导78本章将在WIN764bit操作系统下，通过IAR软件及下载建立一个简单的实验工程看门狗定时器实验液晶LCD显示温度传感器数据读取及LCD显示无线点亮LED灯实验点对点无线通讯实验内容提要内容提要79建立一个简单的实验工程内容提要79一、建立一个简单的实验工程实验目的1）熟悉IAR软件开发界面及功能。2）掌握新建工作空间、新建工程、新建文件及设置工程参数的方法。3）了解CC2530芯片的IO控制方法及相关应用。4）点亮WeBee开发板上的LED灯。实验内容1）在IAR软件中练习新建工程、新建文件、编辑代码、保存并添加至工程。2）设置工程参数、连接开发板、下载仿真并观察LED状态80一、建立一个简单的实验工程80二、看门狗定时器实验实验目的1）熟悉CC2530定时器相关知识。2）练习看门狗定时器的使用。3）掌握看门狗定时器的特点。实验内容1）创建工程、编写代码并下载仿真。2）设置看门狗定时器。3）观察喂狗前后LED1及LED2的状态81二、看门狗定时器实验81三、液晶LCD显示实验目的1）了解LCD液晶屏的功能。2）掌握LCD液晶屏的驱动方法。3）体验通过LCD液晶屏实现人机交互。实验内容1）完成LCD串口驱动设计。2）观察LCD显示屏上的内容82三、液晶LCD显示 82四、温度传感器数据读取及LCD显示实验实验目的1）了解温度传感器的功能及应用。2）掌握温度传感器的数据读取方法。3）熟练应用LCD显示输出数据。实验内容1）在物联网开发平台上插接LCD液晶屏及温度传感器。2）编写调试程序，完成温度读取及显示83四、温度传感器数据读取及LCD显示实验83五、无线点亮LED灯实验实验目的1）了解两个节点的数据发送与接收。2）熟练掌握IO输入口的设置。3）了解Basic RF layer工作过程。实验内容1）设置LED控制开关。2）分别完成发送端和接收端节点程序设计。3）观察无线控制LED灯开关效果84五、无线点亮LED灯实验 84六、点对点无线通讯实验实验目的1）了解ZigBee的三种无线通讯方式。2）了解协议栈工作原理。3）掌握点对点通讯方式的设计。实验内容1）分别设置路由器、协调器及终端的代码。2）实现两节点的点对点通讯。3）通过串口调试程序观察实验结果85六、点对点无线通讯实验851、芯片内部框架结构2、芯片引脚和I/O端口配置3、特殊功能寄存器4、中断简介附附录录 CC2530芯片芯片简简介介861、芯片内部框架结构附录CC2530芯片简介86n芯片内部框架结构87芯片内部框架结构87n芯片引脚图88芯片引脚图88