无线传感器网络-第一章课件

1WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran传感网原理及应用传感网原理及应用WirelessSensorNetworksBased on the course slides of 无线传感器网络，Ian F.Akyildiz 等编，徐平平等译，电子工业出版社2WirelessSensorNetworksAkyildiz/VuranCourse Info:传感网原理及应用物联网专业的核心课程（物联网专业的核心课程（必修）了解传感网的产生与发展，掌握传感网的基本原理、了解传感网的产生与发展，掌握传感网的基本原理、体系结构以及协议设计原则，以及目前传感网的主要体系结构以及协议设计原则，以及目前传感网的主要协议，通过实验熟悉和掌握协议，通过实验熟悉和掌握TinyOS操作系统编程，使操作系统编程，使学生具有传感网应用系统分析和设计的初步能力。学生具有传感网应用系统分析和设计的初步能力。教材：无线传感器网络无线传感器网络（WirelessSensorNetworks），），Ian F.Akyildiz 等编，徐平平等译，电子工业出版社，等编，徐平平等译，电子工业出版社，2013年年3月第一次月第一次印刷印刷课堂：1-18周，周，每周一每周一5-6节（单周），节（单周），14101-18周，周，每周四每周四5-6节，节，3211考核方式：出勤率：出勤率+作业作业+考试考试3WirelessSensorNetworksAkyildiz/VuranIan F.AkyildizIan F.Akyildiz 4WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran参考书参考书5WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran1.WSN概述概述8.WSN的传输层的传输层2.WSN应用应用3.WSN的特性、关键设计因素和限制条件的特性、关键设计因素和限制条件4.WSN的物理层的物理层5.WSN的的MAC协议协议16.地下无线传感网地下无线传感网WUSN7.WSN的路由协议技术的路由协议技术9.WSN的跨层设计的跨层设计10.WSN中的时间同步中的时间同步11.WSN中的定位技术中的定位技术12.WSN中的拓扑管理中的拓扑管理13.WSN中的协同中的协同14.无线多媒体传感网无线多媒体传感网WMSN15.水下无线传感网水下无线传感网UWSN17.WSN的挑战的挑战课程内容课程内容6.WSN的差错控制的差错控制6WirelessSensorNetworksAkyildiz/VuranChapter1:无线传感器网络无线传感器网络1.1 无线传感网与物联网的关系无线传感网与物联网的关系1.2 无线传感网的应用领域无线传感网的应用领域1.3起源与发展起源与发展1.4无线传感网的体系结构无线传感网的体系结构1.5无线传感网的基本特点无线传感网的基本特点1.6无线传感网面临的挑战无线传感网面临的挑战1.7 前景展望前景展望7WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran无线传感器网络：物联网的末梢神经无线传感器网络：物联网的末梢神经8WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran9WirelessSensorNetworksAkyildiz/VuranChapter 1:Chapter 1:无线传感器网络概述无线传感器网络概述1.1 无线传感网与物联网的关系无线传感网与物联网的关系1.2 无线传感网的应用领域无线传感网的应用领域1.3起源与发展起源与发展1.4无线传感网的体系结构无线传感网的体系结构1.5无线传感网的基本特点无线传感网的基本特点1.6无线传感网面临的挑战无线传感网面临的挑战1.7 前景展望前景展望10WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran传感网应用示例传感网应用示例-人体健康人体健康人身上可以安装不同的传感器，对人的健康参数进行监控，并且实时传人身上可以安装不同的传感器，对人的健康参数进行监控，并且实时传送到相关的医疗保健中心，如果有异常，保健中心通过手机，提醒您去送到相关的医疗保健中心，如果有异常，保健中心通过手机，提醒您去医院检查身体。医院检查身体。11WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran传感网应用示例传感网应用示例-智能家庭智能家庭智能家庭是各类消费电子产品、通信产品、信息家电及智能家居等通过智能家庭是各类消费电子产品、通信产品、信息家电及智能家居等通过传感网进行通信及数据交换传感网进行通信及数据交换,实现家庭网络中各类电子产品之间的实现家庭网络中各类电子产品之间的“互联互联互通互通”,并实现随时随地对智能设备的控制。并实现随时随地对智能设备的控制。12WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran13WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran14WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran在智能家居的应用场景中，用户在下班回家的路上即可用手机启动“下班”业务流程，将热水器和空调调节到预订的温度，并检测冰箱内的食物容量，如不足则通过网络下订单要求超市按照当天的菜谱送货。15WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran传感网应用示例传感网应用示例-智慧农业智慧农业农业标准化生产监测系统：农业标准化生产监测系统：将农业生产过程中，最关键的温度、湿度、二氧化碳将农业生产过程中，最关键的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤温度、土壤含水率的信息通过农田中的传感含量、土壤温度、土壤含水率的信息通过农田中的传感器组实时采集，利用器组实时采集，利用M2M运营支撑平台和运营支撑平台和GPRS/ESGE网络传输，利用短信息、网络传输，利用短信息、WEB、WAP等手段，让从事等手段，让从事农业生产的客户实时掌握这些信息。农业生产的客户实时掌握这些信息。16WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran农业标准化生产监测系统农业标准化生产监测系统传感网运营支撑平台农业生产监测系统短信网关WEB客户GPRS/EDGE有线无线射频传感器组通信终端17WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran精细农业18WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran作战环境侦查作战环境侦查战场监测与指挥战场监测与指挥19WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran战场监测与指挥战场监测与指挥20WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran水下传感网水下传感网21WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuranvv传感器被安装在交通传感器被安装在交通传感器被安装在交通传感器被安装在交通工具上工具上工具上工具上vv能够检测交通工具的能够检测交通工具的能够检测交通工具的能够检测交通工具的位置、尺寸、速度和位置、尺寸、速度和位置、尺寸、速度和位置、尺寸、速度和路况路况路况路况vv路线推荐，行驶时间路线推荐，行驶时间路线推荐，行驶时间路线推荐，行驶时间估计估计估计估计 智能交通智能交通22WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran地震检测地震检测23WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran名胜古迹保护名胜古迹保护24WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran森林火灾监测系统森林火灾监测系统25WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran大东湖生态保护大东湖生态保护26WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran桥梁健康监测27WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran1.1 无线传感网与物联网的关系无线传感网与物联网的关系1.2 无线传感网的应用领域无线传感网的应用领域1.3起源与发展起源与发展1.4无线传感网的体系结构无线传感网的体系结构1.5无线传感网的基本特点无线传感网的基本特点1.6无线传感网面临的挑战无线传感网面临的挑战1.7 前景展望前景展望28WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran起源起源无线传感器网络的研究起步于无线传感器网络的研究起步于20世纪世纪90年代末期，随着无年代末期，随着无线自组网技术的日趋成熟，无线通信、微电子、传感器技术线自组网技术的日趋成熟，无线通信、微电子、传感器技术也得到快速发展，如何在军事领域中将无线自组网与传感器也得到快速发展，如何在军事领域中将无线自组网与传感器技术结合起来的研究课题被提出，即开始了无线传感器网络技术结合起来的研究课题被提出，即开始了无线传感器网络的研究。无线传感器网络可以用于对敌方兵力和装备的监控，的研究。无线传感器网络可以用于对敌方兵力和装备的监控，战场的实时监视，目标的定位、战场评估以及对核攻击和生战场的实时监视，目标的定位、战场评估以及对核攻击和生物化学攻击的监测和搜索。物化学攻击的监测和搜索。29WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran无线网络是网络技术研究与发展的另一条主线，它无线网络是网络技术研究与发展的另一条主线，它的研究、发展与应用将对的研究、发展与应用将对21世纪信息技术与产业发展产世纪信息技术与产业发展产生重要的影响。生重要的影响。30WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran传感器传感器无线传感器无线传感器无线传感器网络（大量微型、低成本、低功耗的传感器无线传感器网络（大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络）节点组成的多跳无线网络）第一阶段第一阶段:最早可以追溯至越战时期使用的传统的传感器系统。最早可以追溯至越战时期使用的传统的传感器系统。第二阶段第二阶段:二十世纪二十世纪80年代至年代至90年代之间。主要是美军研制的分布式传感器网年代之间。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。络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。第三阶段第三阶段:21世纪开始至今，也就是世纪开始至今，也就是911事件之后。这个阶段的传感器网络事件之后。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年美国国家重点实验室橡树岭实验室提出了橡树岭实验室提出了“网络就是传感器网络就是传感器”的论断。的论断。发展历史发展历史31WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran1.1 无线传感网与物联网的关系无线传感网与物联网的关系1.2 无线传感网的应用领域无线传感网的应用领域1.3起源与发展起源与发展1.4无线传感网的体系结构无线传感网的体系结构1.5无线传感网的基本特点无线传感网的基本特点1.6无线传感网面临的挑战无线传感网面临的挑战1.7 前景展望前景展望Chapter1:无无线传感器网感器网络32WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran无线传感网的体系结构无线传感网的体系结构33WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran34WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran传输层传输层传输层传输层应用层应用层应用层应用层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层网络层网络层网络层网络层物理层物理层物理层物理层物理层负责载波频率产生、信号的调制解调等工作 数据链路层负责错误控制和介质访问协议（MAC）网络层负责数据融合、路由发现、路由维护和路由选择传输层负责数据流的传输控制一系列的应用软件无线传感网的协议栈无线传感网的协议栈35WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran无线传感网的协议栈无线传感网的协议栈36WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran传感器平台传感器平台低端平台高端平台标准化工作 ZigBeeZigBee标准标准 WirelessHARTWirelessHART标准标准 6LoWPAN 6LoWPAN标准标准传感器平台的发展时间顺序传感器平台的发展时间顺序37WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran1.1 无线传感网与物联网的关系无线传感网与物联网的关系1.2 无线传感网的应用领域无线传感网的应用领域1.3起源与发展起源与发展1.4无线传感网的体系结构无线传感网的体系结构1.5无线传感网的基本特点无线传感网的基本特点1.6无线传感网面临的挑战无线传感网面临的挑战1.7 前景展望前景展望Chapter1:无无线传感器网感器网络38WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran传感器节点体积小，能量有限传感器节点体积小，能量有限传感器节点计算和存储能力有限传感器节点计算和存储能力有限通信半径小，带宽低通信半径小，带宽低传感器节点数量大且有自适应性传感器节点数量大且有自适应性无中心和自组织无中心和自组织网络动态性强网络动态性强以数据为中心的网络以数据为中心的网络无线传感网的基本特点无线传感网的基本特点39WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran1.1 无线传感网与物联网的关系无线传感网与物联网的关系1.2 无线传感网的应用领域无线传感网的应用领域1.3起源与发展起源与发展1.4无线传感网的体系结构无线传感网的体系结构1.5无线传感网的基本特点无线传感网的基本特点1.6无线传感网面临的挑战无线传感网面临的挑战1.7 前景展望前景展望Chapter1:无无线传感器网感器网络40WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran无线传感器网络面临的挑战无线传感网不同于传统数据网络的特点，对无线传感网无线传感网不同于传统数据网络的特点，对无线传感网的设计与实现提出了新的挑战。的设计与实现提出了新的挑战。无线传感网的发展在基础理论和实现技术两个层面提出无线传感网的发展在基础理论和实现技术两个层面提出了大量富有挑战性的研究课题，主要体现了大量富有挑战性的研究课题，主要体现:低能耗、实时低能耗、实时性、低成本、安全和抗干扰，协作。性、低成本、安全和抗干扰，协作。41WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran1.1.低功耗低功耗 无线传感器网络节点的电源极为有限，又因为它通常工作在危险或无线传感器网络节点的电源极为有限，又因为它通常工作在危险或人们无法到达的环境中，所以在大多数情况下无法补充能量，网络中的人们无法到达的环境中，所以在大多数情况下无法补充能量，网络中的传感器节点会由于电源能量耗尽而失效或废弃，这就要求在无线传感器传感器节点会由于电源能量耗尽而失效或废弃，这就要求在无线传感器网络运行的过程中，每个节点都要最小化自身的能量消耗，获得最长的网络运行的过程中，每个节点都要最小化自身的能量消耗，获得最长的工作时间；因而无线传感器网络中的各项技术和协议的使用一般都以节工作时间；因而无线传感器网络中的各项技术和协议的使用一般都以节能为前提。能为前提。无线传感器网络面临的挑战无线传感器网络面临的挑战42WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran2.2.实时性实时性 无线传感器网络的应用大多要求有较好的实时性。例如，目标在进无线传感器网络的应用大多要求有较好的实时性。例如，目标在进入监测区域之后，传感器网络需要在一个很短的时问内对这一事件做出入监测区域之后，传感器网络需要在一个很短的时问内对这一事件做出响应，若其反应的时间过慢，则可能目标已离开监测区域，从而使得到响应，若其反应的时间过慢，则可能目标已离开监测区域，从而使得到的数据失效。又如，车载监控系统需要在很短的时间内就读一次加速度的数据失效。又如，车载监控系统需要在很短的时间内就读一次加速度仪的测量值，否则无法正确估计速度，导致交通事故，这些应用都对无仪的测量值，否则无法正确估计速度，导致交通事故，这些应用都对无线传感器网络的实时性设计提出了很大的挑战线传感器网络的实时性设计提出了很大的挑战。无线传感器网络面临的挑战无线传感器网络面临的挑战43WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran3.3.低成本低成本 无线传感器网络是由大量的传感器节点组成的，单个传感器节点的价无线传感器网络是由大量的传感器节点组成的，单个传感器节点的价格会极大程度地影响系统的成本。为了达到降低单个节点成本的目的，格会极大程度地影响系统的成本。为了达到降低单个节点成本的目的，需要设计出对计算、通信和存储能力均要求较低的简单网络系统和通信需要设计出对计算、通信和存储能力均要求较低的简单网络系统和通信协议。此外，还可以通过减少系统管理与维护的开销来降低系统的成本，协议。此外，还可以通过减少系统管理与维护的开销来降低系统的成本，这需要无线传感器网络系统具有自配置和自修复的能力。这需要无线传感器网络系统具有自配置和自修复的能力。无线传感器网络面临的挑战无线传感器网络面临的挑战44WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran 4.4.安全和抗干扰安全和抗干扰 无线传感器网络系统具有严格的资源限制，需要设计低开销的通信协无线传感器网络系统具有严格的资源限制，需要设计低开销的通信协议，同时也会带来严重的安全问题。由于传感器节点有些会设置在屋内，议，同时也会带来严重的安全问题。由于传感器节点有些会设置在屋内，也有许多会设置在户外，会在各种环境下部署节点，所以节点必须具备也有许多会设置在户外，会在各种环境下部署节点，所以节点必须具备良好的抗干扰能力，现场环境可能极寒冷、极炎热、极干或极湿等恶劣良好的抗干扰能力，现场环境可能极寒冷、极炎热、极干或极湿等恶劣条件，这些都不能对节点的感知产生影响，也不能对节点内的电路运作条件，这些都不能对节点的感知产生影响，也不能对节点内的电路运作产生影响，同时也不能对节点间的信息传递产生影响。关于这些就相当产生影响，同时也不能对节点间的信息传递产生影响。关于这些就相当考验节点的设计，不仅要考虑节点的外壳设计，还要考虑内部电路的设考验节点的设计，不仅要考虑节点的外壳设计，还要考虑内部电路的设计。因此，如何使用较少的能量完成数据加密、身份认证、入侵检测及计。因此，如何使用较少的能量完成数据加密、身份认证、入侵检测及在破坏或受干扰的情况下可靠地完成任务，也是无线传感器网络研究与在破坏或受干扰的情况下可靠地完成任务，也是无线传感器网络研究与设计面临的一个重要挑战。设计面临的一个重要挑战。无线传感器网络面临的挑战无线传感器网络面临的挑战45WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran5.5.协作协作 由于单个传感器节点的能力有限，往往不能单独完成对目标的测量、由于单个传感器节点的能力有限，往往不能单独完成对目标的测量、跟踪和识别工作，而需要多个传感器节点采用一定的算法通过交换信息，跟踪和识别工作，而需要多个传感器节点采用一定的算法通过交换信息，对所获得的数据进行加工、汇总和过滤，并以事件的形式得到最终结果。对所获得的数据进行加工、汇总和过滤，并以事件的形式得到最终结果。数据的协作传递过程中涉及网络协议的设计和节点的能量消耗问题，也数据的协作传递过程中涉及网络协议的设计和节点的能量消耗问题，也是目前研究热点之一。是目前研究热点之一。无线传感器网络面临的挑战无线传感器网络面临的挑战46WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran1.1 无线传感网与物联网的关系无线传感网与物联网的关系1.2 无线传感网的应用领域无线传感网的应用领域1.3起源与发展起源与发展1.4无线传感网的体系结构无线传感网的体系结构1.5无线传感网的基本特点无线传感网的基本特点1.6无线传感网面临的挑战无线传感网面临的挑战1.7 前景展望前景展望Chapter1:无无线传感器网感器网络47WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如家用、保健、交通等领域。我们在许多新兴领域体现其优越性，如家用、保健、交通等领域。我们可以大胆的预见，将来无线传感器网络将无处不在，将完全融入我可以大胆的预见，将来无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。比如微型传感器网最终可能将家用电器、个人电脑和其们的生活。比如微型传感器网最终可能将家用电器、个人电脑和其他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传感器他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传感器网络负责安全调控、节电等。无线传感器网络将是未来的一个无孔网络负责安全调控、节电等。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，其应用可以涉及到人类日常生活和社会生不入的十分庞大的网络，其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。产活动的所有领域。应用展望应用展望48WirelessSensorNetworksAkyildiz/Vuran1 1灵活、自适应的网络协议体系灵活、自适应的网络协议体系2 2跨层设计跨层设计3 3寻求系统节能策略寻求系统节能策略4 4节点的自动配置节点的自动配置5 5与其他网络的融合与其他网络的融合 技术展望技术展望