无线通信原理与应用-27-无线传感器网络(WSN)课件

Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系第第2章章 现代无线通信系统现代无线通信系统（Introduction to Wireless Communication Systems）电气工程学院电气工程学院 通信工程系第通信工程系第2章章 现代无线通信系统现代无线通信系统（Int1Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系2.7 无线传感器网络无线传感器网络Wireless Sensor Network(WSN)电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系2.7 无线传感器网络无线传感器网络2Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系普适计算普适计算未来计算将充斥于我们的日常生活中的每个角落智能空间(Ambientintelligence)/普适计算(Ubiquitouscomputing)大量不同种设备采集、处理来自不同来源的信息以供控制实际过程并与用户交互智能空间所需信息的来源：无线传感器网络这些由单个节点组成的网络需要相互合作完成指定任务。节点间通过无线通信完成相互的合作无线传感器网络是实现智能空间的重要组成部分电气工程学院电气工程学院 通信工程系普适计算未来计算将充斥于我们的日常通信工程系普适计算未来计算将充斥于我们的日常3Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系普适计算需求普适计算需求自组织网络自组织网络 只能有效地处理有限的连接设备只能有效地处理有限的连接设备 下一代网络需要具有自治和主动的能力下一代网络需要具有自治和主动的能力电气工程学院电气工程学院 通信工程系普适计算需求通信工程系普适计算需求自组织网络自组织网络 只能有只能有4Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系普适计算需求普适计算需求传感信息传感信息 传感信息是我们了解世界的唯一手段传感信息是我们了解世界的唯一手段 新型计算需要获取环境信息以便提供用户新型计算需要获取环境信息以便提供用户相应的服务相应的服务电气工程学院电气工程学院 通信工程系普适计算需求通信工程系普适计算需求传感信息传感信息 传感信息传感信息5Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系普适计算需求普适计算需求无线连接无线连接 有线方式连接：高额费用和使用局限性有线方式连接：高额费用和使用局限性电气工程学院电气工程学院 通信工程系普适计算需求通信工程系普适计算需求无线连接无线连接 有线方式有线方式6Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系信息获取与信息发布信息获取与信息发布 有线方式连接：高额费用和使用局限性有线方式连接：高额费用和使用局限性电气工程学院电气工程学院 通信工程系信息获取与信息发布通信工程系信息获取与信息发布 有线方式连接：有线方式连接：7Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系WSNWSN概述概述 无线传感器网络（无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）系统是当前在国际上备受关注的、涉及）系统是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、领域。它综合了传感器技术、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现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。等。电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系WSN概述概述 无无8Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系无线传感器网络（无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）就是由部署在检测区域内）就是由部署在检测区域内大量大量的的廉价廉价卫星传感器节点组成，通过无线通信方式形卫星传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个成的一个多跳多跳的的自组织自组织的网络系统，目的是的网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。知的对象信息，并发送给观察者。构成构成WSN的三要素：的三要素：传感器、感知对象、观察者。传感器、感知对象、观察者。WSNWSN概述（续）概述（续）电气工程学院电气工程学院 通信工程系无线传感器网络（通信工程系无线传感器网络（Wireless 9Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系MEMSMEMS技术对技术对WSNWSN的推动的推动电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系MEMS技术对技术对WSN的推动的推动10Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系无线传感器网络结构无线传感器网络结构电气工程学院电气工程学院 通信工程系无线传感器网络结构通信工程系无线传感器网络结构11Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系影响力 美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展报告中将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。传感器网络被列为未来3大高科技产业一。美国的技术评论将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术。商业周刊 预测的未来4大新技术中，无线传感器网络也列入其中等。WSNWSN概述（续）概述（续）电气工程学院电气工程学院 通信工程系影响力通信工程系影响力WSN概述（续）概述（续）12Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系历史以及发展现状历史以及发展现状国外：起源于美国，根源可追溯到1978年由国防部高级研究计划署（DARPA）在卡内基-梅隆大学发起的分布式传感器研讨会。具有代表性的项目包括：1993-1999年间由美国国防高级研究计划署(DARPA)资助，加州大学洛杉矶分校(UCLA)承担的WINS项目；1999-2001年间由DAPRA资助UCBerkeley承担的SmartDust项目。电气工程学院电气工程学院 通信工程系历史以及发展现状国外：通信工程系历史以及发展现状国外：13Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系1998-2002年DARPA资助，加州大学伯克利分校等25个机构联合承担的SensIT计划；1999-2004年间海军研究办公室的SeaWeb计划等。国内：中国的一些研究机构近年开始研究：中国科学技术大学、清华大学、华中科技大学、浙江大学、北京邮电大学、中科院计算所、上海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智能所等研究单位。之所以国内外都投入巨资研究机构纷纷开展无线传感器网络的研究，很大程度归功于其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系 1998-20014Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系WSNWSN的应用的应用军事上的应用传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合军事上的应用。通过飞机或炮弹直接将传感器节点散播到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感网络，就能隐蔽而且近距离的准确收集战场信息。例:传感器网络已经成为 美军事C4ISRT系统必 不可少的一部分。电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系WSN的应用的应用军事上的应用军事上的应用15Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系环境观测和预报系统 可以用于检视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表监测、气象和地理研究、洪水监测等。例：ALERT系统中就有用于监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系环境观测和预报系统环境观测和预报系统16Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系医疗护理 用于人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。例：一个可以成像的特殊发送器芯片与精巧设计的超低功率无线技术结合，就可以实现可用于一个胃肠道诊断的微型吞服摄像胶囊。患者吞下维C片大小的成像胶囊后，胶囊经过食道、胃和小肠时就可将图象广播出来。胶囊由一个摄象机、LED、电池、特制芯 片和天线组成。（如图）电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系医疗护理医疗护理17Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系精细农业医疗保健电气工程学院电气工程学院 通信工程系精细农业通信工程系精细农业18Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系智能家居家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连在一起。为人提供人性化的家居环境。例：Avaak提供一个只有1立方英寸大小的自治产品。这个微型的无线视频平台包含有一节电池、无线电、摄像相机、(彩色成像器加镜头)、控制器、天线和温度传感器。电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系智能家居智能家居19Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系建筑物状态监控 利用传感器网络监控建筑物的安全状态。例：Microstrain在佛蒙特州的一座重载桥梁上安装了一套该公司研制的系统，将位移传感器安装在钢梁上用来测量静态和动态应力，并通过无线网络来采集数据。该无线系统可以保留在桥梁上用于长期监测桥梁是否处于正常受控状态。电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系建筑物状态监控建筑物状态监控20Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系21Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系完成空间探索借助于航天器在外星体撒播一些传感器网络节点，可以对星球表面进行长时间监测。成本低、节点体积小，相互之间可以进行通信，也可以和地面站进行通信。例：NASA的JPL（JetPropulsionLaboratory）实验室研制的SensorWebs就是为将来的火星探测进行技术准备。该系统已经在实施测试和完善。电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系完成空间探索完成空间探索22Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系厂房安全故障诊断电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系 厂房安全厂房安全23Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系WSNWSN的体系结构的体系结构传感器网络结构电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系WSN的体系结构传感器网络结构的体系结构传感器网络结构24Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系传感器节点结构电气工程学院电气工程学院 通信工程系传感器节点结构通信工程系传感器节点结构25Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系传感器网络协议栈WSNWSN的体系结构的体系结构电气工程学院电气工程学院 通信工程系传感器网络协议栈通信工程系传感器网络协议栈WSN的体系结构的体系结构26Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系WSNWSN的特征的特征与无线网络的区别 传感器网络集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目庞大（上千甚至上万），分布密集，因环境和能量的耗尽，容易出现故障，节点通常固定不动。能量、处理能力、存储能力、通信能力有限。不同于传统无线网络的高服务质量和高效的带宽的利用，节能是其设计的首要考虑因素。电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系WSN的特征的特征与无线网络的区别与无线网络的区别27Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系WSNWSN的特征的特征节点的限制 电池能量有限 通信能力有限 能量消耗和通信距离关系E正比于d(n).2n4 计算和存储能力有限电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系WSN的特征的特征节点的限制节点的限制28Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系传感器网络的特点：大规模网络自组织网络动态性网络可靠性网络应用性相关的网络以数据为中心的网络WSNWSN的特征的特征电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系传感器网络的特点：传感器网络的特点：WSN的特征的特征29Wireless Communications Principles and Practice无线通信原理与应用电气工程学院电气工程学院 通信工程系通信工程系关键技术关键技术网络协议时间同步定位技术网络拓扑控制数据融合数据管理无线通信技术嵌入式操作系统应用层技术电气工程学院电气工程学院 通信工程系关键技术网络协议通信工程系关键技术网络协议30