无线传感器网络(完整ppt课件)

无无线传感器网感器网络实用教程用教程余成波余成波 李洪兵李洪兵 陶陶红艳 编著著无线传感器网络实用教程余成波 李洪兵 陶红艳 编著第1章 无线传感器网络概述什么是短距离无线通信网络？到目前为止，学术界和工程界对此并没有一个严格的定义。一般而言，短距离无线通信的主要特点为通信距离短，覆盖距离一般10200m；另外，无线发射器的发射功率较低，发射功率一般小于100mW，工作频率多为免付费、免申请的全球通用的工业、科学、医学（Industrial、Scientific and Medical，ISM）频段。常用的ISM频段有27MHz、315MHz、433MHz、868MHz（欧洲）、902928MHz（美国）和2.4GHz。目前，在我国使用最多的还是27MHz、315MHz、433MHz和2.4GHz。1.1 短距离无线网络概述短距离无线网络概述 第1章 无线传感器网络概述什么是短距离无线通信网络？1.1 第1章 无线传感器网络概述短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，它是指集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合性智能信息系统，并且其传输距离限制在一个较短的范围内（通常是几米以内）。通过各类集成化的微型传感器协作进行实时感知、采集和监测各类感兴趣的研究和应用信息。低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。首先，低成本是短距离无线通信的客观要求。因为各种通信终端的产销量都很大，要提高终端间的直通能力，没有足够低的成本是很难推广的。其次，低功耗是相对于其他无线通信技术而言的一个特点。这与其通信距离短的特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的概率也小，发射功率普遍很低，通常在1mW量级。最后，对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于基于网络基础设施的无线通信技术。终端之间对等通信，不需要网络设备进行中转，故空中接口设计和高层协议都相对较简单，无线资源管理通常采用竞争的方式（如载波侦听）。第1章 无线传感器网络概述短距离无线通信技术的范围很广，在一第1章 无线传感器网络概述目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙(Bluetooth)，无线局域网802.11(Wi-Fi)和红外数据传输(IrDA)。同时更有一些具有发展潜力的近距无线技术标准，他们分别是：ZigBee、超宽频(Ultra Wide Band)、短距通信(NFC)、WiMedia、GPS、DECT、无线1394和专用无线系统等。他们都有其立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特别需求；或着眼于功能的扩充性；或符合某些单一应用的特别需求；或建立竞争技术的差异化等。不过没有一种技不过没有一种技术能完美到足以满足所有的需求术能完美到足以满足所有的需求。ZigBee系统采用的是直序扩频技术（DSSS)，使得原来较高的功率、较窄的频率变成较宽的低功率频率，以有效控制噪声，是一种抗干扰能力极强，保密性，可靠性都很高的通信方式。蓝牙系统采用的是跳频扩频技术（FHSS)，这些系统仅在部分时间才会发生使用频率冲突，其他时间则能在彼此相异无干扰的频道中运作。ZigBee系统是非跳频系统，所以蓝牙在多次通信中才可能有一次会和ZigBee的通信频率产生重叠，且将会迅速跳至另一个频率。在大多数情况下，蓝牙不会对ZigBee产生严重威胁，而ZigBee对蓝牙系统的影响可以忽略不计。1.1.2 常用短距离无线通信技术的介绍第1章 无线传感器网络概述目前使用较广泛的近距无线通信技术是第1章 无线传感器网络概述1IrDA技术红外线数据协会(Infrared Data Association，IrDA)是致力于建立红外线无线连接的非营利组织，是一种利用红外线进行点对点的数据传输协议，通信距离一般在0到1m之间，传输速度最快可达到16Mbps,通信介质为波长900nm左右的近红外线。其传输具有小角度、短距离、直线数据传输、保密性强及传输速率较高等特点，适于传输大容量的文件和多媒体数据。并且无需申请频率的实用权，成本低廉。IrDA已被全球范围内的众多厂商采用，目前主流的软硬件平台均提供对它的支持。IrDA的不足在于它是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，而且只适合2台设备之间的连接。IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。第1章 无线传感器网络概述1IrDA技术第1章 无线传感器网络概述2蓝牙技术蓝牙系统一般由无线单元、链路控制单元、链路管理单元和蓝牙软件（协议栈）单元等四个单元组成。蓝牙技术的特点和优点在于：Bluetooth工作在全球开放的2.4GHzISM频段；使用跳频频谱扩展技术，把频带分成若干个跳频信道，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道“跳”到另一个信道；在有效范围内可越过障碍物进行连接，没有特别的通信视角和方向要求；组网简单方便；低功耗、通信安全性好；数据传输带宽可达1Mbps；一台蓝牙设备可同时与其他7台蓝牙设备建立连接；支持语音传输。第1章 无线传感器网络概述2蓝牙技术第1章 无线传感器网络概述Bluetooth产品涉及PC、笔记本、移动电话等信息设备和A/V设备、汽车电子、家用电器和工业设备领域。尤其是个人局域网应用，包括无绳电话、PDA与计算机的互联。但Bluetooth同时存在植入成本高、通信对象少、通信速率较低等问题，它的发展与普及尚需经过市场的磨炼，其自身的技术也有待于不断完善和提高。蓝牙的典型应用有：语音数据接入是指将一台计算机通过安全的无线链路连接到通信设备上，完成与广域网的联接。外围设备互连是指将各种设备通过蓝牙链路连接到主机上。个人局域网（PAN），主要用于个人网络与信息的共享与交换。第1章 无线传感器网络概述Bluetooth产品涉及PC、笔第1章 无线传感器网络概述 3.Wi-Fi技术Wi-Fi（Wireless Fidelity，即无线保真技术）是属于无线局域网的一种，通常是指符合IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准（IEEE 802.11）。它使用的是2.4GHz附近的频段，物理层定义了两种无线调频方式和一种红外传输方式。Wi-Fi基于IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g和IEEE802.11n。他最大优点就是传输的有效距离很长，传输速率较高（可达11Mbps），与各种802.11DSSS设备兼容。第1章 无线传感器网络概述 3.Wi-Fi技术第1章 无线传感器网络概述目前，最新的交换机能把Wi-Fi无线网络从接近100m的通信距离扩大到约6.5Km。另外，使用Wi-Fi的门槛较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路即可接入因特网。其主要特性为：速度快，可靠性高，在开放性区域通信距离305m，在封闭区域通信距离为76122m，方便与现有的有线以太网络整合，组网结构弹性化、灵活、价格较低。在未来，Wi-Fi最具应用潜力的将主要在SOHO、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物等场所。目前，Wi-Fi已成为最为流行的笔记本电脑技术而大受青睐。第1章 无线传感器网络概述目前，最新的交换机能把Wi-Fi无第1章 无线传感器网络概述4RFID技术RFID是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID由标签(Tag)、解读器(Reader)和天线(Antenna)三个基本要素组成。其基本工作原理是：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息。(PassiveTag，无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(ActiveTag，有源标签或主动标签)。解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。(应用)RFID将渗透到包括汽车、医药、食品、交通运输、能源、军工、动物管理以及人事管理等各个领域。然而，由于成本、标准等问题的局限，RFID技术和应用环境还很不成熟。主要表现在：制造技术较为复杂，智能标签的生产成本相对过高；标准尚未统一，最大的市场尚无法启动；应用环境和解决方案还不够成熟，安全性将接受很大考验。第1章 无线传感器网络概述4RFID技术第1章 无线传感器网络概述5UWB技术UWB（Ultra Wideband，超宽带技术）起源于20世纪50年代末，此前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用。随着无线通信的飞速发展，人们对高速无线通信提出了更高的要求，超宽带技术又被重新提出，并备受关注。UWB是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，在较宽的频谱上传送较低功率信号。UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。UWB可提供高速率的无线通信，保密性很强，发射功率谱密度非常低，被检测到的概率也很低，在军事通信上有很大的应用前景。此外UWB通信采用调时序列，能够抗多径衰落，因此特别适合高速移动环境下使用。更重要的是，UWB通信又被称为是无载波的基带通信，几乎是全数字通信系统，所需要的射频和微波器件很少。第1章 无线传感器网络概述5UWB技术第1章 无线传感器网络概述与当前流行的短距离无线通信技术相比，UWB具有抗干扰能力强、传输速率高、带宽极宽、发射功率小等优点，具有广阔的应用前景，在室内通信、高速无线LAN、家庭网络等场合才能得到充分应用。当然，UWB技术也存在自身的弱点。主要是占用的带宽过大，可能会干扰其他无线通信系统，因此其频率许可问题一直在争论之中。另外，有学者认为，尽管UWB系统发射的平均功率很低，但由于其脉冲持续时间很短，瞬时功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。但是学术界的种种争论并不影响UWB的开发和使用，2002年2月美国通信协会(FCC)批准了UWB用于短距离无线通信的申请。第1章 无线传感器网络概述与当前流行的短距离无线通信技术相比第1章 无线传感器网络概述6ZigBee技术ZigBee技术主要用于无线个域网（WPAN），是基于IEE802.15.4无线标准研制开发的，是一种介于无线标签技术和蓝牙技术之间的技术提案，主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。ZigBee协议比蓝牙、高速率个人区域网络或802.11x无线局域网更简单使用。ZigBee可以说是蓝牙的同族兄弟，它使用2.4GHz波段，采用跳频技术。与蓝牙相比，ZigBee更简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速率是250kb/s，当降低到280kb/s时，传输范围可扩大到134m，并获得更高的可靠性。另外，它可与254个节点联网。可以比蓝牙更好的支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。人们期望能在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域拓展ZigBee的应用。第1章 无线传感器网络概述6ZigBee技术第1章 无线传感器网络概述ZigBee技术特点主要包括：数据传输速率低。只有10kb/s250kb/s,专注于低传输应用。功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通五号干电池可使用6个月至2年。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。低成本。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；积极投入ZigBee开发的Motorola以及Philips，均已在2003年正式推出芯片，飞利浦预估，应用于主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比蓝牙更具有价格竞争力。网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。有效范围小。有效覆盖范围1075m之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）915MHz（美国），均为免执照频段。第1章 无线传感器网络概述ZigBee技术特点主要包括：第1章 无线传感器网络概述早在20世纪70年代就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，人们把它归结为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展，传感器网络同时还具有获取多种信息信号的综合能力，采用串/并接口（如RS-232、RS-485）与传感控制器相连，构成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。在20世纪90年代后期和21世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络，这是第三代传感器网络。第四代传感器网络正在研究开发，用大量的具有多功能、多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。1.2 无线传感器网络发展历程无线传感器网络发展历程 第1章 无线传感器网络概述早在20世纪70年代就出现了将传统第1章 无线传感器网络概述1 ALOHA协议ALOHA协议（或称ALOHA技术、ALOHA网）是世界上最早的无线电计算机通信网。ALOHA协议分为纯ALOHA和时隙ALOHA两种。纯ALOHA协议的思想很简单，只要用户有数据要发送，就尽管让他们发送。当然，这样会产生冲突从而造成帧的破坏。但是，由于广播信道具有反馈性，因此发送方可以在发送数据的过程中进行冲突检测，将接收到的数据与缓冲区的数据进行比较，就可以知道数据帧是否遭到破坏。同样的道理，其他用户也是按照此过程工作。如果发送方知道数据帧遭到破坏（即检测到冲突），那么它可以等待一段随机长的时间后重发该帧。所谓等待一段随机长的时间，就是为了防止发生冲突的用户在检测到冲突后立即重发数据，而使各个用户错开重发时间，以避免连锁冲突的恶性循环。1.2.1 无线数据网络无线数据网络第1章 无线传感器网络概述1 ALOHA协议1.2.1 无线第1章 无线传感器网络概述时隙ALOHA协议，是1972年Roberts发明了一种能把信道利用率提高一倍的信道分配策略。其思想是用时钟来统一用户的数据发送。办法是将时间分为离散的时间片，用户每次必须等到下一个时间片才能开始发送数据，从而避免了用户发送数据的随意性，减少了数据产生冲突的可能性，提高了信道的利用率。在时隙ALOHA系统中，计算机并不是在用户按下回车键后就立即发送数据，而是要等到下一个时间片开始时才发送。这样，连续的纯ALOHA就变成离散的时隙ALOHA。由于冲突的危险区平均减少为纯ALOHA的一半，因此时隙ALOHA的信道利用率可以达到36.8%，是纯ALOHA协议的两倍。但对于时隙ALOHA，用户数据的平均传输时间要高于纯ALOHA系统。第1章 无线传感器网络概述时隙ALOHA协议，是1972年R第1章 无线传感器网络概述2 PRNET系统PRNET(Packet Radio NETwork)，称为“分组无线网络”，是Ad hoc网络的前身。对分组无线网络的研究源于军事通信的需要，并已经持续了近20年。早在1972年，美国DARPA就启动了分组无线网项目，研究分组无线网络在战场环境下数据通信中的应用。项目完成之后，DAPRA又在1993年启动了高残存性自适应网络（SURAN,SURvivable Adaptive Network）项目。研究如何将PRNET的成果加以扩展，以支持更大规模的网络，还要开发能够适应战场快速变化环境下的自适应网络协议。1994年，DARPA又启动了全球移动信息系统（GloMo,Global Mobile Information Systems）项目。在分组无线网络已有成果的基础上对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究，并一直持续至今。1991年成立的IEEE802.11标准委员会采用了“Ad hoc网络”一词来描述这种特殊的对等式无线移动网络。第1章 无线传感器网络概述2 PRNET系统第1章 无线传感器网络概述3 Amateur分组无线网络Amateur分组无线网络是一个由各国业余无线电爱好者设计构建的自组、多跳、全国范围的网络。Amateur的缺陷是地区间只能使用低速率短波链路。由于在链路层以上缺乏统一的协议，用户只能通过人工的方式配置路由，限制了网络的应用。Amateur分组无线网络的后续研究包括：分组网络与Internet雏形的互联，多种短波通信物理层协议的开发，基于卫星的分组网络等。最主要的进步在于多路访问冲突避免（multiple access collision avoidance，MACA）无线信道接入协议的开发。MACA将载波监听多路访问机制与Apple公司的Localtalk网络中使用的RTS/CTS通信握手机制相结合，极大地解决了“隐藏终端”和“暴露终端”问题。第1章 无线传感器网络概述3 Amateur分组无线网络第1章 无线传感器网络概述4无线局域网（WLAN）无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）就是在各工作站和设备之间，不再使用通信电缆，而采用无线的通信方式连接的局域网。一般来讲，凡是采用无线传输媒体的计算机局域网都可以称之为无线局域网。无线局域网采用的传输媒体主要有两种无线电波和红外线。根据调制方式的不同，无线电波方式又可分为扩展频谱方式和窄带调制方式。扩展频谱方式是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式，它虽然牺牲了频带带宽，却提高了通信系统的抗干扰能力和安全性；窄带调制方式是指数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移到射频发射出去，与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高，但是通信可靠性较差。而红外线方式的最大优点是不受无线电干扰，且红外线的使用不必受国家无线电管理委员会的限制，（缺点）但是红外线对非透明物体的透过性较差，传输距离受限。第1章 无线传感器网络概述4无线局域网（WLAN）第1章 无线传感器网络概述5无线个域网（WPAN）无线个域网（Wireless Personal Area Networks，WPAN）是一种与无线广域网（WWAN）、无线城域网（WMAN）、无线局域网（WLAN）并列但覆盖范围较小的无线网络，是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。支持无线个人局域网的技术包括：蓝牙、ZigBee、超频波段（UWB）、IrDA、HomeRF等，每一项技术只有被用于特定的用途、应用程序或领域才能发挥最佳的作用。此外，虽然在某些方面，有些技术被认为是在无线个人局域网空间中相互竞争的，但是他们常常相互之间又是互补的。第1章 无线传感器网络概述5无线个域网（WPAN）第1章 无线传感器网络概述1.2.2 无线自组织网络无线自组织网络无线自组织网络，即MANET（Mobile Ad Hoc Network），是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供给。无线自组织网络不同于传统无线通信网络的技术。传统的无线蜂窝通信网络，需要固定的网络设备如基地站的支持，进行数据的转发和用户服务控制。而无线自组织网络不需要固定设备支持，各节点即用户终端自行组网，通信时，由其他用户节点进行数据的转发。这种网络形式突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署，适合于一些紧急场合的通信需要，如战场的单兵通信系统。但无线自组织网络也存在网络带宽受限、对实时性业务支持较差、安全性不高的弊端。目前，国内外有大量研究人员进行此项目研究。第1章 无线传感器网络概述1.2.2 无线自组织网络第1章 无线传感器网络概述无线传感器网络的研究和使用最早可追溯到冷战时期，美国在其战略区域布置了声学监视系统（Sound Surveillance System,SOSUS）,用于检测和跟踪静默下的前苏联潜艇。美国国防高级研究计划局（DARPA）在1978年发起了分布式传感器网络研讨会，该研讨会在宾夕法尼亚州的卡耐基-梅隆大学召开。1998年美国国防高级研究计划局又提出了“传感器信息技术计划SensIT”，计划的发起使得人们对无线传感器系统的兴趣持续增长。无线传感器网络技术被认为是21世纪中能够对信息技术、经济和社会进步发挥重要作用的技术，其发展潜力巨大，该技术的广泛应用，将会对现代军事、现代信息技术、现代制造业及许多重要的社会领域产生巨大的影响。1.2.3 无线传感器网络无线传感器网络第1章 无线传感器网络概述无线传感器网络的研究和使用最早可追第1章 无线传感器网络概述1.3.1 传感器网络的特点1大规模网络2自组织网络3多跳路由4.动态性网络5以数据为中心的网络6兼容性应用的网络1.3 无线传感器网络的特征无线传感器网络的特征 第1章 无线传感器网络概述1.3.1 传感器网络的特点1.3第1章 无线传感器网络概述1.3.2 传感器节点的限制1电源能量有限2通信能力有限3计算和存储能力有限第1章 无线传感器网络概述1.3.2 传感器节点的限制第1章 无线传感器网络概述1.4传感器网络的关键技术传感器网络的关键技术 1网络拓扑控制2网络协议3网络安全4时间同步5定位技术6数据融合7数据管理8无线通信技术9嵌入式操作系统10应用层技术第1章 无线传感器网络概述1.4传感器网络的关键技术 第1章 无线传感器网络概述1.5 无线传感器网络的应用无线传感器网络的应用1军事应用（1）智能微尘(smartdust)（2）战场环境侦察与监视系统（3）传感器组网系统2智能家居3环境监测4建筑物质量监控5医疗护理6其他方面应用第1章 无线传感器网络概述1.5 无线传感器网络的应用第1章 无线传感器网络概述1.6 无线传感器网络仿真平台无线传感器网络仿真平台目前，比较典型的仿真平台或基于现有平台的无线传感器网络模型，包括NS-2，OPNET，GloMoSim，TOSSIM，PowerTOSSIM等。（1）NS-2是著名的用于网络研究的离散事件仿真工具，主要致力于OSI模型的仿真，且其源码开放，适合二次开发。一些研究小组对NS-2进行了扩展，使它能支持无线传感器网络的仿真，包括传感器模型、电池模型、小型的协议栈、混合仿真的支持和场景工具等。但由于NS-2对数据包级进行非常详细的仿真，接近于运行时的数据包数量，使得其无法进行大规模网络的仿真。第1章 无线传感器网络概述1.6 无线传感器网络仿真平台第1章 无线传感器网络概述（2）OPNET仿真平台OPNET是成熟的商业化通信网络仿真平台，库中提供了很多的模型，包括TCP/IP、802.11、3G等。且已有一些研究人员在OPNET上实现对TinyOS的NesC程序的仿真2。但要实现无线传感器网络的仿真，还需要添加能量模型。（3）GloMoSim仿真平台GloMoSim是一个可扩展的用于无线和有线网络的仿真系统，它采用ParseC进行设计开发，提供了对并行离散时间仿真的支持3。但目前，其仅支持传感器网络中的物理信道特征和数据链路协议的时延等特性的仿真。第1章 无线传感器网络概述（2）OPNET仿真平台第1章 无线传感器网络概述（4）TOSSIM的系统结构及仿真方法TOSSIM是用于对采用TinyOS的Motes进行bit级的仿真的工具。它将TinyOS环境下的NesC代码直接编译为可在PC环境下运行的可执行文件，提供了不用将程序下载的真实的Mote节点上就可以对程序进行测试的一个平台。其唯一的缺点是没有提供能量模型，无法对能耗有效性进行评价。（5）PowerTOSSIMPowerTOSSIM是对TOSSIM的扩展，采用实测的MICA2节点的能耗模型对节点的各种操作所消耗的能量进行跟踪，从而实现无线传感器网络的能耗性能评价。PowerTOSSIM的缺点是所有节点的程序代码必须相同，而且无法实现网络级的抽象算法的仿真。第1章 无线传感器网络概述（4）TOSSIM的系统结构及仿第1章 无线传感器网络概述1.7 无线传感器网络开发平台无线传感器网络开发平台目前市场上的无线传感器的开发平台较多，有代表性的包括Chipcon公司的CC2430/CC2431/CC2480A1，Jennic公司JN5121/JN5139/JN5148，Freescale公司的MC13191/MC13192/MC13201/MC13202以及Ember公司的EM250/EM260/EM351/EM357 ZigBee系列开发芯片。Chipcon:CC2430/CC2431平台Jennic:JN5121/JN5139平台Freescale:MC13191/MC13192平台Ember:EM250/EM260平台Crossbow:OEM2110CA平台第1章 无线传感器网络概述1.7 无线传感器网络开发平台第1章 无线传感器网络概述1.8 小结小结无线传感器网络综合了现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科，是新兴的交叉研究领域，是当前信息领域一个研究的热点。本章首先简述了短距离无线网络以及无线传感器网络的发展历程，总结了无线传感器网络的发展历史和研究现状，分析了无线传感器网络的地位和作用，对当前国内外的最新研究现状进行了概述，指出了无线传感器网络技术发展所面对的挑战以及无线传感器网络的发展趋势。介绍了无线传感器网络的特征，列举了当前无线传感器网络研究的关键技术，以及在军事、智能家居、环境监测、建筑物状态监测、复杂机械监控、医疗健康护理、城市交通以及安全监测等领域的应用。最后介绍了无线传感器网络的几款仿真平台和开发平台。第1章 无线传感器网络概述1.8 小结第2章 无线传感器网络体系结构2.1 体系结构概述无线传感器网络包括4类基本实体对象：目标、观测节点、传感节点和感知视场。另外，还需定义外部网络、远程任务管理单元和用户来完成对整个系统的应用刻画，如图2-1所示。大量传感节点随机部署，通过自组织方式构成网络，协同形成对目标的感知视场。传感节点检测的目标信号经本地简单处理 后通过邻近传感节点多跳传输到观测节点。用户和远程任务管理单元通过外部网络，比如卫星通信网络或Internet，与观测节点进行交互。观测节点负责向网络发布查询请求和控制指令，并接收传感节点返回的目标信息。第2章 无线传感器网络体系结构2.1 体系结构概述第2章 无线传感器网络体系结构传感节点具有原始数据采集、本地信息处理、无线数据传输及与其它节点协同工作的能力，依据应用需求，还可能携带定位，能源补给或移动等模块。节点可采用飞行器撒播、火箭弹射或人工埋置等方式部署。目标是网络感兴趣的对象及其属性，有时特指某类信号源。传感节点通过目标的热、红外、声纳、雷达或震动等信号，获取目标温度、光强度、噪声、压力、运动方向或速度等属性。传感节点对感兴趣目标的信息获取范围称为该节点的感知视场，网络中所有节点视场的集合称为该网络的感知视场。当传感节点检测到的目标信息超过设定阀值，需提交给观测节点时，被称为有效节点。观测节点具有双重身份。一方面，在网内作为接收者和控制者，被授权监听和处理网络的事件消息和数据，可向传感器网络发布查询请求或派发任务；另一方面，面向网外作为中继和网关完成传感器网络与外部网络间信令和数据的转换，是连接传感器网络与其它网络的桥梁。通常假设观测节点能力较强，资源充分或可补充。观测节点有被动触发和主动查询两种工作模式，前者被动地由传感节点发出的感兴趣事件或消息触发；后者则周期扫描网络和查询传感节点，较常用。第2章 无线传感器网络体系结构传感节点具有原始数据采集、本第2章 无线传感器网络体系结构2.2 无线传感器网络体系结构 2.2.1 无线传感器网络物理体系结构无线传感器网络系统架构如图2-2所示，无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域(sensor field)内部或附近，具有无线通信与计算能力的微小传感器网络节点通过自组织的方式构成的能够根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统，并以协作的方式实现感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，通过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到达数据处理中心管理节点。用户通过管理节点沿着相反的方向对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。第2章 无线传感器网络体系结构2.2 无线传感器网络体系结第2章 无线传感器网络体系结构1.传感器节点（1）数据采集模块（2）处理控制模块（3）无线通信模块（4）能量供应模块 2.汇聚节点3.管理节点第2章 无线传感器网络体系结构1.传感器节点第2章 无线传感器网络体系结构2.2.2 无线传感器网络软件体系结构无线传感器网络中间件和平台软件体系结构主要分为四个层次：网络适配层、基础软件层、应用开发层和应用业务适配层。其中，网络适配层和基础软件层组成无线传感器网络节点嵌入式软件(部署在无线传感器网络节点中)的体系结构，应用开发层和基础软件层组成无线传感器网络应用支撑结构(支持应用业务的开发与实现)。（1）网络适配层：（2）基础软件层：1）网络中间件2）配置中间件3）功能中间件4）管理中间件5）安全中间件第2章 无线传感器网络体系结构2.2.2 无线传感器网络软第2章 无线传感器网络体系结构2.2.3 无线传感器网络的协议栈无线传感器网络的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，还包括能量管理、移动管理和任务管理等平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。图2-5所示为协议栈模型，定位和时间子层在协议栈中的位置比较特殊，它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为各层网络协议提供信息支持，如基于时分复用的MAC协议、基于地理位置的路由协议等都需要定位和同步信息。第2章 无线传感器网络体系结构2.2.3 无线传感器网络的第2章 无线传感器网络体系结构2.2.4 无线传感器网络通信体系结构（1）物理层（2）数据链路层（3）网络层（4）传输控制层（5）应用层第2章 无线传感器网络体系结构2.2.4 无线传感器网络通第2章 无线传感器网络体系结构2.3 小结传感器网络的体系结构受应用驱动。总的说来，灵活性、容错性、高密度以及快速部署等传感器网络的特征为其带来了许多新的应用、在未来，有许多广阔的应用领域可以使传感器网络成为人们生活中的一个不可缺少的组成部分，实现这些和其他的传感器网络的应用需要自组织网络技术。然而，传统Ad hoc网络的技术并不能够完全适应于传感器网络的应用。因此，充分认识和研究传感器网络自组织方式及传感器网络的体系结构，为网络协议和算法的标准化提供理论依据，为设备制造商的实现提供参考，成为当前无线传感器网络研究领域中一项十分紧迫的任务。也只有从网络体系结构的研究入手，带动传感器组织方式及通信技术的研究，才能更有力地推动这一具有战略意义的新技术的研究和发展。第2章 无线传感器网络体系结构2.3 小结第3章 路由协议3.1 概述无线传感器网络（WSN）的路由协议设计是无线传感器自组网中的一个核心环节，路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括寻找源节点和目的节点间的优化路径、并沿此优化路径正确转发数据包等两个方面的功能。Ad hoc、无线局域网等传统无线网络的首要目标是提供高服务质量和公平高效地利用网络带宽，这些网络路由协议的主要任务是寻找源节点到目的节点间的通信延迟小的路径，同时提高整个网络的利用率，避免产生通信堵塞并均衡网络流量等，而能量消耗问题不是这类网络考虑的重点。第3章 路由协议3.1 概述第3章 路由协议与传统Ad hoc网络路由协议相比，WSN路由协议有其固有的特点。在WSN中，节点能量有限且一般没有能量补充，因此路由协议需要以节约能源为主要目标，高效利用能量，延长网络寿命。传感器节点数量较大，不可能建立全局地址，节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路径。传感器网络具有很强的应用相关性，不同应用中的路由协议可能差别很大，没有一个通用的路由协议。传感器网络以数据为中心，所关注是检测区域的感知数据，而不是具体哪个节点获取的信息，因此，传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节点的数据流，需要以数据为中心形成消息的转发路径。节点间的数据冗余度高，传感器网络的路由机制还经常与数据融合技术联系在一起，要求路由协议需要具有良好的数据汇聚能力，通过减少通信量而节省能量。在多数应用中，除了少数节点移动外，一般节点在部署后保持固定。第3章 路由协议与传统Ad hoc网络路由协议相比，WSN第3章 路由协议因常规路由协议都不适合在WSN环境中运行，这就为WSN路由协议的设计提出了新的问题和挑战。具体体现在以下几点：（1）节点没有统一的标志由于WSN中节点数目巨大，WSN节点没有统一的标志，节点间采用广播式的通信方式进行数据交换。（2）能量受限WSN的一个重要特征就是能量受限。因此，WSN协议必须以节约能源为主要目标并尽可能延长网络存活时间。（3）面向特定应用在WSN中，传感器节点和物理环境交互密切，WSNs的通信构架及其所采用的路由协议都是针对每个特定的应用而设计的。（4）频繁变化的拓扑结构在WSN中，网络拓扑会因为节点损坏而变化频繁。路由协议必须要适应WSN频繁变化的拓扑结构。第3章 路由协议因常规路由协议都不适合在WSN环境中运行，第3章 路由协议（5）容错性传感器节点容易失效，因此路由协议必须具备良好的容错性，以便形成新的链路。（6）可扩展性传感器节点一般成百上千，路由协议应该具有可扩展性来适应相应的应用环境。（7）连通性由于网络节点失效，很难预测网络拓扑和大小的变化，路由协议必须保证节点的连通性。（8）数据融合传感器节点产生的数据具有较大的冗余度，因此路由协议必须能进行数据融合，以便节省能量有效和使数据传输最优化。（9）服务质量(QoS)许多应用中如视频应用，需要路由协议提供满足要求的服务质量。（10）安全机制路由协议极易受到安全威胁，因此必须考虑安全机制，尤其在军事应用中。第3章 路由协议（5）容错性传感器节点容易失效，因此路第3章 路由协议针对WSN路由机制的上述特点，具体应用时，传感器网络路由机制要满足下面的要求：（1）能量高效。传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，而且要从整个网络的角度考虑，选择整个网络能量均衡消耗的路由。传感器节点的资源有限，传感器的路由机制要能够简单而且高效地实现信息传输。衡量传感器网络路由性能的一个重要指标，就是合理地使用网络中各个传感器网络节点的有限能量，使得网络保持连通性的时间更长的能力。（2）可扩展性。在WSN中，检测区域范围或节点密度不同，都会造成网络规模大小不同；节点失败、新节点加入以及节点移动等，都会使得网络拓扑结构动态发生变化，这就要求路由机制具有可扩展性，能够适应网络结构的变化。（3）鲁棒性。能量用尽或环境因素造成的传感器网络节点的失败，周围环境影响无线链路的通信质量以及无线链路本身的缺点等，这些WSN的不可靠特性要求路由机制具有一定的容错能力。（4）快速收敛性。传感器网络的拓扑结构动态变化，节点能量和通信带宽等资源有限，因此要求路由机制能够快速收敛，以适应网络拓扑的动态变化，减少通信协议开销，提高消息传输的效率。第3章 路由协议针对WSN路由机制的上述特点，具体应用时，第3章 路由协议3.2 路由协议分类(1)根据传输过程中采用路径的多少，可分为单路径路由协议和多路径路由协议。单路径路由节约存储空间，数据通信量少；多路径路由容错性强，健壮性好，且可从众多路由中选择一条最优路由。(2)根据节点在路由过程中是否有层次结构、作用是否有差异，可分为平面路由协议和层次路由协议。平面路由简单，健壮性好，但建立、维护路由的开销大，数据传输跳数多，适合小规模网络；层次路由扩展性好，适合大规模网络，但簇的维护开销大，且簇头是路由的关键节点，其失效将导致路由失败。(3)根据路由建立时机与数据发送的关系，可分为主动路由协议、按需路由协议和混合路由协议。主动路由建立、维护路由的开销大，资源要求高；按需路由在传输前需计算路由，时延大；混合路由则综合利用这两种方式。(4)根据是否以地理位置来标识目的地、路由计算中是否利用地理位置信息，可分为基于位置的路由协议和非基于位置的路由协议。有大量WSN应用需要知道突发事件的地理位置，这是基于位置的路由协议的应用基础，但需要GPS定位系统或者其他定位方法协助节点计算位置信息。第3章 路由协议3.2 路由协议分类第3章 路由协议(5)根据是否以数据来标识目的地，可分为基于数据的路由协议和非基于数据的路由协议。有大量WSNs应用要求查询或上报具有某种类型的数据，这是基于数据的路由协议的应用基础，但需要分类机制对数据类型进行命名。(6)根据节点是否编址、是否以地址标识目的地，可分为基于地址的路由协议和非基于地址的路由协议。基于地址的路由在传统路由协议中较常见，而在WSNs中一般不单独使用而与其他策略结合使用。(7)根据路由选择是否考虑QoS约束，可分为保证QoS的路由协议和不保证QoS的路由协议。保证QoS的路由协议是指在路由建立时，考虑时延、丢包率等QoS参数，从众多可行路由中选择一条最适合QoS应用要求的路由。第3章 路由协议(5)根据是否以数据来标识目的地，可分为基第3章 路由协议(8)根据数据在传输过程中是否进行聚合处理，可分为数据聚合的路由协议和非数据聚合的路由协议。数据聚合能减少通信量，但需要时间同步技术的支持，并使传输时延增加。(9)根据路由是否由源节点指定，可分为源站路由协议和非源站路由协议。源站路由协议节点无须建立、维护路由信息，从而节约存储空间，减少通信开销。但如果网络规模较大，数据包头的路由信息开销也大，而且如果网络拓扑变化频繁，将导致路由失败。(10)根据路由建立时机是否与查询有关，可分为查询驱动的路由协议和非查询驱动的路由协议。查询驱动的路由协议能够节约节点存储空间，但数据时延较大，且不适合环境监测等需紧急上报的应用。第3章 路由协议(8)根据数据在传输过程中是否进行聚合处理第3章 路由协议为了更好地分析各种协议的特点，表3-1运用了多种分类方法对WSNs路由协议进行分类。表3-1 无线传感器网络路由协议分类第3章 路由协议为了更好地分析各种协议的特点，表3-1运用第3章 路由协议3.3典型路由协议分析 相对于传统无线通信网络研究的重点放在无线通信的服务质量（QoS）而言，WSN路由协议的研究重点是放在如何提高能量效率上，当前较为流行的几个WSN的路由协议可分为如下几类。3.3.1 平面路由协议在平面路由协议中，所有节点的地位是平等的，不存在等级和层次的差异。它们通过局部操作和信息反馈来生成路由，原则上不存在瓶颈问题。平面路由协议的优点是简单、具有较好的健壮性；其缺点是可扩展性差。另外，平面路由协议需要维持路由表，在大规模网络中会消耗节点大量的存储空间，同时由于发送信息中包含了路由信息，会引起网络中通信负担的加重。第3章 路由协议3.3典型路由协议分析第3章 路由协议1Flooding协议及Gossiping协议6这是两个最为经典和简单的传统网络路由协议。在Flooding（泛洪）协议中，节点产生或收到数据后向所有邻节点广播，直到数据包过期或到达目的地。该路由不进行维护网络拓扑和相关路由算法，只负责以广播形式转发数据包，因此效率并不高。该协议具有严重缺陷：内爆(Implosion，节点几乎同时从邻节点收到多份相同数据)、交叠(Overlap，节点先后收到监控同一区域的多个节点发送的几乎相同的数据)、盲目利用资源(节点不考虑自身资源限制，在任何情况下都转发数据)，造成资源的浪费。Gossiping（闲聊）协议是对Flooding协议的改进，节点将产生或收到的数据随机转发，而不是用广播。这种方式避免了以广播形式进行信息传播的能量消耗，节约能量，在一定程度上解决了信息的“内爆”问题，（缺点）但增加了信息的数据传输平均时延，传输速度变慢，并且无法解决部分交叠现象和盲目利用资源问题。第3章 路由协议1Flooding协议及Gossipin第3章 路由协议2DD路由协议7DD(directed diffusion，定向扩散)协议是以数据为中心的路由算法，是一种基于查询的路由机制。整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶段。为建立路由，sink点向网络中Flooding（包含属性列表、上报间隔、持续时间、地理区域等）信息的查询请求Interest(该过程本质上是设置一个监测任务)。沿途节点按需对各Interest进行缓存与合并，并根据Interest计算、创建（包含数据上报率、下一跳等）信息的梯度(gradient)，从而建立多条指向sink点的路径。Interest中的地理区域内节点则按要求启动监测任务，并周期性地上报数据。途中各节点可对数据进行缓存与聚合。Sink点可在数据传输过程中通过对某条路径发送上报间隔更小或更大的Interest，以增强或减弱数据上报率。第3章 路由协议2DD路由协议7第3章 路由协议DD协议健壮性好；使用数据聚合能减少数据通信量；sink点根据实际情况采取增强或减弱方式能有效利用能量；使用查询驱动机制按需建立路由，避免了保存全网信息，但不适合环境监测等应用。而且gradient的建立开销很大，不适合多sink点网络；数据聚合过程采用时间同步技术，这其实在传感器网络中并不容易实现。经仿真分析，DD路由协议具有较好的节能性，适用于在传感器节点接收到数据请求后，较长时间内需要连续向sink节点传送数据的场合，不适用于收到请求后只发一次少量数据的场合。因为DD算法建立梯度需要花费较大的代价。第3章 路由协议DD协议健壮性好；使用数据聚合能减少数据通第3章 路由协议3Rumor协议8如果sink点的一次查询只需一次上报，DD协议开销太大。Rumor（谣传）协议正是为解决此问题而设计的。该协议借鉴了欧氏平面图上任意两条曲线交叉几率很大的思想。节点监测到事件后将其保存，并创建称为agent的生命周期较长的（包括事件和源节点）信息的数据包，将其按一条或多条随机路径在网络中转发。收到agent的节点根据事件和源节点信息建立反向路径，并将agent再次随机发送到相邻节点，并可在再次发送前在agent中增加其已知的事件信息。Sink查询请求也沿着一条随机路径转发，当两路径交叉时则路由建立；如不交叉，sink可Flooding查询请求。在多sink点、查询请求数目很大、网络事件很少的情况下，仿真结果表明(优点)Rumor协议能显著地降低路由开销，节约能量。（缺点）但对于事件数较多的情况，维护事件表和处理代理所花费的开销会急剧增长。同时，由于路由使用随机的方式生成路径，数据传输的路径不是最优路径，并且可能存在路由环路问题。Rumor协议的优点是避免了大量扩散，显著节省能量，适用于数据传输量较小的情况。但如果网络拓扑结构频繁变动，则Rumor协议的性能会大幅下降。第3章 路由协议3Rumor协议8第3章 路由协议4SPIN协议9SPIN(sensor protocol for information via negotiation)路由算法是一种以数据为中心的自适应通信路由协议。节点仅广播采集数据的属性描述信息（元数据meta-data）而不是数据本身，当有相应的请求时，才往目的地发送数据信息。其目标是通过使用节点间的协商制度和资源自适应机制，解决传统泛洪法（Flooding）存在的不足之处。在SPIN算法中，假设所有的传感器节点均可能是希望获得数据的sink，每个传感器节点知道自己是否需要数据或是否在数据源到sink的路径上。传感器节点在发送数据前先进行协商，仅将数据发送到需要的相邻节点。这种协商制度可以确保有效的数据传输。传感器节点间通过发送元数据(meta-data，即描述传感器节点采集的数据属性的数据)，而非采集到的整个数据进行协商。由于元数据小于采集的数据，传输元数据消耗的能量相对较少。在发送或接收数据之前，每个节点都必须检查各自可用的能量状况。如果处于低能量水平，则必须中断一些操作，如充当数据中转(路由器)的角色，停止数据转发操作。第3章 路由协议4SPIN协议9第3章 路由协议SPIN协议中使用三种类型的消息：（1）ADV，用于新数据广播。当一个传感器节点有数据需要传输时，它就使用ADV数据包(包括元数据)对外广播。（2）REQ，用于请求发送数据。当一个传感器节点希望接收DATA数据包时，便发送REQ。（3）DATA，包含了元数据头、传感器节点采集数据的数据包。在发送DATA数据包之前，传感器节点首先对外广播ADV消息。如果一个邻近节点在收到ADV后希望接收该DATA数据包，那么它向该节点发送一个REQ；接着该节点向它发送DATA数据包。类似的过程继续下去，DATA数据包就会被传输到远方sink。SPIN协议的工作流程如图3-1所示。SPIN家族的协议有很多，主要的两个协议是SPIN-1和SPIN-2。SPIN-1协议就是前面阐述的基本三次握手协商机制。扩展的SPIN-2协议是基于预设值资源提醒机制协议。当资源充足时，SPIN-2使用的是三次握手协商机制；当资源低于某个预设值时，它将减少参与数据发送的次数。总体上，SPIN-1和SPIN-2都是简单高效的协议，不用维护每个邻居的状态。其他的SPIN家族协议还有：（1）SPIN-PP，用于点对点的通信，如hop-by-hop路由；（2）SPIN-EC，在SPIN-PP的基础上考虑了节点的功耗，当能量不低于设定阈值的节点时才参与数据交换；（3）SPIN-BC，设计了广播信道，使所有在有效半径内的节点可以同时完成数据交换；（4）SPIN-RL，是对SPIN-BC的完善，主要考虑如何恢复无线链路引入的分组差错与丢失。第3章 路由协议SPIN协议中使用三种类型的消息：（1）A第3章 路由协议图3-1 SPIN协议工作流程该协议的优点是：元数据的传输耗能相对较少；只广播其他节点没有的数据，减少了能耗；不维护邻居节点信息，适应节点移动的情况。SPIN协议的缺陷也很明显，健壮性差，会出现“数据盲点”，它的扩展受限，如果sink对网络中的多个事件感兴趣，sink周围的节点能量会很快耗尽，不适用于高密度节点分布的情况；另外，数据会在整个网络中传输。第3章 路由协议图3-1 SPIN协议工作流程第3章 路由协议5EAR协议EAR(energy aware routing)协议是一个反应式路由协议，其主要目的是用于延长网络的生存时间。协议操作可以分成三个主要阶段：（1)协议初始化。由sink点发起协议初始化过程。初始化报文携带了路径代价信息，每一个转发初始化报文的节点都将本节点的代价加入到路径的总代价中。这样每个节点均能建立一条或多条到sink节点的路由，并且知道每条路由的代价。（2)数据传输。节点向sink点传送数据时，可从多条路径中按某种概率选取一条。代价越大的路径，转发的概率越小。（3)路由维护。通过局部的泛洪来更新路径代价。如果节点的能量低于某个门限，可以使这条路径失效。EAR路由协议类似于DD协议，但它维护多条路径而不是强迫使用一个最优化路径。它通过一定的概率选择路径并维护它们，概率值的确定依赖于每条路径的能量情况。这样可以防止过分依赖某条路径而导致该路径能量消耗过大。仿真结果表明，该协议相比DD协议可以使网络寿命延长44%；但该协议的缺点是需要收集位置信息并建立编址机制，增加了路由建立的复杂度和开销。第3章 路由协议5EAR协议第3章 路由协议6GBR协议GBR(gradient based routing)路由协议是DD协议的一种改进路由算法，目的是使数据报文传输的总跳数最小。其关键思想是当DD协议中的兴趣消息扩散到整个网络时，节点需要记录到sink节点的最小跳数，将这个跳数作为节点的height；邻居节点之间的height差就是链路的梯度。当数据报文发往sink节点时，沿着梯度最大的方向传送。GBR使用诸如数据融合、负载均