无线传感器原理

,无线传感器网络技术基础,适用：电气信息类专业,章节,内 容,学时,1,绪论,3,2,常用微型传感器,1,3,传感器网络的通信技术,4,4,传感器网络的支撑技术,6,5,传感器网络的应用开发基础,6,6,传感器网络协议的技术标准,2,7,传感器网络技术的应用,2,8,无线传感器网络设计与实验,8,本课章节与课时安排,教材及参考书,1,、无线传感器网络简明教程，崔逊学，清华大学出版社,2,、无线传感器网络，孙利民，清华大学出版社,3,、智能无线传感器网络，于海斌，科学出版社,联系方式,办公室：基础实验楼,340,电 话：,84315468,E-mail,：,hearthc,911,历史事件,寻找拉登藏身之处,应用需求引发研究热潮,综观计算机网络技术的发展史，应用需求始终是推动和左右全球网络技术进步的动力与源泉。,第一章 绪 论,一,什么是无线传感器网络,二,传感器网络的发展历史,三,传感器网络的应用情况,四,传感器网络的关键技术,教学目的：掌握传感器网络的基本情况,本章重点：基本概念、应用情况,一、什么是无线传感器网络,无 线 网 络,有基础设施网,无基础设施网,移动,Ad hoc,网络,无线传感器网络,有基础设施的网络,需要固定基站,如使用的手机，属于无线蜂窝网，需要高大的天线和大功率基站来支持，基站就是最重要的基础设施；,使用无线网卡上网的无线局域网，由于采用了接入点这种固定设备，也属于有基础设施网。,无基础设施网,-,无线,Ad hoc,网络,节点是分布式的，没有专门的固定基站,。,无线,Ad hoc,网络分为两类,:,一类是,移动,Ad hoc,网络,(,Mobile Ad hoc Network,简称,MANET,),，终端是快速移动的。,另一类就是,无线传感器网络,节点是静止的或者移动很慢。,无线传感器网络,(WSN),是,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，目的是,协作,地,采集,、,处理,和,传输,网络覆盖地域内感知对象的,监测信息,，并报告给,用户,。,“无线传感器网络”术语的标准定义,传感器技术,计算机技术,通 信 技 术,感 官,大 脑,神 经,现代信息技术,信息系统,无线传感器网络,物 理 层,数据链路层,网 络 层,传 输 层,应 用 层,能 量 分 配,移 动 管 理,应 用 优 化,传感器节点实物示例,1.1,传感器网络的常用逻辑结构图,传感器,1,传感器,2,传感器,N,无线链路,无线接口,模块,监控主机,基本工作过程,(1) 传感器节点的处理器模块完成计算与控制功能，射频模块完成无线通信传输功能，传感器探测模块完成数据采集功能，通常由电池供电，封装成完整的低功耗无线传感器网络。,(2) 网关节点只需要具有处理器模块和射频模块，通过无线方式接收探测终端发送来的数据信息，再传输给有线网络的PC机或服务器。,(3) 各种类型的低功耗网络终端节点可以构成星形拓扑结构，或者混合型的ZigBee拓扑结构，有的路由节点还可以采用电源供电方式。,1.2,传感器网络节点的结构,1,、节点的体系组成,从无线联网的角度来看，传感器网络节点的体系由分层的,网络通信协议、网络管理平台和应用支撑平台,三个部分。,1.3,网络体系结构,节点的体系组成,类似于传统,Internet,网络中的,TCP/IP,协议体系，它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。,(1),网络通信协议,(2),网络管理平台,网络管理平台,主要是对传感器节点自身的管理和用户对传感器网络的管理，包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。,(3),应用支撑平台,应用支撑平台,建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上，包括一系列基于监测任务的应用层软件,;,通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。,应用支撑平台包括如下内容：, 时间同步, 定位, 应用服务接口, 网络管理接口,2,、传感器网络的结构,根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。,如果网络的规模较小，一般采用平面结构。如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。,(1),平面结构,平面结构的网络比较简单，所有节点的地位平等，又称为对等式结构。,源节点和目的节点之间一般存在多条路经，网络负荷由这些路径共同承担，一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。,平面结构的不足,平面型的网络结构在节点的组织、路由建立、控制与维持的报文开销上都存在问题；,这些开销会占用很大的带宽，影响网络数据的传输速率；,整个系统在宏观上将损耗很大的能量；,可扩充性差。,(2),分层结构,分层结构的特点,传感器网络被划分为多个簇；,每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。,簇头节点负责簇间数据的转发，簇成员只负责数据的采集。大大减少了网络中路由控制信息的数量；,具有很好的可扩充性。,分层结构的不足,簇头的能量消耗问题较大，簇头发送和接收报文的频率要高出普通节点几倍或十几倍；,在簇内运行簇头选择程序来更换簇头。,1.4,传感器节点的限制条件,传感器网络由数据获取子网、数据分布子网和控制管理中心三部分组成。,主要组成部分是集成了,传感器、数据处理单元和通信模块的节点，,节点通过协议自组织成一个分布式网络，将采集的数据优化后经无线电波传输给信息处理中心。,传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在一些限制和约束。,1,、电源能量有限,耗能模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。,随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量主要消耗在无线通信模块上。,1,、电源能量有限,传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能；,传输,l,比特信息,100m,距离需要的能量大约相当于执行,3000,条计算指令所消耗的能量。,2,、通信能力受限,通常无线通信的能量消耗与通信距离的关系符合如下规律：,n,满足关系,2n4,。,n,的取值与很多因素有关，如传感器节点部署贴近地面时，障碍物多、干扰大，,n,取值就大；天线质量对信号发射质量影响也很大。,通常取,n,为,3,，假定通信能耗与距离三次方成正比。,随着通信距离的增加，能耗会急剧增加；,在满足通信连通性的前提下应尽量减少单跳的通信距离；,一般而言，传感器节点的无线通信半径在,100m,以内比较合适。,3,、计算和存储能力受限,节点是微型嵌入式设备，价格低、功耗小，导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。,节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。,如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计所需要考虑的问题。,1.5,组网特点,无线传感器网络具有,Ad Hoc,网络的移动性、断接性、电源能力局限性等共同特征；,在组网方面具有一些鲜明的自身特点。它的主要特点包括,自组织性,、,以数据为中心,、,应用相关性,、,动态性,、,网络规模大和,需要,高的可靠性,等,。,二、传感器网络的发展历史,第一阶段,最早可以追溯二十世纪,70,年代越战时期使用的传统的传感器系统。,胡志明小道,胡志明小道,热带树,热带树,轰炸机,传感器仅产生探测数据流,传感器无计算能力,传感器之间不能相互通信,Sensors,Object,信号分析,传统感知方法的特征,有线,/,无线连接,第二阶段,感知能力,计算能力,通信能力,1999,年商业周刊将传感器网络列为二十一世纪最具影响的,21,项技术之一 。,二十世纪,80,年代至,90,年代之间,第三阶段,21,世纪开始至今,2001,911,事件,2002,橡树岭实验室提出,“,网络就是传感器,”,。,2003,2006,美国,技术评论,杂志评出深远影响人类未来生活的十大新兴技术，传感器网络列为第一 。,我国发布,国家中长期科学与技术发展规划纲要,。,计算设备的演化历史,三、传感器网络的应用情况,（一）民事应用,大鸭岛海燕监测,无人干扰监测,鸟 巢,海 燕,大 鸭 岛,桥 梁 监 测,健 康 监 测,海 洋 监 测,环 境 监 测,电力高压线,高尔夫球场,葡 萄 园,道 路 交 通,智能停车场,物流系统,列车铁轨,高速公路系统,韩国济州岛智能渔场,北京大兴区菊花基地,克尔斯博公司,浙江温州的奶牛牧场,沈阳玫瑰园,二零零八年五月十二日汶川地区发生强烈地震,（二）军事应用,联合国维和部队,伊 拉 克,微型感应传感器网络,核武器和生化武器,美军未来战斗系统的战场警戒示意图,传感器节点,通行车辆,枪声定位反恐系统,F-22,猛禽战斗机,美国,F-22,猛禽战斗机,机外传感器网络,美军,“,沙地直线,”,项目,无线链路,目标探测、分类和跟踪,传感器节点,传感器节点,密封形封装罩,节点封装示例（一）,特点：,表面光滑,可以滚动,自动调整姿态位置,万向节固定架设计,节点封装示例（二）,锥形罩,特点：,底基重量大,自正位,“悬垂钟摆”式,电路板,飞机抛撒,“,狼群,”,地面传感器网络,美军共计完成,23,项传感器网络项目,网络工程专业,四、传感器网络的关键技术,通信能力有限,节点通信覆盖范围只有几十到几百米,关键之一,如何在有限的通信能力条件下,完成探测数据的传输？,无线通信技术是第一项关键技术！,电源能量有限,通常电池供电，工作环境恶劣，一次部署终生使用，更换电池困难,关键之二,如何节省电源、最大化网络的使用寿命？,低功耗设计问题是第二项关键技术！,计算能力有限,节点体积小，处理器和存储器性能有限，不允许进行复杂算法的运算,关键之三,嵌入式操作系统设计是第三项关键技术！,自组织的动态网络,传感器网络没有基站,节点失效、新节点加入，导致网络拓扑结构的动态性，需要自动愈合,关键之四,多跳自组织的网络路由是第四项关键技术！,传感器网络是以数据为中心的网络,用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件,关键之五,如何建立以数据为中心的传感器网络？,传感器网络的第五项关键技术是数据融合方法！,网络攻击无处不在,传感器节点的物理操纵,传感信息的窃听,拒绝服务攻击,私有信息的泄露,关键之六,安全性是传感网络设计的重要问题。如何保护机密数据和防御网络攻击是第六项关键技术！,本章小结,本章主要介绍传感器网络的概念、发展历史、应用情况和关键技术。,