无线传感器网络概论

,45,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,机器人与信息自动化研究所,Institute of Robotics & Automatic Information System,42,无线传感器网络概述（,WSN,）,孙 雷,主要内容：,WSN,概述,历史以及发展现状,WSN,的体系结构,WSN,的应用,WSN,的特征,关键技术,计算模式的发展,贝尔定律：计算模式每十年进化一代,普适计算需求,自组织网络,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,普适计算需求,传感信息,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相应的服务,普适计算需求,无线连接,有线方式连接：高额费用和使用局限性,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,(Ambient intelligence)/,普适计算,(Ubiquitous computing),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,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,WSN,概述,无线传感器网络（,W,ireless Sensor Network, WSN,）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等。,无线传感器网络（,W,ireless Sensor Network, WSN,）就是由部署在检测区域内,大量,的,廉价,卫星传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个,多跳,的,自组织,的网络系统，目的是协作地感知、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。,构成,WSN,的三要素：,传感器、感知对象、观察者。,WSN,概述（续）,MEMS,技术对,WSN,的推动,无线传感器网络结构,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。,WSN,概述（续）,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。,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、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 。,历史以及发展现状,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,。,历史以及发展现状,WSN,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。,WSN,的应用（续）,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。,WSN,的应用（续）,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）,WSN,的应用（续）,精细农业,医疗保健,WSN,的应用（续）,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。,WSN,的应用（续）,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 。,WSN,的应用（续）,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,（,Jet Propulsion Laboratory,）实验室研制的,Sensor Webs,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。,WSN,的应用（续）,厂房安全,故障诊断,WSN,的应用（续）,WSN,的体系结构,传感器网络结构,传感器节点结构,WSN,的体系结构,传感器网络协议栈,WSN,的体系结构,WSN,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。,WSN,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,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,WSN,的特征,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,传感器网络协议栈,WSN,的协议,MAC,协议,MAC,协议,在无线传感器网络中，介质访问控制协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。,设计,MAC,协议时考虑：,节省能量,可扩展性,网络效率,隐藏节点问题,Time,A,B,C,cs,DATA,cs,DATA,暴露节点问题,A,B,C,D,Time,cs,DATA,RTS,CTS,Blocked,ACK,WSN,的,协议,MAC,网络能量浪费主要原因：,数据重传，耗费节点更多能量。,节点接受不必要的数据。,节点不需要发送数据时，过度侦听。,信道分配时，控制消息过多。,MAC,协议,节点无线通信模块的状态包括：发送状态、接受状态、侦听状态、睡眠状态。,各状态耗能按上述顺序依次减少，因此通常采用,”,侦听,/,睡眠,”,交替使用的无线信道使用策略。,WSN,的,协议,MAC,协议,针对不同的传感器网络应用，提出不同的,MAC,协议，主要分,3,类：,时分复用（,TDMA,）的,MAC,协议。,随机竞争的,MAC,协议。,其他,MAC,协议。如：频分复用或码分复用等协议。,WSN,的,协议,路由协议,和传统的路由协议相比，无线传感器的路由协议有以下特点：,能量优先,基于局部拓扑信息,以数据为中心,应用相关,WSN,的,协议,Source,Sink,Interest,Gradient,WSN,的协议,DD(Directed Diffusion),协议,WSN,的协议,DD(Directed Diffusion),协议,Source,Sink,Gradient,Data,Reinforcement,WSN,的时间同步技术,NIC,Sender,Receiver 1,Receiver 2,Critical Path,NIC,Sender,Receiver,Critical Path,Time,Traditional critical path:,From the time the sender,reads its clock, to when the receiver reads its clock,RBS: Only sensitive to the differences in receive time and propagation delay,RBS reduces error by removing much uncertainty from critical path,研究两物体间的空间关系,WSN,的定位技术,WSN,的定位技术,给定部分节点的位置信息，确定其他节点的位置,Known Location,Unknown Location,Any Questions,