《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課件 第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

第1章

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2本章內(nèi)容簡介

☆無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 ☆無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程 ☆無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀和前景 ☆無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) ☆無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) ☆無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) ☆無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與發(fā)展 ☆典型短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

31.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種通過無線通信技術(shù)把大量廉價(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線自組織通信方式，互相傳輸信息，協(xié)同完成特定功能的無線網(wǎng)絡(luò)。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常由以下節(jié)點(diǎn)組成：若干傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、管理節(jié)點(diǎn)等。傳感器節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。第一階段：最早可以追溯二十世紀(jì)70年代越戰(zhàn)時(shí)期使用的傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。第二階段：二十世紀(jì)80年代至90年代之間。第三階段：21世紀(jì)開始至今。這個(gè)階段的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)傳輸自組織、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)低功耗。

1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程

1999年中國科學(xué)院發(fā)布的“信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告”，該報(bào)告指出，無線傳感器已經(jīng)被列為信息與自動(dòng)化五個(gè)最有影響力的項(xiàng)目之一。另外許多國內(nèi)高校對(duì)無線傳感器網(wǎng)的研究也在加速進(jìn)行著。例如，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)研究所從1998年開始就一直在跟蹤和研究無線傳感器網(wǎng)；國內(nèi)的一些高校如清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、北京郵電大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中南大學(xué)等在無線傳感器網(wǎng)方面也都在深入研究，并取得了一定的成果。1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀和前景(1)硬件資源有限。(2)電源容量有限。(3)通信能量有限。(4)計(jì)算能力有限。(5)規(guī)模大，分布密集，網(wǎng)絡(luò)密度高。1.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

(6)自組織特性、自組網(wǎng)性與自維護(hù)性。(7)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。(8)多跳路由。(9)應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。(10)傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的可能性較大。1.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)由四部分組成：傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊，如圖所示。1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

傳感器模塊：負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的信息采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，將原始的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，以供后續(xù)模塊使用；處理器模塊：又分成兩部分，分別是處理器和存儲(chǔ)器，它們分別負(fù)責(zé)處理節(jié)點(diǎn)的控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的工作；無線通信模塊：專門負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)之間的相互通信；電源模塊就用來為傳感器節(jié)點(diǎn)提供能量，一般都是采用微型電池供電。1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)(sensornode)、匯聚節(jié)點(diǎn)(sinknode)和管理節(jié)點(diǎn)，如圖所示。1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過其它傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，傳輸過程中數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達(dá)數(shù)據(jù)處理中心。也可以沿著相反的方向，通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的“軟件”部分，包括網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議分層以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合，是對(duì)網(wǎng)絡(luò)及其部件應(yīng)完成功能的定義與描述。由網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)組成，如圖所示。1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

各層協(xié)議和平臺(tái)的功能如下：

物理層提供簡單但健壯的信號(hào)調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)；數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、媒體訪問和差錯(cuò)控制；

網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇；

傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分；

1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件；

能量管理平臺(tái)管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能源，在各個(gè)協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量；

移動(dòng)管理平臺(tái)檢測(cè)并注冊(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤其鄰居的位置；

任務(wù)管理平臺(tái)在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測(cè)任務(wù)。1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過其它傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，傳輸過程中數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達(dá)數(shù)據(jù)處理中心。也可以沿著相反的方向，通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的“軟件”部分，由網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)組成，如圖所示。1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)各層協(xié)議和平臺(tái)的功能如下：

物理層提供簡單但健壯的信號(hào)調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)；數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、媒體訪問和差錯(cuò)控制；

網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇；

傳輸層負(fù)責(zé)端到端數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分；應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件；

1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)時(shí)間同步技術(shù):時(shí)間同步技術(shù)是完成實(shí)時(shí)信息采集的基本要求，也是提高定位精度的關(guān)鍵手段。常用方法是通過時(shí)間同步協(xié)議完成節(jié)點(diǎn)間的對(duì)時(shí)，通過濾波技術(shù)抑制時(shí)鐘噪聲和漂移。最近，利用耦合振蕩器的同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無狀態(tài)自然同步方法也倍受關(guān)注，這是一種高效的、可無限擴(kuò)展的時(shí)間同步新技術(shù)。1.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)定位技術(shù)定位跟蹤技術(shù)包括節(jié)點(diǎn)自定位和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)定位跟蹤。節(jié)點(diǎn)自定位是指確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)自身位置，這是隨機(jī)部署組網(wǎng)的基本要求。1.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可被視為一種分布式數(shù)據(jù)庫。以數(shù)據(jù)庫的方法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，可以將存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)的邏輯視圖與網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分離，使得網(wǎng)絡(luò)中的用戶只需要關(guān)心數(shù)據(jù)查詢的邏輯結(jié)構(gòu)，無須關(guān)心實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。雖然對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象會(huì)在一定分布式動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理是以數(shù)據(jù)中心為特征的WSN網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)之一。該技術(shù)通過部署或者指定一些節(jié)點(diǎn)為代理節(jié)點(diǎn)，代理節(jié)點(diǎn)根據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù)收集興趣數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)任務(wù)通過分布式數(shù)據(jù)庫的查詢語言下達(dá)給目標(biāo)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)。在整個(gè)體系中，WSN網(wǎng)絡(luò)被當(dāng)作分布式數(shù)據(jù)庫獨(dú)立存在，實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀物理世界的實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)。1.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)安全技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)，不僅要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，而且要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和融合、任務(wù)的協(xié)同控制等，如何保證任務(wù)執(zhí)行的機(jī)密性、數(shù)據(jù)產(chǎn)生的可靠性、數(shù)據(jù)融合的高效性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，就成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要全面考慮的安全內(nèi)容。安全通信和認(rèn)證技術(shù)在軍事和金融等敏感信息傳遞應(yīng)用中有直接需求。傳感器網(wǎng)絡(luò)由于部署環(huán)境和傳播介質(zhì)的開放性，很容易受到各種攻擊。但受無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源限制，直接應(yīng)用安全通信、完整性認(rèn)證、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、廣播認(rèn)證等現(xiàn)有算法存在實(shí)現(xiàn)的困難。鑒于此，研究人員一方面探討在不同組網(wǎng)形式、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)中可能遭到的各種攻擊形式；另一方面設(shè)計(jì)安全強(qiáng)度可控的簡化算法和精巧協(xié)議，滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實(shí)需求。1.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)精細(xì)控制、深度嵌入的操作系統(tǒng)技術(shù)作為深度嵌入的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，WSN網(wǎng)絡(luò)對(duì)操作系統(tǒng)也有特別的要求，既要能夠完成基本體系結(jié)構(gòu)支持的各項(xiàng)功能，又不能過于復(fù)雜。從目前發(fā)展?fàn)顩r來看，TinyOS是最成功的WSN專用操作系統(tǒng)。但隨著芯片低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)和能量工程技術(shù)水平的提高，更復(fù)雜的嵌入式操作系統(tǒng)，如Vxworks、Uclinux和Ucos等，也可能被WSN網(wǎng)絡(luò)所采用。。1.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)（1）智能交通。（2）智能農(nóng)業(yè)。（3）醫(yī)療健康。（4）工業(yè)監(jiān)控。（5）軍事應(yīng)用。（6）災(zāi)難救援與臨時(shí)場(chǎng)合。（7）家庭應(yīng)用。（8）環(huán)境監(jiān)測(cè)（9）其他領(lǐng)域應(yīng)用1.7無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與發(fā)展紅外數(shù)據(jù)傳輸。紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)(IrDA)為短距離紅外無線數(shù)據(jù)通信制定了一系列開放的標(biāo)準(zhǔn)。IrDA（InfraredDataAssociation）是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通信距離很短，一般在0~1m，通信介質(zhì)為波長為900nm左右的近紅外線，傳輸速率最快可達(dá)16Mbps。其傳輸具備角度?。?0°角以內(nèi)）、距離短、數(shù)據(jù)直線傳輸、傳輸速率較高，保密性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于傳輸大容量的文件和多媒體數(shù)據(jù)。并且無須申請(qǐng)頻率的使用權(quán)，成本較為低廉。目前主流的軟硬件平臺(tái)均提供對(duì)IrDA的支持，IrDA已被全球范圍內(nèi)的眾多廠商采用。

1.8典型短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)藍(lán)牙(Bluetooth)。藍(lán)牙技術(shù)它是一種典型的支持設(shè)備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無線電技術(shù)，用于移動(dòng)電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換利用藍(lán)牙技術(shù)，能夠有效地簡化移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化設(shè)備與因特網(wǎng)之間的通信，從而使得數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬了道路。2014年推出的藍(lán)牙4.2版本讓BluetoothSmart成為連接生活中各種事物的最佳解決方案之一，其范圍從個(gè)人傳感器覆蓋到互聯(lián)家庭。除了規(guī)格本身的升級(jí)，還提供支持IPv6藍(lán)牙應(yīng)用的新配置文件（IPSP），這將為設(shè)備連網(wǎng)開啟全新領(lǐng)域。

1.8典型短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無線局域網(wǎng)802.11(Wi-Fi)。WiFi的英文全稱為WirelessFidelity，原先是無線保真的縮寫，在無線局域網(wǎng)的范疇是指無線相容性認(rèn)證。WiFi技術(shù)由WiFi聯(lián)盟（WiFi

Alliance）所持有，目的是改善基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互通性，目前已經(jīng)成為無線局域網(wǎng)通信技術(shù)的品牌和無線設(shè)備高速互連的市場(chǎng)首選。WiFi能在數(shù)十米到幾公里范圍內(nèi)將個(gè)人電腦、手持設(shè)備（如手機(jī)、iPad）等終端設(shè)備以無線方式進(jìn)行高速互連，同時(shí)通過因特網(wǎng)接入點(diǎn)（AccessPoint,AP）為用戶提供無線的寬帶互聯(lián)網(wǎng)訪問。WiFi簡單方便。廠商只要在機(jī)場(chǎng)、車站、圖書館等人員較密集的地方進(jìn)行設(shè)置，并通過高速線路即可接入因特網(wǎng)。

1.8典型短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)超寬帶超寬帶（UltraWideband,UWB）即802.15.3a技術(shù)，是一種無載波通信技術(shù)，也是一種超高速的短距離無線接入技術(shù)。在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號(hào)，能在10m左右的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)每秒數(shù)百兆比特的數(shù)據(jù)傳輸率，具有抗干擾性能強(qiáng)、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能較小、保密性好、發(fā)送功率小等諸多優(yōu)勢(shì)。近年來國內(nèi)外開始利用其亞納秒級(jí)超窄脈沖做近距離精確室內(nèi)定位，如LocalSense無線定位系統(tǒng)。

1.8典型短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)射頻識(shí)別技術(shù)（RadioFrequencyIdentification,RFID）。RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID由標(biāo)簽、閱讀器和天線三個(gè)基本要素組成，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于日常生活、物流行業(yè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)藥、食品等各個(gè)領(lǐng)域。RFID技術(shù)大概有三大類：無源RFID、有源RFID、半有源RFID。無源RFID發(fā)展得最早、最成熟，市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛，包括公交卡、食堂餐卡、銀行卡、門禁卡、二代身份證等，屬于近距離識(shí)別類。有源RFID技術(shù)具有遠(yuǎn)距離自動(dòng)識(shí)別的特性，這一特性決定了其巨大的應(yīng)用領(lǐng)域，如智能監(jiān)獄、智能醫(yī)院、智能停車場(chǎng)、智能交通、智慧城市、智慧地球及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。半有源RFID技術(shù)介于有源RFID和無源RFID之間，集有源RFID和無源RFID的優(yōu)勢(shì)于一體，在門禁進(jìn)出管理、人員精確定位、區(qū)域定位管理電子圍欄及安防報(bào)警等領(lǐng)域有著很大的優(yōu)勢(shì)，具有近距離激活定位、遠(yuǎn)距離識(shí)別及上傳數(shù)據(jù)的工作特點(diǎn)。RFID技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，其應(yīng)用市場(chǎng)必將隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而擴(kuò)大。

1.8典型短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)近距離通信（NearFieldCommunica-tion,NFC）。NFC也稱近場(chǎng)通信。是一種短距高頻的無線電技術(shù)，NFC近場(chǎng)通信技術(shù)是由非接觸式射頻識(shí)別及互聯(lián)互通技術(shù)整合演變而來，在單一芯片上結(jié)合感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的功能，能在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)交換。目前這項(xiàng)技術(shù)已在包括我國在內(nèi)的眾多國家廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)上涌現(xiàn)出許多支持NFC功能的手機(jī)，手機(jī)用戶配置了支付功能的手機(jī)，可以用作機(jī)場(chǎng)登機(jī)驗(yàn)證、大廈的門禁鑰匙、交通一卡通、信用卡和支付卡等。NFC采用主動(dòng)和被動(dòng)兩種讀取模式。

1.8典型短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)6LoWPAN。

包括ZigBee等低功耗無線個(gè)域網(wǎng)都是采用非IP技術(shù)，基于IEEE802.15.4實(shí)現(xiàn)IPv6通信的IETF6LoWPAN草案標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布有望改變這一局面。6LoWPAN具有的低功率運(yùn)行的潛力使它很適合應(yīng)用在從手持機(jī)到儀器的設(shè)備中，而其對(duì)A