WirelessSensorNetwork
无线传感器网络研究与应用资料
老年人健康状况监控
远程医疗 空间探索：
星球表面(biǎomiàn)大范围、长时期、近距离的监测和探索。 选定着陆场地 ▪ 其他应用： 紧急和临时场合应急通信：地震、水灾、强热带风暴灾害地区、边远或偏僻野外地区
交通流量监控 智能化房屋
结构健康监测
机械设备状态监测
定位方法为：利用少量已知位置节点（参考节点，采用GPS 定位或
者预先放置的节点），来获得其它节点的位置信息
提出的算法有：Niculescu，Bulusu等
第二十三页，共三十五页。
5、典型(diǎnxíng)应用
案例1 Senera的桥梁安全监控系统
Senera的系统，用于监测桥梁、高架桥、高速公路 等道路环境。对许多老旧的桥梁，桥墩长期受到 水流的冲刷，传感器能夠放置(fàngzhì)在桥墩底部、 用以感测桥墩结构； 也可放置在桥梁两侧或底部，搜集桥梁的温度、湿 度、震动幅度、桥墩被侵蚀程度等，能減少断桥 所造成生命财产的损失。
新兴的第四代传感器网络
▪ 第一代传感器网络：20世纪70年代。点对点传输，具有 简单信息获取能力。
▪ 第二代传感器网络：获取多种信息的综合能力，采用串 /并接口与传感控制器相联。
▪ 第三代传感器网络：20世纪90年代后期。智能传感器 采用现场总线(zǒnɡ xiàn)连接传感控制器构成局域网络。
▪ 第四代传感器网络：以无线传感器网络为标志，正处于
研究和开发阶段。
第三页，共三十五页。
以自组织形式构成多跳中继的分级(fēn jí)结构网络
普通节点和Sink节点：完成数据采集和多跳中继传输。 网关节点G：完成无线和有线信号转换，实现CERNET2的接入。 监控中心(zhōngxīn)CC：完成区域数据的综合处理。
无线传感器网络知识点归纳
一、无线传感器网络的概述1、无线传感器网络定义，无线传感器网络三要素，无线传感器网络的任务，无线传感器网络的体系构造示意图，组成局部〔P1-2〕定义：无线传感器网络〔wireless sensor network, WSN〕是由部署在监测区域内大量的本钱很低、微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观看者或者用户另一种定义：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、处理和传输网络掩盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户三要素：传感器，感知对象和观看者任务：利用传感器节点来监测节点四周的环境，收集相关的数据，然后通过无线收发装置承受多跳路由的方式将数据发送给会聚节点，再通过会聚节点将数据传送到用户端，从而到达对目标区域的监测体系构造示意图：组成局部：传感器节点、会聚节点、网关节点和基站2、无线传感器网络的特点〔P2-4〕（1）大规模性且具有自适应性（2）无中心和自组织（3）网络动态性强（4）以数据为中心的网络（5）应用相关性3、无线传感器网络节点的硬件组成构造〔P4-6〕无线传感器节点的硬件局部一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块4 局部组成。
4、常见的无线传感器节点产品，几种Crossbow 公司的Mica 系列节点〔Mica2、Telosb〕的硬件组成〔P6〕5、无线传感器网络的协议栈体系构造〔P7〕1.各层协议的功能应用层：主要任务是猎取数据并进展初步处理，包括一系列基于监测任务的应用层软件传输层：负责数据流的传输掌握网络层：主要负责路由生成与路由选择数据链路层：负责数据成帧，帧检测，媒体访问和过失掌握物理层：实现信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等功能2.治理平台的功能（1）能量治理平台治理传感器节点如何使用能源。
无线传感网络
无线传感网络无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络。
是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。
WSN中的传感器节点通过无线方式通信，网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。
且在科技水平大幅度提高的基础上传感器节点的成本和能耗也逐渐降低，使得WSN在很多领域得到应用。
最早现代意义上的传感器是1879年德国科学家霍尔在研究金属的导电机制时制作的磁场传感器。
经过100多年的发展，传感器的功能不再单一，可以采集温度、湿度、位置、光强、压力、生化等标量数据。
1996年，美国军方资助加州大学洛杉矶分校（UCLA）等单位开展低功耗无线传感器网络（Low-power Wireless Integrated Microsensors，LWIM）的研究。
LWIM III型无线传感器节点将传感器、控制电路与电源电路集成为一体。
两年之后，UCLA与Rockwell合作，开发了Rockwell WINS（Wireless Integrated Network Sensor）无线传感器节点。
该节点使用32位微处理器Strong ARM、1MB的内存与4MB的闪存，数据传输速率是100kbps，工作时的功耗为200mw，睡眠时的功耗是0.8mw。
与此同时，加州大学伯克利分校（UCB）也开展了“Smart Dust”（智能尘埃）项目的研究。
“智能尘埃”意指传感器节点的体积非常小，如尘埃一般。
该项目研究的目标是通过MEMS技术，实现传感、计算与通信能力的集成，用智能传感器技术增强微型机器人的环境感知与智慧处理能力。
其研究任务是开发一系列低功耗、自组织、可重构的无线传感器节点。
1998年研制的WeC智能传感器节点使用的是8位、主频为4MHz的AT90LS8535微处理器芯片，内存是512B，闪存为8kB，数据传输速率为10kbps，工作时的功耗为15mw，睡眠时的功耗是45μw。
无线传感网络综述
1、无线传感网络简介无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区中观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。
2、无线传感网络的特点1）硬件资源有限：节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。
这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。
2）传感节点数目多、易失效：根据应用的不同，传感器节点的数量可能达到几百万个，甚至更多。
此外，传感器网络工作在比较恶劣的环境中，经常有新节点加入或已有节点失效，网络的拓扑结构变化很快，而且网络一旦形成，人很少干预其运行。
因此，传感器网络的硬件必须具有高强壮性和容错性，相应的通信协议必须具有可重构和自适应性。
3）通信能力有限：考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，传感器网络采用多跳路由的传输机制。
传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps 的速率。
由于节点能量的变化，受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，无线通信性能可能经常变化，频繁出现通信中断。
4）电源能量有限：网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。
其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用。
因此在无线传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。
5）以数据为中心是网络的核心技术：对于观察者来说，传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。
例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。
以数据为中心的特点要求传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。
无线传感器网络技术
无线传感器网络技术无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是近年来快速发展起来的一种先进的感知与通信技术。
它由大量分布在监测区域内的无线传感器节点组成，通过无线通信和信息处理技术，可以实现对环境、物体或事件的实时、动态、全面的检测、监测和定位，具有广阔的应用前景。
1. 无线传感器网络的概述无线传感器网络是一种分布式的网络结构，由大量部署在监测区域内的传感器节点组成。
这些传感器节点可以感知、采集、处理和传输环境中的信息，并通过无线通信与其他节点进行交互和协作。
这种分布式的感知与通信方式使得无线传感器网络具备了广泛的应用场景和巨大的潜力。
2. 无线传感器网络的组成与特点无线传感器网络主要包括传感器节点、数据中心和通信网络三个部分。
传感器节点是无线传感器网络的核心，它们通过感知、采集和处理环境中的信息，并通过通信网络将数据传输到数据中心进行进一步的处理和分析。
无线传感器网络具有自组织、自适应、动态调整、灵活部署等特点，可以实现对环境的全面、实时、动态的监测和控制。
3. 无线传感器网络的应用领域无线传感器网络在农业、环境监测、智能交通、智能家居、工业控制等领域都有广泛的应用。
在农业领域，无线传感器网络可以实现对土壤湿度、温度、光照等环境参数的实时检测和控制，提高农作物的产量和质量。
在环境监测领域，无线传感器网络可以对大气污染、水质污染、噪音等环境因素进行实时监测和预警。
在智能交通领域，无线传感器网络可以实现对交通流量、道路状况等信息的实时采集和传输，提高交通管理的效率和安全性。
在智能家居领域，无线传感器网络可以实现对家庭设备、安全系统等的实时监测和控制，提高家庭生活的便捷性和舒适度。
在工业控制领域，无线传感器网络可以实现对工业设备、生产过程等的实时监测和控制，提高生产效率和质量。
4. 无线传感器网络的挑战与发展方向虽然无线传感器网络在应用领域有广泛的前景，但也面临着一些挑战。
无线传感器
第一章习题1、什么是无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)？大量的静止或移动的传感器节点，以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地探测、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。
2、传感器网络节点使用的限制因素有哪些？①电池能量有限：需要电池提供能量的模块：传感器模块、处理器模块、通信模块。
②通信能力有限：E = k × dn (K—系数、 d—距离、 n—3，4）③计算和存储能力有限：传感器节点是一种微型嵌入式设备，价格低、功耗小。
因此，限制处理器计算能力弱，存储能量小。
3、分析传感器网络节点消耗电源能量的特征。
无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。
4、无线网络分类。
5、工业现场总线的含义及其类型。
含义：应用在生产现场和微机化测量控制设备之间，实现双向串行多节点数字通信的系统。
总线类型：CAN 、Lonworks、Profibus、 HART、FF等。
6、传感器节点组成。
传感器模块：信息采集、数据转换处理器模块：控制、数据处理无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据电源模块：提供能量第二章习题1、无线传感器网络的拓扑结构有哪几种？按照节点功能及结构层次，无线传感器网络拓扑结构分为：①平面网络结构②分层网络结构③混合网络结构④Mesh网络结构2、Mesh结构的无线传感器网络的特点是什么？有哪些具体应用？特点：节点分布规则；节点功能相同；节点之间都存在多跳路径。
应用：人员和车辆安全监控系统。
第三章习题1、目前无线传感器网络的通信传输介质有哪些类型？无线通信介质：无线电波、微波、红外线等。
2、无线网络通信系统为什么要进行调制和解调？调制有哪些方法？原因：由于基带信号频率低，信号发射天线尺寸会很大；方法：频分复用。
模拟调制: AM、 FM、 PM。
无线传感器网络
• 根据定位过程中实际测量节点间的距离和角度与否
通过测量节点间点到点的距离 或角度等信息进行位置估计； 基于测距的定位
无须测距技术的定位
无须距离和角度信息，仅根据 网络连通性等信息即可实现。
测距方法
• 基于距离的节点定位算法定位精度相对较高，但由于要实 际测量节点间的距离或角度，所以通常硬件要求也较高。 典型的距离测量技术包含利用 RSSI 测距、利用 TOA 或 TDOA 测距和利用 AOA 测距
• 第五，无线传感器网络具备有很强容错能力 • 第六，由于无线传感器网络节点的体积和所携带 能量有限的限制，这些限制决定了传感器节点只 能具备有限的计算和存储能力还有相对距离较短 的通信能力 • 第七，无线传感器网络节点无中心，无线传感器 网络中的传感器节点无严格的控制中心所有的节 点都是地位平等，加入和离开节点都是随意的没 有严格的限制条件
拓扑控制的研究方向
• WSN中拓扑控制可以分为两个研究方向：功率控制和层次 拓扑结构控制。 • 功率控制机制调整网络中每个节点的发射功率，保证网络 连通，在均衡节点中直接邻居数目(单跳可达邻居数目)的 同时，降低节点之间的通信干扰。 • 层次拓扑控制是利用分簇思想，使网络中的部分节点处于 激活状态，成为簇头节点。由这些簇头节点构建一个连通 的网络来处理和传输网络中的数据，并定期或不定期地重 新选择簇头节点，以均衡网络中节点的能量消耗。
传感器节点的限制
• 感知数据流无限
– 传感器网络每个传感器都产生无限 的流式数据，并具有实时性 – 每个传感器仅具有有限的存储器和 计算资源，难以处理巨大的实时数 据流
传感器节点的限制 • 以数据为中心
– 传感器网络不是通常的网络
• 用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件
无线传感器网络技术研究
无线传感器网络技术研究一、背景介绍无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量低功率传感器节点组成的自组织网络，通过无线方式实现无线感知、数据处理、信息传输等功能。
由于其在环境监测、智能家居、工业自动化等领域的广泛应用，WSN技术已成为当今科技领域的热点和难点之一。
二、基本原理WSN系统由多个传感器节点组成，每个节点都可以采集周围环境的数据，并将其传输到网络中心。
传感器节点通常包括感知模块、处理器、通信模块和电源模块。
感知模块负责采集环境信息，处理器将采集的数据进行分析处理，通信模块负责与其他节点进行通信，电源模块则提供能源支持。
在传感器节点之间的通信中，使用无线传输方式适用于这种网络模式。
该网络中的节点通常采用"自组织"的分布式拓扑结构，即不需要第三方管理机构的核心，节点可以相互配合完成整个网络的数据传递。
三、核心技术如何实现WSN的有效通信，是该技术的核心研究方向。
其中涉及到多个关键技术，本文将依次进行介绍：1. 低功耗通信WSN技术的应用场景通常都需要节点在长时间内运行，这要求节点必须具备超低功耗通信能力。
因此，低功耗通信技术一直是该领域研究的重点之一。
该技术的核心思想是降低节点的能耗，从而延长网络寿命。
2. 数据处理与存储WSN网络收集到的数据量往往会非常庞大，因此数据的处理和存储成为了该技术研究的重点。
传统的方法是，将数据采集到的每一组值进行传输。
但是这种方法会导致传输带宽浪费、通信所消耗的能量增加等问题。
因此，如何以最小的代价将数据处理并存储成为了WSN技术的研究方向之一。
3. 网络拓扑WSN网络的拓扑结构是一个关键环节。
目前，常用的网络拓扑结构包括星型、树形、网格等。
各种网络拓扑结构各有千秋。
以树形网络为例，树形网络结构与智能监测系统相兼容，不仅可实现监测分量直接通讯，也可实现对其它监测分量监测信息的转移和传送，而且网络中信息的可靠性有所提高。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
D L1
Cluster Formation Phase
Sink Tree Formation Phase
Node with Double Circle: Sink Node Node with Single Circle: Chosen Cluster Leader Red Arcs forms the sink tree Should there be direct link between leaders? (Wendi Heinzelman)
• TinyOS
– Event-based style helped students understand:
• •
• •
3/16/2015
Time constraints Code structure (need to write short non-blocking routines)
Made a more complex project possible Provided a degree of abstraction
• Even though wireless sensors has limited resources in memory, computation power, bandwidth, and energy. • With small physical sizeCan be embedded in the physical environment. • Support powerful service in aggregated form (interacting/collaborating among nodes) • Self-organizing multi-hop ad-doc networks • Pervasive computing/sensoring
Source: ISI & DARPA PAC/C Program
3/16/2015 cs526 WSN 13
Energy Management Issues
• Actuation energy is the highest – Strategy: ultra-low-power “sentinel” nodes • Wake-up or command movement of mobile nodes • Communication energy is the next important issue – Strategy: energy-aware data communication
3/16/2015
cs526 WSN
17
Cluster /Sink Tree Formation
IX L9 L7 VII L8 VI L5V
IX L9
VIII L7 VII
V
L10 X G C B I D L1 L2 A L3 IV II H III L4
B
L10 X G II C H I L2 A L3 IV III L4
• Adapt the instantaneous performance to meet the timing and error rate constraints, while minimizing energy/bit
• Processor and sensor energy usually less important
Wireless Sensor Network (WSN)
CS526 Advanced Internet and Web Systems C. Edward Chow
3/16/2015 cs526 WSN 1
Wireless Sensors
Low-power microscopic sensors with wireless communication capability • Miniaturization of computer hardware Intelligence
• Micro Electro-Mechanical Structures (MEMS) Sensing • Low-cost CMOS-based RF Radios Wireless Communications
3/16/2015 cs526 WSN 2
Wireless Sensor Networks(WSN)
New MicaZ follows IEEE 802.15.4 Zigbee standard with direct sequence sprad spectrum radio and 256kbps data rate
3/16/2015 cs526 WSN
Adapted from Crossbow web site
• Problems has been studied in packet radio network and mobile computing. • However in sensor networks, it is unique in:
– Lossy short-range wireless ratio Need more cross-layer interaction – Tight resource constraints – Traffic pattern differences – In-Network Processing
Motes and TinyOS
– Worked well with existing curriculum • ATMega128L microcontroller • 128KB program flash; 512KB measurement Flash; 4KB EEPROM – Standard platform with built-in radio chicon1000 (433MHz, 916MHz, 2.4GHz) 38.4kb; 256kbps for MicaZ IEEE 802.15.4. (1000ft, 500ft; 90/300ft) range – AA battery – Existing TinyOS code base – Convenient form factor for adding sensors
Senor Network/Great Duck Island 2003
3/16/2015
cs526 WSN
5
Vanderbuilt’s Shooter Localization
3/16/2015
cs526 WSN
6
Related Info
• Alec Woo’s dissertation (Chapters 1-2)
– Light/temperature control – Precision agriculture (optimize watering schedule) – Asset management (tracking freight movement/storage)
3/16/2015 cs526 WSN 4
9
Wireless Sensor Network
Stargate • 802.11a/b • Ethernet • Mica2 • PCMCIA • Compactflas h • USB • JTAG • RS232
3/16/2015 cs526 WSN 10
• Motes (Mica2, Mica2dot, MicaZ)
cs526 WSN 11
– Existing modular code base saved time
Comparison of Energy Sources
3/16/2015
cs526 WSN
Source: UC Berkeley
12
Communication/Computation Technology Projection
• Military Applications
– Shooter Localization – Perimeter Defense (Oil pipeline protection) – Insurgent Activity Monitoring (MicroRadar)
• Commercial Applications
3/16/2015 cs526 WSN 3
WSN Applications
• Wide area monitoring tools supporting Scientific Research
– Wild life Habitat monitoring projects Great Duck Island (UCB), James Reserve (UCLA), ZebraNet (Princeton. – Building/Infrastructure structure study (Earthquake impact)
3/16/2015
cs526 WSN
14
Wireless Sensor Network(WSN) vs. Mobile Ad Hoc Network (MANET)
WSN Similarity Security Routing Wireless Symmetric Key Cryptography Support specialized traffic pattern. Cannot afford to have too many node states and packet overhead Tighter resources (power, processor speed, bandwidth) MANET Multi-hop networking Public Key Cryptography Support any node pairs Some source routing and distance vector protocol incur heavy control traffic Not as tight.