无线传感器网络原理及应用 第4章
无线传感器网络的原理与应用
无线传感器网络的原理与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量的节点组成的，这些节点能够在没有预先布置的情况下自组织连接并进行数据交换。
WSN广泛应用于环境监测、智能交通、农业、医疗等领域。
本文将详细介绍WSN的原理和应用，并列出相应步骤。
一、无线传感器网络的原理1.1 传感器节点：传感器节点是WSN的核心组成部分，每个节点都配备有传感器和通信设备，能够感知并采集环境中的信息。
1.2 通信方式：传感器节点之间通过无线通信方式进行数据传输，可以是无线电、红外线、蓝牙等。
1.3 自组织连接：传感器节点可以自动组成网络，建立连接并进行协调。
1.4 节能机制：由于传感器节点通常使用电池供电，为了延长其寿命，需要采取一系列节能措施。
二、无线传感器网络的应用2.1 环境监测：WSN可以用于监测大气污染物、水质、噪音等，将监测结果传送给监测中心进行分析和处理。
2.2 智能交通：将传感器节点安装在道路、交通信号灯等位置，实时监测交通情况，从而提供实时交通状况和拥堵预警等信息。
2.3 农业：WSN可以监测土壤湿度、温度、光照强度等农田信息，帮助农民进行精细化管理，提高农作物产量和质量。
2.4 医疗：传感器节点可以被植入患者体内，监测体温、心率、血压等生理参数，实时传输给医生进行远程监护。
三、无线传感器网络的应用步骤3.1 感知环境：根据应用需求，选择适当的传感器节点，布置在需要监测的区域内，感知环境中的信息。
3.2 数据传输：传感器节点将采集到的数据通过无线通信传输给数据中心或者其他节点进行处理。
3.3 数据处理：数据中心对传感器节点传输过来的数据进行处理，提取有用信息，并进行分析和应用。
3.4 决策和控制：根据数据分析的结果，采取相应的决策和控制措施，如减少污染物排放、调整交通信号灯等。
3.5 远程监控：通过互联网等手段，可以远程监控传感器节点的工作状态、数据采集情况等。
第4章无线传感器网络技术-习题解答
第4章 无线传感器网络技术-习题解答4-1传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在哪些现实约束？答：传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下一些现实约束。
1.电源能量有限传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。
由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。
如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。
如何让网络通信更有效率，减少不必要的转发和接收，不需要通信时尽快进入睡眠状态，是传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。
2.通信能力有限无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：其中，参数n 满足关系2<n <4。
n 的取值与很多因素有关，例如传感器节点部署贴近地面时，障碍物多干扰大，n 的取值就大；天线质量对信号发射质量的影响也很大。
考虑诸多因素，通常取n 为3，即通信能耗与距离的三次方成正比。
随着通信距离的增加，能耗将急剧增加。
因此，在满足通信连通度的前提下应尽量减少单跳通信距离。
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。
在这样的通信环境和节点有限通信能力的情况下，如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是传感器网络面临的挑战之一。
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，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。
为了完成各种任务，传感器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的挑战。
4-2举例说明无线传感器网络的应用领域。
答：传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管n E kd理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。
第四章 传感器网络的支撑技术
邻居节点收到分组后，将自己的级别设置为分组中的级别加1，然后 广播新的级别发现分组
节点收到第i级节点的广播分组后，记录发送这个广播分组的节点ID ，设置自己的级别为（i+1），广播级别为（i+1）的分组，这个过程 持续到网络内每个节点都被赋予一个级别
层次结构建立以后，根节点通过广播时间同步分组启动同步阶段
第1级节点收到分组后，各自分别等待一段随机时间，再通过与根节 点交换消息同步到根节点
第2级节点侦听到第1级节点的交换消息后，等待一段随机时间，再与 它记录的上一级别的节点交换消息进行同步，网络中的节点依次与上 一级节点同步，最终都同步到根节点
... ...
时钟模型
硬件时钟模型 软件时钟模型
硬件时钟模型
硬件时钟由电池+硬件电路来实现 硬件时钟是独立运行的，通常比较精确 不适应环境变化剧烈的场合
温度漂移
软件时钟模型
它是由PC硬件产生的周期性的定时器中断来工作的
如果系统运行了太多的进程，它就需要较长的时间来执 行定时器中断程序，并且软件时钟就会漏掉一些中断。
节点一旦建立自己的级别，就忽略任何其他级别发现分组，防止网络 产生洪泛拥塞
TPSN协议过程
第二阶段 同步阶段（Synchronization Phase）
目的：实现所有树节点的时间同步，第1级节点同步到根节点，第i级 的节点同步到第（i-1）级的一个节点，最终所有节点同步到根节点 ，实现整个网络的时间同步
FTSP （Flooding Time Synchronization Protocol）
GCS （Global Clock Synchronization）
无线传感器网络原理及应用
无线传感器网络原理及应用
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）是由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的一种自组织、自适应的网络系统。
每个节点都具备感知环境、处理数据和通信的能力。
无线传感器网络凭借其低成本、低功耗、灵活部署等优势，被广泛应用于各个领域。
无线传感器网络的工作原理如下：首先，各个节点通过无线通信互相连接，形成一个多层次的网络结构。
每个节点负责采集周围环境的信息，如温度、湿度、压力等，借助内置的处理器对数据进行处理和分析。
然后，节点将处理后的数据通过无线传输协议发送给周围的节点，通过多跳路由的方式最终传输到目标节点中。
目标节点接收到数据后，可以进行进一步的处理或者发送给其他外部系统进行分析和应用。
无线传感器网络有着广泛的应用。
在环境监测方面，可以用于气象预报、水质检测、大气污染监测等。
在农业领域，可以用于土壤监测、作物生长状况监测、灌溉控制等。
在智能交通领域，可以用于交通流量监测、智能交通信号控制等。
此外，无线传感器网络还应用于工业自动化、健康监测、安全监控等多个领域，为各个行业提供了大量的实时数据，帮助我们更好地了解和管理环境。
总之，无线传感器网络通过节点互相通信、数据采集和处理，构建了一个分布式的网络系统，具备广泛的应用前景。
通过无线传感器网络，我们可以实时获取环境信息，提高生产效率，
改善资源利用效率，为各个行业的发展和可持续发展贡献一份力量。
无线传感器网络技术与应用
无线传感器网络技术与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是一种由成百上千个分布在广阔空间中的传感器节点构成的网络系统。
每个传感器节点都能够感知环境中的物理信息，并将其通过网络传输到中心节点进行处理和分析。
随着物联网的快速发展，无线传感器网络技术也得到了广泛应用。
本文将探讨无线传感器网络技术的原理、应用领域以及未来发展趋势。
一、无线传感器网络技术的原理无线传感器网络由若干个传感器节点、中心节点和通信网络组成。
每个传感器节点包含感知单元、处理单元、存储单元和通信单元等关键组成部分。
感知单元负责采集环境信息，处理单元对采集到的数据进行处理和分析，存储单元用于存储数据，通信单元负责与其他节点进行通信。
传感器节点通过无线通信技术将感知到的数据传输到中心节点。
无线传感器网络采用自组织、分散式的工作方式，节点之间通过多跳通信建立起网络连接，中心节点负责整合和管理传感器节点上传的数据。
二、无线传感器网络的应用领域无线传感器网络技术在众多领域中都有广泛的应用。
以下介绍几个典型的应用领域：1. 环境监测无线传感器网络可以实时监测环境中的温度、湿度、空气质量等参数。
在环境保护和生态研究中，可以通过部署大量的传感器节点来监测自然环境的变化，并为科研人员提供准确的数据支持。
2. 智能交通无线传感器网络可以应用于智能交通系统中，实时收集道路交通信息，如车流量、车速等，并通过智能算法做出交通调度和路况预测，提高交通效率和安全性。
3. 农业领域无线传感器网络可以帮助农业生产实现智能化管理。
通过监测土壤湿度、光照强度等关键参数，可以精确地调整灌溉和施肥措施，提高农作物产量和质量。
4. 工业自动化无线传感器网络在工业自动化中起到关键作用。
通过在工厂内部部署大量传感器节点，可以实时监测设备运行状态、温度、压力等参数，及时预警并防止潜在故障，提高生产效率和安全性。
五、无线传感器网络技术的未来发展趋势无线传感器网络技术在未来将继续迎来新的发展机遇和挑战。
无线传感器网络技术与应用
无线传感器网络技术与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是一种由大量分布式、自组织的无线传感器节点组成的网络。
每个节点都装备有感知、处理和通信能力，能够收集和传输环境中的各种信息。
WSN技术的快速发展和广泛应用，在许多领域都发挥了重要的作用。
本文将介绍无线传感器网络技术的基本原理和应用领域。
一、无线传感器网络技术原理1. 节点通信原理无线传感器网络中的节点之间通过无线通信进行数据传输。
节点之间可以通过直接通信方式（如单跳通信）或间接通信方式（如多跳通信）进行信息交换。
无线传感器节点通常采用射频通信技术实现数据的传输和接收。
2. 能耗管理原理由于节点工作时通常使用电池供电，能耗管理对于无线传感器网络的稳定运行至关重要。
节点通过优化自身的通信协议、传输功率、工作周期等方式来降低能耗，延长节点的寿命。
3. 网络拓扑结构网络拓扑结构是指各个节点之间的连接关系。
常见的网络拓扑结构有星型、网状、环型等形式。
不同的拓扑结构适用于不同的应用场景，可以根据具体需求选择合适的拓扑结构。
二、无线传感器网络应用领域1. 环境监测无线传感器网络可以用于环境监测，如大气环境监测、水质监测、土壤湿度监测等。
通过部署大量的传感器节点，可以实时监测环境参数的变化，并及时采取相应的措施进行调整。
2. 物联网无线传感器网络是物联网的重要组成部分。
物联网通过将各种智能设备连接起来，实现设备之间的信息交互和智能控制。
无线传感器网络可以用于物联网中的感知环节，收集各种环境数据并传输到云平台，为后续的数据分析和决策提供支持。
3. 工业自动化在工业领域，无线传感器网络可以用于实时监测和控制。
通过部署传感器节点，可以对生产线上的各种参数进行实时监测，提高自动化程度和生产效率。
同时，无线传感器网络还可以用于设备状态监控，及时发现故障并进行维修。
4. 农业智能化无线传感器网络在农业领域中也有广泛应用。
通过在农田中部署传感器节点，可以实时监测土壤湿度、温度等参数，为农民提供精确的灌溉和施肥方案。
无线传感器网络的工作原理与应用
无线传感器网络的工作原理与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是指由大量分布在被监测区域内的微型传感器节点组成的一种网络。
这些传感器节点能够自组织地进行通信和数据传输，完成对环境的感知和信息采集。
然后再将采集到的数据通过通信网络传送至数据处理中心进行分析和应用。
无线传感器网络可以广泛应用于环境监测、智能交通、农业、医疗等领域。
一、无线传感器网络的工作原理1. 传感器节点：每个传感器节点由传感器、处理器、无线通信模块和能量供应组成。
2. 网络组织：传感器节点根据一定的规则自组织成无线传感器网络，通过无线通信模块进行数据传输。
3. 数据传输：传感器节点通过多跳方式将数据传输至汇聚节点，然后通过传输链路将数据发送至数据处理中心。
4. 数据处理：数据处理中心对接收到的数据进行分析、存储和应用。
二、无线传感器网络的应用1. 环境监测：通过分布在被监测区域内的传感器节点，监测环境中的温度、湿度、光照等参数，实现对环境的实时监测和预警。
2. 智能交通：利用传感器节点监测路况、交通信号等信息，实现交通的智能调度和管理，提升交通效率和安全性。
3. 农业应用：使用传感器节点实时监测土壤温度、湿度，气象参数等信息，辅助农民进行科学农业生产管理。
4. 医疗领域：通过植入或佩戴传感器节点，对患者的生理参数等进行监测，实现对患者的远程监护和健康管理。
三、无线传感器网络的应用步骤1. 网络规划：根据应用需求和环境特点，确定传感器节点的布局和数量。
2. 传感器节点的部署：按照规划，将传感器节点部署在被监测区域内，保证节点之间的覆盖且能够互相通信。
3. 数据采集和处理：传感器节点负责采集环境信息，并通过无线通信模块将数据传输至汇聚节点。
4. 数据传输和存储：汇聚节点将接收到的数据通过传输链路传送至数据处理中心，并进行存储和备份。
5. 数据分析和应用：数据处理中心对接收到的数据进行分析，并做出相应的决策或提供相关的服务。
无线传感器网络技术原理及应用ppt课件第4章
11
在无线传感器网络中，传感器节点没有必要将数据以端到 端的形式传送给中心节点处理节点，只要有效数据最终汇 集到汇聚节点就达到了目的。因此，为了减少流量和能耗， 传输过程中的转发节点经常将不同的入口报文融合成数目 更少的出口报文转发给下一跳，这就是数据融合的基本含 义。
流量分布。传感器网络是一个数据采集网络，绝大部 分流量由各个传感器节点流向汇聚节点，因此流量分布极 不均匀，以汇聚节点为目的的数据远远超过以它为源的控 制流。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4. 可靠的路由协议 无线传感器网络的某些应用对通信的服务质量有较高 要求，如可靠性和实时性等。而在无线传感器网络中，链 路的稳定性难以保证，通信信道质量比较低，拓扑变化比 较频繁，要实现服务质量保证，需要设计相应可靠的路由 协议。
数据融合技术。在传感器网络运行过程中，从传感器 节点探测到的数据往往在逐次转发过程中不断被加工处理， 以达到降低网络开销、节省能量等目的。也就是说，数据 在传输过程中已经被修改，并不是原封不动地从源端传送 到目的端，这与传统网络以实现端到端无失真的信息传输 的目标是不同的。
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
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图4-2 三边测量定位法
1 2
3
(x x1 )2 ( y y1 )2 (x x2 )2 (y y2 )2 (x x3 )2 ( y y3 )2
(4-1)
由公式(4-1)即可解出节点D的坐标(x，y)：
x y
2( x1 2( x2
x3 ) x3 )
2( y1 2( y2
y3
)
1
y3 )
x12 x22
x32 x32
y12 y22
22
2) 三角测量法(triangulation)
三角测量法的原理如图4-3所示，已知A、B、C三个节
点的坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，节点D到A、B、 C的角度分别为∠ADB、∠ADC、∠BDC、假设节点D的坐
来确定自身位置。在如图4-1所示的传感网络中，M代表信 标节点，S代表未知节点。S节点通过与邻近M节点或已经得 到位置信息的S节点之间的通信，根据一定的定位算法计算 出自身的位置。
图4-1 传感器网络中信标节点和未知节点
2．节点位置计算的常见方法 传感器节点定位过程中，未知节点在获得对于邻近信标 节点的距离，或者获得邻近的信标节点与未知节点之间的相 对角度后，通常使用下列方法计算自己的位置。
由公式(4-2)能够确定圆心O1的坐标和半径r1。同理对A、 B、∠ADB和B、C、∠BDC，也能够确定相应的圆心O2(xO2， yO2)、O3(xO3，yO3)，半径r2、r3。最后利用三边测量法，由 O1、O2、O3确定D节点的坐标(x，y)。
3) 极大似然估计法(maximum likelihood estimation) 如图4-4所示，已知获得信标节点1、2、3…n的坐标分 别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)…(xn，yn)，它们到待定位节 点D的距离分别为ρ1，ρ2，ρ3…ρn，假设D的坐标为(x，y)， 则存在公式：
2( y2 yn )
b
x12
xn2
y12
y
2 n
ρn2
ρ12
x22
xn2
y22
y
2 n
ρn2
ρ22
2( yn1 yn )
xn21
xn2
yn21
y
2 n
ρn2
ρn21
X
x
y
使用标准的最小均方差估计方法可以得到节点D的坐标为
X ( AT A)1 ATb
4.1.2 定位算法分类 在传感器网络中，根据定位过程中是否测量实际节点间
基于距离的定位算法通过获取电波信号的参数，如接收 信号强度(RSSI)、信号传输时间(TOA)、信号到达时间差 (TDOA)、信号到达角度(AOA)等，再通过合适的定位算法 来计算节点或目标的位置。 4.2.1 基于TOA的定位
在TOA方法中，主要利用信号传输所消耗的时间预测 节点和参考点之间的距离。系统通常使用慢速信号(如超声 波)测量信号到达的时间，原理如图4-5所示。超声信号从发 送节点传递到接收节点，而后接收节点再发送另一个信号给 发送节点作为响应。通过双方的“握手”，发送节点即能从 节点的周期延迟中推断出距离为
标为(x，y)。对于节点A、C和∠ADC，确定圆心为O1(xO1， yO1)、半径为r1的圆，，则
( xO1 x1)2 ( yO1 y1)2 r1
( xO1 x2 )2 ( yO1 y2 )2 r1
( x1
x3 )2
( y1
y3 )2
2r12
2r12
cos
(4-2)
图4-3 三角测量法原理图
的距离，把定位算法分为基于距离的(range-based)定位算法 和与距离无关的(range-free)定位算法，前者需要测量相邻节 点间的绝对距离或方位，并利用节点间的实际距离来计算未 知节点的位置；后者无需测量节点间的绝对距离或方位，而 是利用节点间估计的距离计算节点位置。
4.2 基于距离的定位
(
x1
(
x1
x)2 x)2
( y1 ( y2
y)2 y)2
ρ12 ρ22
(xn x)2 ( yn y)2 ρn2
(4-3)
图4-4 极大似然估计法
公式(4-3)可表示为线性方程式AX = b，其中
2( x1 xn )
A
2( x2
xn )
2( xn1 xn )
2( y1 yn )
基于距离的定位机制(range-based)是通过测量相邻节点 间的实际距离或方位进行定位的。具体过程通常分为三个阶 段：第一个阶段是测距阶段，首先测量未知节点到邻居节点 的距离或角度，然后进一步计算到邻近信标节点的距离或方 位，在计算到邻近信标节点的距离时，可以计算未知节点到 信标节点的直线距离，也可以用二者之间的跳断距离作为直 线距离的近似；第二个阶段是定位阶段，计算出未知节点到 达三个或三个以上信标节点的距离或角度后，利用三边测量 法、三角测量法或极大似然估计法计算未知节点的坐标；第 三个阶段是修正阶段，对求得的节点的坐标进行求精，提高 定位精度，减少误差。
第4章 定位技术
4.1 定位技术简介 4.2 基于距离的定位 4.3 与距离无关的定位算法
4.1 定位技术简介
4.1.1 定位技术的概念、常见算法和分类 1. 无线传感器网络定位技术概念 在传感器网络节点定位技术中，根据节点是否已知自身
的位置，把传感器节点分为信标节点(beacon node)和未知节 点(unknown node)。信标节点在网络节点中所占的比例很小， 可以通过携带GPS定位设备等手段获得自身的精确位置。信 标节点是未知节点定位的参考点。除了信标节点以外，其他 传感器节点就是未知节点，它们通过信标节点的位置信息
1) 三边测量定位法(trilateration) 三边测量定位法是一种常见的目标定位方法，其理论依 据是在二维空间中，当一个节点获得三个或者三个以上参考 节点的距离时，就可以确定该节点的坐标。三边测量技术建 立在几何学的基础上，它用多个点与目标之间的距离来计算 目标的坐标位置。如图4-2所示，在二维空间中，最少需要 得到三个参考点的距离才能唯一地确定一点的坐标。假设目 标节点的坐标为(x，y)，三个信标节点A、B、C的坐标分别 为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，以及它们到未知目标节点的 距离分别为ρ1、ρ2、ρ3，则根据二维空间距离计算公式，可 以建立如下方程组：