WSN
无线传感器网络与物联网
无线传感器网络与物联网随着科技的不断进步和互联网的普及，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）和物联网（Internet of Things，简称IoT）已经成为现代社会中不可或缺的一部分。
它们的出现不仅带来了便利和创新，同时也为我们的生活和工作带来了巨大的改变。
一、无线传感器网络（WSN）无线传感器网络是由分布在广域范围内的无线传感器节点组成的一种网络系统。
传感器节点可以感知和采集周围环境的物理量或状态，并通过内部通信方式将采集到的信息传输到指定位置。
这些节点可以以无线方式相互连接，形成一个自组织的网络结构。
WSN的基本组成部分包括传感器节点、数据处理器、无线通信模块和电源。
WSN在工业、农业、环境监测等领域具有广泛的应用。
例如，在工业领域，WSN可以用于实时监测设备的状态，预测故障，并及时采取相应的措施，提高生产效率和设备可靠性。
在农业领域，WSN可以监测土壤湿度、气温等参数，帮助农民科学地管理农作物，提高农业生产效益。
在环境监测领域，WSN可以用于监测大气污染、水质污染等环境参数，及时预警环境问题，保护生态环境。
二、物联网（IoT）物联网是由各种物理设备、传感器、软件和网络连接而成的智能化系统。
物联网通过各种感应器和控制器，将物理世界与数字世界相互连接，实现设备之间的互联互通。
物联网技术可以为人们的生活提供智能化、便捷化的服务，例如智能家居、智能交通、智能医疗等。
在智能家居领域，物联网技术可以让家中的各种设备（如电视、冰箱、空调等）通过互联网相互连接，实现远程控制和智能管理。
通过智能家居系统，我们可以远程监控家中的安全状况，自动管理家电设备的能耗，提高生活的便利性和舒适度。
在智能交通领域，物联网技术可以实现交通信号灯的智能控制，车辆之间的实时通信，增强交通的安全性和效率。
在智能医疗领域，物联网技术可以用于远程医疗、健康监测等，提高医疗资源的利用效率和健康管理的水平。
无线传感器网络(WSN)的应用与优化
无线传感器网络（WSN）的应用与优 化
CREATE TOGETHER
DOCS
01
无线传感器网络(WSN)概述
无线传感器网络的基本概念与组成
WSN的主要组成部分包括传感器节点、汇聚节点和数据中心
• 传感器节点：包含传感器、数据处理单元和无线通信模块 • 汇聚节点：包含数据处理单元、无线通信模块和有线通信接口 • 数据中心：包含数据库、数据处理软件和用户界面
无线传感器网络（WSN）是一种由大量传感器节点组成自组织网络
• 传感器节点：负责数据采集和处理和传输 • 汇聚节点：负责接收和处理传感器节点的数据，并将数据传输到数据中心 • 数据中心：负责存储、分析和处理传感器网络收集的数据
无线传感器网络的发展历程与趋势
无线传感器网络的发展历程可以分为三个阶段
05
无线传感器网络(WSN)未来发展趋势与挑战
可扩展性与自适应性问题
无线传感器网络的可扩展性和自适应性问题是指网 络在节点数量增加和环境影响下的性能变化
• 可扩展性：随着传感器节点数量的增 加，网络应能保持良好的性能 • 自适应性：网络应能根据环境参数的 变化自动调整参数和策略，提高网络的 适应性和稳定性
• 无线传感器网络的网络协议包括MAC协议、路由协议和数据传输协议等 • MAC协议：负责传感器节点之间的无线通信，如CSMA/CA、TDMA和FDMA等 • 路由协议：负责传感器节点与汇聚节点之间的数据传输路径选择，如Dijkstra、LEACH和PEGASIS等 • 数据传输协议：负责传感器节点与汇聚节点之间的数据传输，如HTTP、CoAP和MQTT等
• 数据融合技术包括基于时间、空间和概率的数据融合方法等 • 基于时间的数据融合：通过对同一传感器节点在不同时间采集的数据进行融合，提高数据的准确性和稳定性 • 基于空间的数据融合：通过对不同传感器节点在相同时间采集的数据进行融合，提高数据的覆盖范围和准确性 • 基于概率的数据融合：通过对不同传感器节点的数据进行概率加权融合，提高数据的可靠性和稳定性
无线传感器网络知识点
1. 无线传感器网络（wireless sensor network, WSN ）就是由部署在检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，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。
2. 构成WSN 的三要素：传感器、感知对象、观察者。
3. ADHOC 和WSN 的区别：(1)WSN(2)WSN (3)WSNAd hoc(4)WSN(5)WSN (6)WSN 以数据为中心。
4. WSN 的节点：传感模块、处理器模块、通信模块、电源模块 节点特点：电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限5. WSN 协议栈结构(1)能源管理平台：管理传感器节点如何使用能量；(2)移动管理平台：检测和注册传感器节点的移动，维护到汇聚点的路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居；(3)任务管理平台：在一个给定的区域内平衡和调度监测任务6. 传感器物理层作用：屏蔽物理设备和传输介质的差异目的：透明传输功能：提供传输通道；传输数据；其他特性：(1)机械特性(2)电气特性(3)功能特性(4)规程特性运用的技术：(1)介质和频段的选择(2)调制技术(3)扩频技术传输媒体：(1)建议采用ISM （工业、科学和医学）频段短距离的无线低功率通信最适合传感器网络(2)红外,不需要许可证，抗干扰要求收发双方在视线之内(3)光7.频率选择，载频发生，信号检测，调制，数据加密信号传播传播信号需要的最小发送功率和传输距离d的n次方成正比，2<= n < 4.为了减小传输距离，传感器网络采用多跳（multihop）通信方式8.MAC层协议：S-MAC协议、IEEE802.11 MAC协议9.MAC层有用功耗：(1)发送，接收数据(2)处理询问请求(3)转发询问和数据到邻居节点9.MAC层无用功耗：(1)信道的空闲侦听，“waiting for possible traffic”.(2)由于碰撞导致的重传，例如两个数据包同时到达同一节点(3)无意偷听：当节点接收到一个不属于他的数据包时(4)产生和处理控制数据包开销10.CSMA/CACSMA /CA载波侦听/冲突避免如何解决“隐匿终端问题11.S-MAC机制针对碰撞重传、串音、空闲侦听和控制消息等可能造成较多能耗的因素S-MAC 采用如下机制：(1)周期性侦听／睡眠的低占空比工作方式，控制结点尽可能处于睡眠状态来降低结点能量的消耗；(2)邻居结点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，减少结点的空闲侦听时间；(3)通过流量自适应的侦听机制，减少消息在网络中的传输延迟；(4)采用带内信令来减少重传和避免侦听不必要的数据；通过消息分割和突发传递机制来减少控制消息的开销和消息的传递延迟。
无线传感网络概述
无线传感网络概述学号031241119姓名魏巧班级0312411一、无线传感器网络（WSN）的定义：无线传感器网络（WSN）是指将大量的具有通信与计算能力的微小传感器节点，通过人工布设、空投、火炮投射等方法设置在预定的监控区域，构成的“智能”自治监控网络系统，能够检测、感知和采集各种环境信息或检测对象的信息。
二、传感器的节点分布及通信方式：由于传感器节点数量众多，布设时智能采用随机投放的方式，传感器节点的位置不能预先确定。
节点之间可以通过无线信道连接，并具有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交互来完成全局任务，同时节点之间采用自组织网络拓扑结构。
由于传感器节点是密集布设的，因此节点之间的距离很短，在传输信息方面多跳（multi—hop）、对等（peer to peer）通信方式比传统的单跳、主从通信方式更适合在无线传感器网络中使用，例如：使用多跳的通信方式可以有效地避免在长距离无线信号传播过程中遇到的信号衰落和干扰等各种问题。
三、WSN运行的环境：1、WSN可以在独立封闭的环境下（如局域网中）运行。
2、WSN也可以通过网关连接到网络基础设施上（如Internet）。
在这种情况中，远程用户可以通过Internet 浏览无线传感器网络采集的信息。
四、无线数据网络的定义及无线自组网络的特点：主流的无线网络技术，如IEEE 802.11、Bluetooth都是为了数据传输而设计的，我们称之为无线数据网络。
目前，无线数据网络研究的热点问题就是无线自组网络技术，这项技术可以实现不依赖于任何基础设施的移动节点在短时间内的互联。
特点有如下几点：（1）无中心和自组性（优点）：无线自组网络没有绝对的控制中心，网络中节点通知分布式的算法来协调彼此的行为，这种算法无需人工干预和其他预置网络设施就可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。
（2）动态变化的网络拓扑（缺点）：移动终端能够以任意速度和方式在网中移动，在通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化。
无线传感器网络(WSN)技术概述
无线传感器网络（WSN）技术概述无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN），是一种由大量分布在监测区域内的无线传感器节点组成的自组织网络。
通过无线通信技术，这些节点可以相互之间进行通信，并将采集到的环境信息传输到基站或其他节点。
WSN技术是当今物联网领域的重要支撑技术之一，具有广泛的应用前景。
一、WSN技术的架构WSN技术的架构主要由传感器节点、网络通信、数据处理和能量管理四个部分组成。
1. 传感器节点传感器节点是WSN技术的基本组成单元，通常由传感器、处理器、存储器和通信模块等组件构成。
传感器用于采集环境信息，如温度、湿度、压力等。
处理器用于对采集到的数据进行处理和分析。
存储器用于存储采集到的数据和运行程序。
通信模块用于与其他节点进行通信。
2. 网络通信在WSN中，节点之间通过无线通信方式进行通信。
常见的无线通信技术包括无线局域网（WLAN）、蓝牙（Bluetooth）和低功耗广域网络（LPWAN）等。
节点之间可以通过广播或点对点通信方式进行数据传输。
3. 数据处理传感器节点采集到的原始数据通常需要进行一定的处理和分析。
数据处理主要包括数据压缩、数据融合和数据挖掘等技术。
通过数据处理，可以减少数据的冗余性，提高数据的有效性，并提取出有用的信息。
4. 能量管理能量管理在WSN技术中非常重要，因为传感器节点通常由电池供电，并且节点通常需要长时间运行。
为了延长节点的寿命，需要对节点的能量进行合理管理。
能量管理包括能量感知、能量节约和能量补充等方面内容。
二、WSN技术的应用领域WSN技术在许多领域具有广泛的应用，在环境监测、农业、工业自动化和智能交通等领域发挥了重要作用。
1. 环境监测WSN技术可以应用于环境监测领域，用于监测空气质量、水质污染等环境参数。
通过部署大量的传感器节点在监测区域内，可以实时的、准确的获取环境信息，对环境状况进行监控和评估。
2. 农业WSN技术可以用于农业生产中，用于监测土壤湿度、气温、光照等参数。
《WSN支撑技术》课件
能量管理
01
能量管理是无线传感器网络中实现节点能量有效利用的重要支 撑技术之一。
02
能量管理的主要目标是优化节点的能量消耗，延长网络的生命
周期，提高网络的稳定性和可靠性。
常见的能量管理技术包括功率控制、休眠调度、动态电压调节
03
等。
拓扑控制
拓扑控制是无线传感器网络中优化网络拓扑结构、降低能耗和提高网络性能的重要 支撑技术之一。
拓扑控制的主要目标是通过对节点进行合理的唤醒和休眠调度，以及优化节点间的 通信关系，降低网络的能耗和提高信息传输的效率。
常见的拓扑控制算法包括基于节点度的算法、基于分层结构的算法、基于社区发现 的算法等。
03 WSN硬件平台
传感器节点
传感器节点是无线传感器网络 的基本单元，负责采集环境信 息，如温度、湿度、压力等。
可靠性
WSN中的传感器节点具有冗余 性，通过多路径传输和数据融 合等技术提高感知数据的可靠 性和准确性。
低功耗
WSN中的传感器节点通常采用 低功耗设计，以延长网络寿命
和降低维护成本。
WSN应用领域
环境监测
用于监测空气质量、水质、土壤成分等环境 参数。
农业信息化
用于监测农作物生长环境、病虫害情况等， 提高农业生产效率。
《WSN支撑技术》 PPT课件
目录
CONTENTS
• WSN概述 • WSN关键技术 • WSN硬件平台 • WSN软件平台 • WSN应用案例
01 WSN概述
WSN定义
01 02
WSN定义
WSN（无线传感器网络）是一种由大量低功耗、微型、低成本的传感 器节点组成的无线通信网络，通过无线通信方式完成对环境和物体的感 知、监测和控制任务。
WSN路由协议解析
簇维护协议要解决在节点移动过程中的簇结构维护，其中包括移动 节点退出和加入簇，簇的产生和消亡等功能。
• 分层路由协议比较适合于无线传感器网络，但成簇过程会产生一 定的能源消耗，如何产生有效的簇类也正是各地学者深入研究的 问题。
由信息。 • 拓扑结构和路由表内容按需建立，它可能仅仅是整个拓扑结构信
息的一部分。 • 优点:不需要周期性的路由信息广播，节省了一定的网络资源。 • 缺点:发送数据分组时，如果没有去往目的节点的路由，数据分
组需要等待因路由发现引起的延时。
13
路由协议分类（2）
按网络管理的逻辑结构划分
– 平面结构路由:
第五章 路由协议
内容提要
WSN路由协议概述 WSN路由协议分类 能量感知路由协议 基于查询的路由协议 集群结构路由协议 地理位置路由协议
内容提要
WSN路由协议概述 WSN路由协议分类 能量感知路由协议 基于查询的路由协议 集群结构路由协议 地理位置路由协议
具有高可扩展性
网络规模，节点上千个，节点越多，路由收敛越慢、路由越不 稳定，Ad Hoc的路由不能照搬
网络拓扑变化强
节点移动、失效 & 无线信道 & 规模大，拓扑变化频繁，如何 建立快速收敛、复杂度低的路由？）
传感器网络路由中使用数据融合技术（数据为中心）
传统网络以点对点通信，保证数据“完整无误”；WSN强调数 据汇聚，为了降耗，每个节点都进行数据融合，减小通信量
• 平面结构是指网络中各节点在路由功能上地位相同，没有引入 分层管理机制。
• 优点：网络中没有特殊节点，网络流量均匀地分散在网络中， 路由算法易于实现。
WSN(路由协议)
• 定向扩散最大的特点是引入梯度的概念，优势在于扩
散过程中能够根据经验选取较好的路径以实现节能。
使用查询机制按需建立路由，避免了保存全网信息。 适用于持续性查询的应用，而不适用于一次性查询应 用。
谣传路由
• 在有些数据传输量较小的无线传感器网络应用中，如
果采用定向扩散路由，需要经过查询消息的泛洪传播
定向扩散路由
• Directed Diffusion for Wireless Sensor Networking • 汇聚节点将查询任务封装成兴趣消息（Interest）的形 式，采用泛洪方式传播兴趣消息到其他节点，兴趣消息 用来表达用户对监控区域内感兴趣的信息，例如监控区 域内的温度、湿度和光照等环境信息。在兴趣消息的传 输过程中，协议逐跳地在每个节点上建立反向的从数据 源到汇聚节点的数据传输梯度。节点将采集到的数据沿 着梯度方向传送到汇聚节点。
泛洪式（Flooding）路由协议
Flooding一种古老的协议。没有任何路由算法，不需 要维护网络的拓扑结构和路由计算，接收到消息的节 点以广播形式转发数据包给所有的邻节点。每一个相
邻节点又将其传输给各自的每一个邻居节点，一直到
将数据传输给目标节点为止，或者为该数据所设定的 生存期限变为0为止。
A
A
A
A
B节点融合新数据，并通过 ADV发布新数据消息
SPIN协议评价
优点
部分解决了内爆和重叠问题 不需要进行路由维护 对网络拓扑变化不敏感，可用于移动WSN
缺点
本质上SPIN还是向全网扩散新消息，开销比较大
SPIN协议族（Protocol Family）
SPIN-PP
For networks using point-to-point transmission media Ideal conditions assumed with no packet loss
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一、网络模型
IVY
二、传感器
UCLA/RSC的WINS、UC Berkeley/Intel的Mote（smart dust）和NEST&MIT/TI的μAMPS
●基本信息
价格应小于$1
生命周期：Macro mote，一星期连续操作的生命
分布密度：一立方米20个
●功能：感知能力，计算能力和通行能力
可以仅有单一感知量，如Mini mote，仅仅感知温度，也可以感知多个物理量，如Macro mote、RF mote
感知距离：RF mote，20 meter range，Sensors，2 axis magnetometers, 2 axis accelerometers, light, temperature, pressure；Laser mote，21千米
●Sink和sensor的对比
移动性：Sensory一般不动，但也可以移动，如海洋中的传感器可以随海洋漂浮；
sink节点可以移动，如飞机携带的移动计算机
Sink节点一般比sensor节点功能强大，Sink没有资源的限制，Sink间可以直接通信，可安装GSP和发电系统（太阳能装置或热能装置）
/macro_motes/macromotes.html
/wiki/Sensor_node
二、路由算法：
1. 传统网络路由协议：
LEACH[1]分簇路由算法对大规模无线传感网络远程监控系统具有较好的适应性和节能型
2. 粒子群PSO：目前主要应用于优化簇头选举方法和提高QoS
3．Multi sink：可以有多个sink；sink-sink，可以有线连接(Cellular Network) [9]
四、传输控制
1、职责：负责数据流的传输控制，保障通信质量
2、研究重点：如何在拓扑结构、信道质量动态变化的条件下，为上层应用提供节能、可靠和实时性高的数据传输服务，现阶段对传输控制的研究主要集中于错误恢复机制
3、主要内容：拥塞控制和可靠性保障
五、研究思路
1、路由优化：基于路由优化技术（传统和粒子群），对现有无线传感器网络的结构进行改进，分sensor和sink节点的无线路由提出优化算法（功率优先和路由开销复合指标）sensor-sensor，sensor-sink：优化传统的分层路由算法LEACH，如从考虑节省节点能
量方面，提出对LEACH的改进，求解出最优簇头的数目；基于负载均衡的簇头选举，采用PSO优化算法进行分簇，避免“盲点”或“热点”问题
可以考虑多sink节点的设计，sink节点之间可以无线也可以有线通信，若为有线通
信，与传统的有线连接蜂窝网络的区别？
2、混合传感网络：sink节点采用有线通信，sensor采用无线通信
参考IVY结构；
分布式传输（多路多sink的传输）：基于混合通信技术，提出sink节点到监控中心
的混合通信机制，sink节点通信代理模式
3、结合网络路由和传输控制，对网络中数据进行有效的收集，同时提供可靠性的保障，类
似的协议有GeRaF，可以尝试对他改进，现在已有M-GeRaF。
参考文献：
[1] JN Al-Karaki, AE Kamal. Routing techniques in wireless sensor networks a survey. IEEE
Wireless Communications. 2004
[2] 于海斌, 曾鹏. 分布式无线传感器网络通信协议研究. 通信学报. 2004,10
[3] W. R. Heinzelman, A. Chandrakasan. Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless
Microsensor Networks. Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences-2000. IEEE 2002
[4] A. Manjeshwar and D. P. Agarwal, "APTEEN: A hybrid protocol for e±cient routing and
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[5] E. Yang, A. T. Erdogan. An Improved Particle Swarm Optimization Algorithm for
Power-Efficient Wireless Sensor Networks. 2007 ECSIS Symposium on Bio-inspired,
Learning, and Intelligent Systems for Security
[6] I. F. Akyildiz, etal. A Survey on Sensor Networks. IEEE Communications Magazine.
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[7] Pister K, Hohlt B, Jeong J, Doherty L, Vainio JP. Ivy A sensor network infrastructure. 2003.
/ projects/ivy.
[8] 李建中，李金宝，石胜飞．传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展．软件学报，
2003(14),10
[9]Katayoun Sohrabi, Jay Gao. Protocols for Self-Organization of a Wireless Sensor Network.
IEEE Wireless Communications,1999.
……。