无线传感器网络第1讲-概述(2016)
无线传感器网络PPT课件
信号的传输要靠信道，因此信道也就成为了一种宝贵的资源。 怎样合理有效的分配信道，就是数据链路层中的MAC子层要解 决的问题了
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网络层（路由）
• 网络层（路由）
两个基本功能：确定最佳路径和通过网络传输信息 1 泛洪式路由 2 SPIN（SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协 议） 3 LEACH（LEACH是一种分层网络协议，它以循环的方式随机选择簇首节
三、无线传感器网络关键技 术
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3.1 无线传感器网络MAC协议
• 所谓的MAC协议，就是通过一组规则和过程来更有效、有序和公平地使用共享介质。它实现两大基本功能 目标：在密集散布的传感器现场能够有助于建立起一个基本网络基础设施所需的数据通信链路；协调共享 介质的访问
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管理平台
• 管理平台对整个网络进行检测、管理，它通常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终端设备
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4、2无线传感器网络硬件平台
• 目前传感器节点种类繁多，很多科研机构都开放自己的硬件平台，但是这些硬件平台之间主要区别在于所 采用的处理器、无线通信方式、传感器配置不同。下面具体介绍几家公司的硬件平台。
•
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图1 无线传感器网络体系结构图
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无线传感器通信协议系统结构
• 物理层技术 为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做
物理层 在物理层面上，无线传感器网络遵从的主要是标准（Zigbee）
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数据链路层（MAC层协议）
• Intel 公司的intel mote2 • Chipcon 公司的cc2420ZDK • Ember公司的em250 Development kit • Freescale公司的 mc13191 • 中科院的minigains系列
无线传感器网络技术讲义
无线传感器网络技术讲义引言无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）是一种由大量分布式无线传感器节点组成的网络系统，通过无线通信和自组织方式协同工作，用于感知、采集、处理和传输环境信息的一种新型网络。
它具有广泛的应用前景，包括环境监测、智能交通、智能农业、物联网等各个领域。
本讲义将从无线传感器网络的基本概念、架构、通信技术、能量管理等方面进行介绍，以帮助读者深入了解无线传感器网络技术。
1. 无线传感器网络基本概念1.1 传感器节点传感器节点是无线传感器网络的基本组成单元，它由传感器、处理器、存储器、无线通信模块等要素组成。
传感器节点可以感知环境中的各种信息，如温度、湿度、光照强度等，并将这些信息传输给其他节点或基站。
1.2 无线传感器网络的特点无线传感器网络具有以下特点：•分布式：无线传感器节点可以分布在广泛的区域内，形成一个分布式的网络系统。
•自组织：无线传感器节点通过自组织的方式协同工作，能够自动适应网络拓扑变化和节点故障。
•节能：由于无线传感器网络中的节点往往由电池供电，节点之间的通信和数据处理通常需要节能处理。
•大规模：无线传感器网络可以由成千上万个节点组成，能够覆盖广泛的区域。
2. 无线传感器网络架构2.1 智能传感器节点智能传感器节点是无线传感器网络中的一个关键部分，它集成了传感器、处理器、存储器和通信模块等要素。
智能传感器节点能够感知环境中的信息，并将这些信息传输给其他节点或基站。
2.2 网络拓扑结构无线传感器网络的拓扑结构分为多种类型，包括星型拓扑、网状拓扑、层次拓扑等。
不同的拓扑结构适用于不同的应用场景，可以根据实际需求选择合适的网络拓扑。
2.3 基站基站是无线传感器网络中的一个重要组成部分，它通过与传感器节点进行通信，实现对传感器网络的管理和控制。
基站通常由一台或多台计算机组成，可以用于收集、存储和处理从传感器节点传输过来的信息。
3. 无线传感器网络通信技术3.1 传感器节点通信无线传感器节点之间的通信可以通过无线电波进行传输，常用的通信技术包括Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等。
无线传感网教学课件PPT
6.1.1 基本概念和算法
（3）极大似然估计法：已知很多节点D的 相邻节点坐标以及他们到节点D的距离或 方位，使用最小均方差估计方法得到节点 D的坐标。
6.1.2 定位算法分类
(1)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
6.1.1 基本概念和算法
3.计算节点位置的基本方法 （1）三边（多变）计算法：已知平面上（空间 上）三（多）点的位置A,B,C，以及D点到 A,B,C的距离, 利用几何方法可求得D点的坐标。
6.1.1 基本概念和算法
（2）三角（多角）计算法：已知平面（空 间）三（多）点的位置A,B,C,以及D点为 角顶点，角边的端点为A,B,C的角度，可 求出D点的坐标。
6.1 定位技术简介
当前对节点定位问题的研究一般都基于以 下前提: (1)有一定比例的节点位置己知或具有GPS 定位功能，这些节点的位置可作为 定位参考点; (2)节点具有与邻近节点通信的能力; (3)节点不具有自主移动能力。
6.1 定位技术简介
人工配置每个节点的位置信息
(1)传感器网络通常部属于人类不可达的区域 (2)人工配置大量节点的位置，既容易造成人为错误，又影 响网络 的快速部署，并且还违背传感器网络的自组织原则 全球定位系统 GPS (1)成本考虑：传感器节点要求造价低廉以便于大量生产和 部署，而 GPS 接收设备成本较高 (2)传感器节点通常依靠电池供电，能量供给有限，GPS 接收设备能耗过高 (3)GPS 设备只能适用于无遮挡的室外环境，而传感器节 点可能部署于复杂环境，使得 GPS 设备难以工作。
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。
第1章无线传感器网络概述
第1章 无线传感器网络概述
1.2.2 传感器节点的限制
传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以 下一些实现的约束。 1．电源能量有限 传感器节点体积微小，通常只能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 何高效地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。
第1章 无线传感器网络概述
4．可靠性高
传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的 区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒 或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点 往往采取随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域 进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，能 适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感 器节点数目巨大，不可能人工“照顾”到每一个传感器节点， 因此网络的维护十分困难，甚至不可能。传感器网络的通信 保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取 伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒
第1章 无线传感器网络概述
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 E = k· dn 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的影响也很大。考虑诸多因 素，通常n取3，即通信消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通信距离。一般而言，传感器节点的无 线通信半径在100 m以内比较合适。
第1章 无线传感器网络概述
无线传感器网络概述
无线传感器网络概述1.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。
2.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。
3.WSN运行的环境：一、WSN可以在独立封闭的环境下（如局域网中）运行。
二、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。
4.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。
《无线传感器网络技术概论》课程标准
《无线传感器网络技术概论》课程标准无线传感器网络技术概论课程标准课程简介本课程旨在为学生提供有关无线传感器网络的技术基础知识，包括它们的设计、实现和应用。
学生将了解无线传感器网络的特点和应用领域，熟悉无线传感器网络的硬件和软件设计，并研究如何在实际问题中应用无线传感器网络。
研究目标本课程主要目标是让学生熟悉无线传感器网络技术的基本概念和应用，包括：- 理解无线传感器网络的特点、工作原理以及基本组成部分；- 熟悉无线传感器网络的硬件设计、软件设计和通信协议；- 掌握无线传感器网络应用的基本方法和实践技巧；- 能够针对特定需求设计无线传感器网络应用，并具备实际应用能力。
课程内容第一章无线传感器网络的概述1.1 无线传感器网络的概念和特点1.2 无线传感器网络的应用领域1.3 无线传感器网络的组成部分第二章无线传感器网络的硬件设计2.1 无线传感器网络的节点2.2 无线传感器网络的传感器2.3 无线传感器网络的能量管理第三章无线传感器网络的软件设计3.1 无线传感器网络的操作系统3.2 无线传感器网络的编程语言3.3 无线传感器网络的仿真软件第四章无线传感器网络的通信协议4.1 无线传感器网络的协议栈4.2 无线传感器网络的MAC协议4.3 无线传感器网络的路由协议第五章无线传感器网络应用的基本方法和实践技巧5.1 无线传感器网络应用的实验平台5.2 无线传感器网络应用的程序设计5.3 无线传感器网络应用的实际应用案例教学方式本课程采用课堂讲授、实验、讨论等多种教学方式，强调理论与实践相结合，注重学生的探究与实践能力培养。
考核方式学生的考核将包括课堂表现、实验报告、设计案例报告以及课程论文等形式。
其中，实验和设计部分的考核占主要比重。
参考书目- 《无线传感器网络技术》- 《无线传感器网络与物联网》- 《无线传感器网络的设计与实现》。
无线传感器网络课件-第一章
配
传感器节点实物示例
1.1传感器网络的常用逻辑结构图 传感器1 传感器2
传感器N
…
无线链路 无线接口 模块
监控主机
基本工作过程
(1) 传感器节点的处理器模块完成计算与控制功能，射频模块完成无线通信传输功能，传感 器探测模块完成数据采集功能，通常由电池供电，封装成完整的低功耗无线传感器网络。 (2) 网关节点只需要具有处理器模块和射频模块，通过无线方式接收探测终端发送来的数据 信息，再传输给有线网络的PC机或服务器。
1.4传感器节点的限制条件 传感器网络由数据获取子网、数据分布子网和控制管理中心三部分组成。
主要组成部分是集成了传感器、数据处理单元和通信模块的节点，节点通过协议自组织成一个 分布式网络，将采集的数据优化后经无线电波传输给信息处理中心。
传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在一些限制和约束。
通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。
应用支撑平台包括如下内容：
① 时间同步 ② 定位 ③ 应用服务接口 ④ 网络管理接口
2、传感器网络的结构 根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。 如果网络的规模较小，一般采用平面结构。如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。
二
传感器网络的发展历史
三
传感器网络的应用情况
四
传感器网络的关键技术
❖ 教学目的：掌握传感器网络的基本情况 ❖ 本章重点：基本概念、应用情况
一、什么是无线传感器网络
有基础设施网
无 线 网 络
无基础设施网
移动Ad hoc网络 无线传感器网络
有基础设施的网络
需要固定基站,如使用的手机，属于无线蜂窝网，需要高大的天线和大功率基站来支持，基 站就是最重要的基础设施； 使用无线网卡上网的无线局域网，由于采用了接入点这种固定设备，也属于有基础设施网。
无线传感器网络概论第1章 绪论
1.1 物联网与无线传感器网络 1.1.2 无线传感器网络
1. 定义
无线传感器网络综合了计算技术、通信技术及传感 器技术，其任务是利用传感器节点来监测节点周围的环 境，收集相关数据，然后通过无线收发装置采用多跳路 由的方式将数据发送给汇聚节点，再通过汇聚节点将数 据传送到用户端，从而达到对目标区域的监测。
1.3 无线传感器网络关键技术分析 1.3.1 基础服务
5. 定位技术
无线传感器网络在信息获取和处理技术方面的突破， 使其在目标跟踪、入侵监测及一些定位相关领域的应用 前景广阔。然而无论是在军事侦察或地理环境监测，还 是交通路况监测或医疗卫生中对病人的跟踪等应用场合， 很多获取的监测信息需要与位置信息相对应，因此，获 取传感器节点的位置信息是无线传感器网络领域大多数 应用的基础。
简而言之，物联网就是“物物相连的互联网”。
2. 应用领域
物联网最为明显的特征就是将物与物连接起来，在 不需要人的干预下，就可以自动对信息进行采集与处理， 具有较高的效率，降低了由于人为因素造成的不稳定性。 因此，物联网在各个行业中的应用潜力非常巨大，应用 领域也非常广泛，如智能家居、智能医疗、智能城市、 智能环保、智能交通、智能司法等等。
1.2 物联网与无线传感器网络 1.2.1 无线传感器网络的结构
3. 节点拓扑结构
无线传感器网络主要特点之一就是不需要底层的基 础设施。当在监测区域内部署传感器节点后，传感器节 点将自行组织并构成网络。
其基本节点拓扑结构可分为基于簇的分层结构和基 于平面的拓扑结构两种。
1.2 物联网与无线传感器网络 1.2.1 无线传感器网络的结构
1.3 无线传感器网络关键技术分析 1.3.1 基础服务
3. 数据融合技术
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智能终端/ 智能网关
可穿戴设备 /环境信息传感器
异构网络融合网关
Sensor Network
Antenna
Interface electronics, radio and microcontroller
Server
Soil moisture Commupnroicbaetions
barrier
Sensor field
Wireless Revolution
1st Байду номын сангаасransistor, 1947
TI REGENCY TR-1, 1955, $450 (today)
Sony TR-610, 1958
1st Integrated Circuit, ~1958
Integrated Circuit, 1963
Today ~$5
课程简介
教学安排 教师理论讲解 28学时；学生实验4学时 分组实验、教师指导
课程评分 平时表现30％ 期终考试70％
参考书目 孙利民，李建中，陈渝，朱红松著.无线传感器网络. 清 华大学出版社
PPT等
1.WSN概述： 下一代网络体系结构
感知层
蓝牙/NFC/Zigbee B2G B8GC WSMM
内容分发 网络
核心网
Spectrum 虚拟网络1 SD P o w e rE d g e 1300 slice
SDN控制器
Spectrum slice
虚拟网络2
FOUNDRY NETWORKS
1
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Link Activity
Link
Activity
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3 Link
Activity
MEMS Filters: Qs of 98,000 in vacuum, very small
Computer Revolution
Original IBM PC (1981) 4.77 MHz
16-256 KB RAM 160 KB Floppies ~ $6K (today)
~ 64 W 25 lb, 19.5 x 5.5 x 16 inch
无线传感器网络(WSN)
朱晓荣 教授 ,
课程简介
课程性质
本课程是以介绍无线传感器网络为主要内容的 理论与实验课程。
课程设置目的
在介绍无线传感器网络基本原理的基础上，借 助于“无线通信技术教学实验平台”籍演示、 实验、观察、操作、测试等，让学生对短距离 无线通信技术的基本原理、体系结构、实现方 法等有实际的感受和直接的经验。
Changes in regulation Cultural changes
Wireless devices are everywhere and people are receptive to new applications
The concept of networks are ingrained in culture Open source
Mote
Gateway
Internet
Sensor Network
Server
SWeantseorrshfiedld
Gateway
Internet
How Did We Get Here?
Advances wireless technology
MEMS, VLSI Bandwidth explosion
终端 特征
网络 网络态势
状态 感知
频谱占用
LTE small cell
LTE small cell
LTE small cell
LTE small cell
LTE small cell LTE small cell
LTE small cell LTE small cell
蓝牙/NFC/Zigbee
蓝牙 /NFC
MICAZ Mote (2005) 4 MHz
128 KB RAM 512 KB Flash
~ $35 ~14 mW 0.5 oz, 2.25 x 1.25 x 0.25
inch
Sensor Network
+
Server
Gateway
Internet
1.WSN概述：什么是无线传感器网络？
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。
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CPU 1CPU 1CPU 2 TxAct
RxAct
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Pwr Active
ServerIron 100 Console
OpenFlow 北向接口API
接纳控制
资源分配 与映射
Computer Science
Operating system theory, network theory Inexpensive compilers
Wireless Revolution
Boston central telephone station at 40 Pearl Street after the blizzard of 1881
Sensor uses electrochemical and photonic properties to perform bioanalysis
~ 5 mm
RF MEMS
Conventional LC Filters - Qs of 100-200, significant board space
Wireless Revolution
Size reduction of cellular telephones
Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS)
~ 1mm
Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS)
~ 1mm
Small Sensors
负载均衡 干扰协调
基于LTE小基站 超密集网络的研发
OpenFlow 南向接口API
高速光纤交换
社交网络
Spectrum 虚拟网络n SD P o w e rE d g e 1300
slice
移动性管 理
字节 字节
业务 速率 速率
状态 大小 大小
感知
虚
业务流
拟
资 源 管 理
终端 状态 感知 干扰图