无线传感器网络支撑技术
无线传感器网络技术概论课件：无线传感器网络体系结构
无线传感器网络体系结构
2．通信能力的约束 传感器节点的通信能力关系到传感器网络监测区域内节
点部署数量，而制约其通信能力主要有两个参数，即能量损 耗和通信距离，二者之间的关系为
E = kdn
(2-1)
式中，E为传感器节点的通信能量损耗；k为一个常数，
与传感器节点的系统构成有关；d为传感器节点的通信距离；
分别接入TD-SCDMA、GSM核心网、Internet主干网及无线 局域网络等多种类型异构网络，再通过各网络下的基站或主 控设备将传感器信息分发至各终端，以实现针对无线传感器 网络的多网远程监控与调度。同时，处于TD-SCDMA、 GSM、Internet等多类型网络终端的各种应用与业务实体也 将通过各自网络连接相应的无线传感器网络网关，并由此对 相应无线传感器网络节点开展数据查询、任务派发、业务扩 展等多种功能，最终实现无线传感器网络与以移动通信网络、 Internet网络为主的各类型网络的无缝的、泛在的交互。
(2) 汇聚节点：用于连接传感器节点与Internet 等外部网 络的网关，可实现两种协议间的转换；同时能向传感器节点 发布来自管理节点的监测任务，并把WSN收集到的数据转 发到外部网络上。与传感器节点相比，汇聚节点的处理能力、 存储能力和通信能力相对较强。
(3) 管理节点：用于动态地管理整个无线传感器网络， 直接面向用户。所有者通过管理节点访问无线传感器网络的 资源，配置和管理网络，发布监测任务以及收集监测数据。
锁相回路(PLL)、解调器和功率放大器组成，所有的这些组
件都会消耗能量。对于一对收发机来说，数据通信带来的功
耗PC的组成部分可简单地用模型描述为
PC = PO + PTX + PRX
(2-2)
无线传感器网络技术发展现状_朱红松
2009年10月 第15卷第5期 被引181次
一、无线传感器的三个阶段
智能传感器
无线智能传感器
无线传感器
智能传感器：将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅 具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力。
无线智能传感器：在智能传感器的基础上增加了无线通信能力， 大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本。
(2) 拓扑控制
• 组网模式决定了网络的总体拓扑结构，但为了实现WSN网 络的低能耗运行，还需要对节点连接关系的时变规律进行 细粒度控制。 • 目前主要的拓扑控制技术分为时间控制、空间控制和逻辑 控制3种。
(3) 媒体访问控制和链路控制
媒体访问控制(MAC)和链路控制解决无线网络中普遍存在 的冲突和丢失问题，根据网络中数据流状态控制临近节点， 乃至网络中所有节点的信道访问方式和顺序，达到高效利 用网络容量，减低能耗的目的.
无线传感器网络：则将网络技术引入到无线智能传感器中，使 得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息"协调控制 的有机结合体，实现物与物的互联。
二、无线传感器网络技术发展背景
• 1996年，美国UCLA大学的 William J Kaiser教授向DARPA 提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代 WSN(Wireless Sensor Networks)网络的序幕! • 1998年，Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释 了WSN的科学意义。 • 在其后的"+余年里，WSN网络技术得到学术界"工业界乃 至政府的广泛关注，成为在国防军事"环境监测和预报"健 康护理"智能家居"建筑物结构监控"复杂机械监控"城市交 通"空间探索"大型车间和仓库管理以及机场"大型工业园区 的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一! • 美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一， 麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的"+大 技术之一!
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
浅谈无线传感器网络【摘要】无线传感器网络(wsn)是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。
无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。
本文主要针对无线传感器网络的发展背景、组网模式、关键技术以及wsn在各个方面的应用进行阐述，对wsn进行初步的了解和学习。
【关键词】wsn 智能无线网络传感器1无线传感器网络技术发展背景1996年，美国ucla大学的william j kaiser教授向darpa提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代wsn网络的序幕。
1998年，同是ucla大学的gregory j pottie教授从网络研究的角度重新阐释了wsn的科学意义。
在其后的10余年里，wsn网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。
2无线传感器网络组网模式在确定采用无线传感器网络技术进行应用系统设计后，首先面临的问题是采用何种组网模式。
是否有基础设施支持，是否有移动终端参与，汇报频度与延迟等应用需求直接决定了组网模式。
(1)扁平组网模式。
所有节点的角色相同，通过相互协作完成数据的交流和汇聚。
最经典的定向扩散路由(direct diffusion)研究的就是这种网络结构。
(2)基于分簇的层次型组网模式。
节点分为普通传感节点和用于数据汇聚的簇头节点，传感节点将数据先发送到簇头节点，然后由簇头节点汇聚到后台。
簇头节点需要完成更多的工作、消耗更多的能量。
(3)网状网(mesh)模式。
mesh模式在传感器节点形成的网络上增加一层固定无线网络，用来收集传感节点数据，另一方面实现节点之间的信息通信，以及网内融合处理。
akyildiz l f等[1]总结了无线mesh网络的应用模式。
江苏自考 30451 无线传感器网络
高纲1353江苏省高等教育自学考试大纲30451 无线传感器网络南京理工大学编江苏省高等教育自学考试委员会办公室Ⅰ课程性质与课程目标一、课程性质和特点《无线传感器网络》是江苏省高等教育自学考试电子工程专业的必修课，是为了培养和检验自学应考者的通信工程、信息工程基本知识和基本技能而设置的一门专业课程。
无线传感器网络是集传感器技术、微电机技术、现代网络和无线通信技术于一体的综合信息处理平台，具有广泛的应用前景，是计算机信息领域最活跃的研究热点之一。
通过本课程的学习，要求学生掌握无线传感器网络的体系结构和网络管理技术，着重掌握无线传感器网络的通信协议，了解无线传感器网络的节点定位、目标跟踪和时间同步等几大支撑技术，为在基于无线传感器网络的系统开发和应用中，深入利用关键技术，设计优质的应用系统打下基础。
二、课程目标本课程主要讲授传感器网络的基本概念、基本原理与基本方法，并介绍国内外的最新技术发展和当前的研究热点。
课程设置的目标是：1.通过本课程让学生了解无线传感器网络的体系结构和网络管理技术。
2.掌握无线传感器网络中的物理层协议、MAC协议、路由协议、拓扑控制协议以及无线网络协议IEEE802.15.4等通信协议。
3.了解无线传感器网络的节点定位、目标跟踪和时间同步等几大支撑技术。
4.掌握基于无线传感器网络的智能应用的基本设计方法，掌握其软硬件开发平台和仿真环境的使用。
三、与相关课程的联系与区别本课程的先修课程为《通信原理》、《计算机网络技术》Ⅱ考核目标用学科化的语言对三个或四个认知层次予以表述。
以《物理（工）》课程为例：本大纲在考核目标中，按照识记、领会、简单应用和综合应用四个层次规定其应达到的能力层次要求。
四个能力层次是递升的关系，后者必须建立在前者的基础上。
各能力层次的含义是：识记（Ⅰ）：要求考生能够识别和记忆本课程中有关物理概念及规律的主要内容（如定义、定理、定律、表达式、公式、原理、重要结论、方法及特征、特点等），并能够根据考核的不同要求，做正确的表述、选择和判断。
物联网的关键技术无线传感器网络
物联网的关键技术无线传感器网络物联网的关键技术：无线传感器网络摘要：物联网的发展推动了无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）的快速发展，成为物联网的重要支撑技术之一。
本文将围绕无线传感器网络的概念、架构、节点设计与通信协议等方面进行探讨，并阐述在物联网中无线传感器网络的关键技术。
一、无线传感器网络的概念无线传感器网络是一种由大量分布式传感器节点组成的网络系统，节点之间通过无线通信进行数据传输。
每个传感器节点通常由传感器、嵌入式处理器、电源和通信模块等组成，能够感知和采集环境中的各种信息，并将数据传输至网络中。
二、无线传感器网络的架构无线传感器网络的架构一般包括传感器节点、中继节点、基站节点等。
传感器节点负责采集环境数据，并通过无线通信将数据传输至中继节点。
中继节点对数据进行处理和转发，将数据传输至基站节点。
基站节点负责数据的接收与处理，并可以与外界网络进行通信。
三、无线传感器网络的节点设计1. 能源管理：由于无线传感器节点通常采用电池供电，节点应具备低功耗特性。
节点设计中应考虑功耗优化技术，如睡眠模式、动态功率管理等，以延长传感器节点的工作寿命。
2. 传感器选择：根据应用需求选择合适的传感器，如温度传感器、湿度传感器、光照传感器等。
同时，还需考虑传感器的精确度、功耗、可靠性等指标。
3. 硬件设计：节点的硬件设计应满足小尺寸、低功耗的要求。
采用先进的制造工艺和集成电路设计，以提高性能并降低节点成本。
四、无线传感器网络的通信协议1. 网络层协议：常用的网络层协议包括LEACH、PEGASIS、SEP 等。
这些协议通过节点选择、数据聚合等技术，提高了传感器网络的能效和可扩展性。
2. 传输层协议：传输层协议用于数据的可靠传输。
常用的传输层协议有RTP、UDP、TCP等。
根据应用需求选择合适的传输层协议，以保证数据的可靠性和实时性。
五、无线传感器网络在物联网中的应用无线传感器网络在物联网中具有广泛的应用前景，包括智能家居、智慧城市、环境监测、农业领域等。
无线传感器网络与RFID技术复习题样本
无线传感器网络与RFID技术复习题一、填空题1.传感器网络三个基本要素: 传感器、感知对象、观测者（顾客）。
2.无线通信物理层重要技术涉及: 介质选取、频段选取、调制技术和扩频技术。
3.无线传感器网络特点: 大规模网络、自组织网络、可靠网络、以数据为中心网络、应用有关网络。
4、无线传感器网络核心技术重要涉及: 网络拓扑控制、网络合同、时间同步、定位技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术等。
5.传感器节点由传感器模块、解决器模块、无线通信模块和能量供应模块四某些构成。
6.无线传感器网络构成模块分为: 通信模块、传感模块、计算模块、存储模块和电源模块。
7、传感器网络支撑技术涉及: 时间同步、定位技术、数据融合、能量管理、安全机制。
8、传感器节点通信模块工作模式有发送、接受和空闲。
9、传感器节点能耗重要集中在通信模块。
10、当前传感器网络应用最广两种通信合同是: zigbee、IEEE802.15.4。
11.ZigBee重要界定了网络、安全和应用框架层, 普通它网络层支持三种拓扑构造: 星型(Star)构造、网状（Mesh）构造、簇树型（Cluster Tree）构造。
12.依照对传感器数据操作级别, 可将数据融合技术分为如下三类: 特性级融合、数据级融合、决策级融合。
13、信道可以从侠义和广义两方面理解, 侠义信道（信号输出媒质）, 分为（有线信道和无线信道）；广义信道（涉及除除传播媒质还涉及关于转换器）广义信道按照功能可以分为（模仿信道）和（数字信道）。
14.无线传感器网络可以选取频段有: 868MHZ、915MHZ、2.4GHZ、5.8GHZ。
15、无线通信物理层重要技术涉及: 介质选取、频段选取、调制技术和扩频技术。
16.IEEE 802.15.4原则重要涉及: 物理层和MAC层原则。
17、传感器网络中惯用测距办法有: 到达时间/到达时间差(ToA/TDoA)、接受信号强度批示(RSSI)、到达角(AoA)。
物联网中的无线传感器网络设计与优化研究
物联网中的无线传感器网络设计与优化研究随着物联网技术的快速发展，无线传感器网络（WSN）作为支撑物联网的基础设施之一，正成为越来越重要的研究领域。
无线传感器网络的设计和优化对于物联网系统的可靠性、能耗、安全性等方面具有重要影响。
本文将对物联网中的无线传感器网络设计与优化进行研究。
首先，无线传感器网络设计的关键问题之一是拓扑结构的选择。
WSN的拓扑结构决定了节点之间的通信方式和路径，直接影响到网络的传输效率和能耗。
常见的拓扑结构包括星型、树形、网状等。
星型拓扑结构具有简单、易于维护和扩展等优点，适用于小范围的应用环境。
然而，对于大规模的传感器网络，树形或网状拓扑结构更具优势。
因此，在无线传感器网络的设计中，需要根据实际应用场景和需求选择合适的拓扑结构，以实现网络的高效通信和能耗控制。
其次，对传感器节点的部署和定位也是无线传感器网络设计的重要问题。
合理的节点部署和定位能够实现节点之间的充分覆盖和节点通信质量的保证。
传感器节点的密度和定位策略应根据具体应用领域和需求进行优化。
例如，在农业领域，需要对农田进行均匀覆盖和监测，可以采用网状拓扑结构和均匀分布的节点。
而在工业领域，需要对设备进行实时监测和故障诊断，可以采用树形拓扑结构和聚集部署的节点。
因此，在设计无线传感器网络时，需要综合考虑应用需求、通信质量和能耗等因素，优化节点的部署和定位策略。
另外，对无线传感器网络中的能耗进行优化也是一项重要的研究课题。
传感器节点往往处于分布式环境中且能源有限，因此如何降低节点的能耗以延长网络寿命是无线传感器网络设计中的关键问题。
一种常见的能耗优化方法是节点的休眠和唤醒机制。
节点在非活跃状态下降低能耗，只在特定事件发生或指定时间间隔后唤醒进行数据采集和通信。
此外，节点间的协同处理和数据压缩也能减少通信开销和能耗。
通过合理设计能耗优化策略，可以提高无线传感器网络的能效和寿命。
此外，无线传感器网络的安全性也是设计与优化的重要方面。
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1. WSN定位概述-定位的应用领 域 ① 导航：了解移动物体在坐标系中的位置，
指导移动物体成功到达目的地的工作
② 跟踪：系统实时地了解物体所处位置和移 动的轨迹
③ 网络路由：优化的路由可以提高系统性能、 安全性，节省宝贵的电能
④ 基于位置的服务（LBS, Location Based Service） ：新的增值服务、应用广泛
• 首先求解O1以及O2、O3坐标，然后转换为三边测量法
A (x1, y1) r1
M (x0, y0)
O1(xo1, yo1)
B(x2, y2)
C (x3, y3)
(xo1 x1)2 ( yo1 y1)2 r1 (xo1 x3 )2 ( yo1 y3 )2 r1
(x1 x3 )2 ( y1 y3 )2 2r12 (1 cos )
无线传感器网络支撑技术
• 定位 • 时间同步 • 数据融合
内容提要
1. WSN定位概述 2. 基于测距（range-based）的定位技术 3. 无需测距（range-free）的定位技术 4. 典型定位系统 5. 展望
1. WSN定位概述
① 什么是定位？ ② 定位的应用领域 ③ 定位的技术指标 ④ 定位系统的设计要点 ⑤ 定位服务的标准化
1. WSN定位概述-定位的技术指 ① 最重要的指标，标指定(1位)系统提供的位置信息
的精度。
✓ 绝对精度指以长度为单位度量的精度。
✓ 相对精度，通常以节点之间距离的百分比来定义。
② 覆盖范围是另一个重要指标，它和定位精度 是一对矛盾。
超声波 Wi-Fi和蓝牙 GSM系统
精度 分米级 3米 100米
AO1C的角度 (2 2AMC)
r1: 基于A、M、C三点的外接圆的半径
O1:基于A、M、C三点的外接圆的圆心
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极大似然估计法
• 已知1、2、3等n个节点的坐标，及它们到节 点D到距离，确定节点D的坐标；
• 最小均方差估计算法；
定位算法的分类
• 根据定位过程中是否需要测量实际节点 间的距离，把定位算法分为：
覆盖范围 十多米 100米 公里级
1. WSN定位概述-定位的技术指
代价
标(1)
✓ 定位系统或算法的代价包括时间代价、空间代价 和成本代价等方面。
✓ 时间代价主要考虑一个定位系统或算法的安装、 配置或定位时间等因素；
✓ 空间代价主要考虑一个定位系统或算法所需的 基础设施、网络节点数量或系统硬件尺寸等因 素；
① 定位系统往往是订制系统，没有统一的 标准
① GPS系统，事实标准…但其它定位系统也正 在发展
② E-911，2019年美国联邦通信委员会（FCC） 制定的移动运营商（紧急救援）提供的基站 定位服务标准
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定位算法的特点
• 自组织性：传感器节点通常价格低廉， 难以大量配备GPS接收机等定位装置，需 要基于无线网络的自组织协同定位；
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三边测量算法（Trilateration）
• 已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到
节点D的距离，确定节点D的坐标为；
d1 (x1 x)2 ( y1 y)2 d2 (x2 x)2 ( y2 y)2 d3 (x3 x)2 ( y3 y)2
A (x1, y1)
D d1 (x, y)
✓ 成本代价则主要考虑实现一种定位系统或算法 的基础设施和节点设备的总费用。
1. WSN定位概述-定位的技术指 ① 刷新速度是提标供位(2置) 信息的频率。
–
比如GPS每秒钟刷新1次
– 影响定位服务的实时性和精度
② WSN相关的指标
✓ 功耗，WSN是功耗受限制的
✓ 带宽，协议栈开销+数据的有效载荷
• 健壮性：节点测量数据常常有误差，定 位算法需具有良好的容错性；
• 能量高效：算法计算复杂度要小、通信
相关术语
• 信标节点(anchor)和未知节点 • 邻居节点 • 跳数、跳段距离(Per-hop distance) • 基础设施 • 到达时间、到达时间差 • 接收信号强度指示(RSSI) • 到达角度 • 视线关系(LOS)、非视线关系(NLOS)
C (x3, y3) d3
d2
x
y
2
( x1 ( x2
x3 ) x3 )
( y1 y3) ( y2 y3)
1
x12 x22
x32 x32
பைடு நூலகம்
y12 y22
y32 y32
d12 d 22
d32 d32
B(x2, y2)
三角测量算法（Triangulation）
• 已知A、B、C三个节点的坐标，节点M相对于节点A、B、C的角度，确定 节点M的坐标；
✓ 节点密度，节点密度要求越高，单次定 位的通信开销越大，消耗的电能越多。
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1. WSN定位概述-定位系统的设 计要点
① 两个主要因素：
① 定位机制的物理特性（如：时间同步、传 播特性）
② 相应的算法
② 其他设计要求：
① 节点密度 ② 扩展性 ③ 鲁棒性的要求
1. WSN定位概述-定位服务的标 准化
– 基于测距的（range-based）定位
• 利用测量节点间实际距离或方位计算未知节点位 置；
– 测距无关的（range-free）定位
• 利用节点间的估计距离计算未知节点位置 ； • 利用特征进行位置关联 • 不需要直接测量节点间距离
内容提要
1. WSN定位概述 2. 基于测距（range-based）的定位技术 3. 无需测距（range-free）的定位技术 4. 典型定位系统 5. 展望
1. WSN定位概述-什么是定位？
① 定位就是确定位置。
② 定位的两种意义：
✓ 一种是确定自己在系统中的位置； ✓ 一种是系统确定目标在系统中的位置。
③ 位置信息的类型：
✓ 物理位置指目标在特定坐标系下的位置数值， 表示目标的相对或者绝对位置。
✓ 符号位置指在目标与一个信标或者多个信标临 近程度的信息，表示目标与基站之间的连通关 系，提供目标大致的所在范围。
✓ 也称“归属定位”
WSN定位机制的重要性
• 定位机制是WSN的基本机制 – 没有位置信息的检测消息是没有意义的； – 应用：战场侦察、目标跟踪、入侵检测、灾难预报等
• 节点定位是定位机制的基础 – 随机部署的网络，需要首先确定传感器节点位置； – 只有节点定位以后，才能确定节点检测事件的位置；
• 定位的其他用途 – 报告事件发生的地点 – 目标跟踪和定位 – 协助路由/网络管理 – 物品/财产/医疗设备/固定资产的定位与跟踪