无线传感器网络技术

WSN的网络协议层次（1/3）
图4 WSN协议栈示意图
WSN的网络协议层次(2/3)
物理层提供简单健壮的信号调制和无线收发技术； 数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制； 网络层主要负责路由生成与路由选择； 传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要 部分 应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件； 能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层 都需要考虑节省能量； 移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节 点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置 任务管理平台在一个给定的区域平衡和调度监测任务。
穿戴有数据衣等感知设 备的人体感知到人体状 况异常时，会向房间内 的节点发出信号。
WSN体系结构(5/5)
感测对象是观察者感兴趣的区域（Region of Interest，RIO），诸如坦克、飞机、动物、有害 物质等物体。一般通过物理现象、化学现象或者 其它现象的数字量来进行表征。 观察者是WSN的终端用户，是感测信息的接收者 和使用者。既可以是人、计算机或者其它外部设 备。
WSN的特点及优势(1/7)
WSN并不非简单地理解为利用无线通信方式对多 个传感器节点进行组网，它具有本身的特性及优势 1、网络规模大（节点数量多）
例如：对森林、草原进行防火监测、野生动物活动情况 监测、环境监测往往要布置大量的无线传感器节点，布设 范围也往往超过一般的局域网范围。 布置大量的无线传感器节点的优点： [1]提高整体监测的精确度。 [2]降低对单个节点的精度要求。 [3]大量冗余节点的存在使得系统有较强的容错性能。
WSN的特点及优势（7/7）
WSN采用微型传感器节点采集信息，各节点间 具有自组织和协同工作能力，网络内部采用无线 多跳通信方式，与传统的SN相比具有以下优势： 1、精度高；实现单一传感器无法实现的密集 空间采样及近距离监测； 2、灵活性强：一经部署无需人为干预； 3、可靠性高：可以避免单点失效问题； 4、性价比高：降低有线传输成本，随着微机 电系统技术的发展，传感器成本低。
WSN的特点及优势(5/7)
5、应用相关性 互联网上传递的信息是五花八门的，但是无线传 感器网络传递的信息与所关心的物理量密切相关 。 不同的应用背景对无线传感器网络的需求不同。 最终导致其硬件平台、软件系统甚至网络协议都 不同。所以在无线传感器网络中很难找到一种统 一的通信协议平台。 为了实现高效率，往往要针对一个具体应用来研 究无线传感器网络技术。
WSN应用领域及实例分析(2/19)
（2）紧急和临时场合 当遭受自然灾难打击后，固定的通信 网络设施可能被全部摧毁或者无法正常工 作；边远或偏僻野外地区、植被不能破坏 的自然保护区，无法采用固定或预设的网 络设施通信。这些情况，都可以利用WSN的 快速展开和自组织特点来解决。
WSN应用领域及实例分析(3/19)
现代 阶段
研究向节点微型化和网络实用化方 向迈进，微机电技术，偏上系统和 自组织网络技术，是研究走向深入 的技术基础。
WSN起源及国内外研究现状(3/3)
国内： 近年来，在中国国家自然科学基金、国家 “863”计划基金的支持下，中国 的一些研究机 构也开始开展无线传感器网络领域的研究，包括 中国科学技术大学、清华大学、中科院计算所、 上海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智能所等 研究单位。 国务院颁布的《国家中长期科学与技术发展 规划纲要》中将智能感测技术和自组织网络技术 列为信息技术三个前进方向中的两个，足见国家 对它的重视。
Hale Waihona Puke Baidu
WSN的特点及优势(2/7)
2、自组织网络 与局部网的布设不同，无线传感器节点的位置布 设前不能事先确定（飞机撒布、人员随机布设） ，节点之间的相互邻居关系也不能事先确定。 要求：无线传感器节点具有自组织能力，能够自 动进行配置管理。 实现方法：通过拓扑控制机制和网络路由协议自 动形成能够转发数据的多跳无线网络系统。
（3）环境监测 比如：农田灌溉情况监控、土壤成分 监测、环境污染情况监测、森林火灾报警 、水情监测、气温监测、光照时间数据的 采集等许多场合。 （4）医疗护理 包括：患者生理数据采集、医疗器材 的管理、药品的发放以及关键人员的跟踪 、定位等等。
WSN应用领域及实例分析(4/19)
（5）智能家居
在家电和家具中嵌入WSN的传感器节点，并与互联网 连接在一起。可以为人们提供更加舒适、方便、更具人性 化的家居环境。在智能家居领域过去是使用“蓝牙”技术 。但是“蓝牙”的缺陷在于： [1]通信距离比较近（10M）。 [2]与传感器的连接不是很方便。 所以在智能家居领域“紫蜂”技术正在逐渐取代 “ 蓝牙”技术。蓝牙：IEEE802.15项目组1号协议。（ BlueTooth）紫蜂：IEEE802.15项目组4号协议。（ZigBee ）
WSN应用领域及实例分析(11/19)
精细农业
智能家居
种植
厂房设备及 环境监控
医院病房
电子巡检
WSN应用领域及实例分析(12/19)
大棚基地
备注：
传感器节点 农田 无线信道
大棚基地
仓库 仓库
大棚基地
大棚基地
大棚基地
公司总服务器
大棚基地
大棚基地
农场监控端 Internet
大棚基地
WSN应用领域及实例分析(13/19)
WSN应用领域及实例分析(5/19)
（6）工业监控
许多工厂内部有许多参数需要监测，过去由于信号线 难于布设，所以监测起来很困难。 比如：化工、石油、电力、机械加工、纺织印染等行 业。采用WSN技术可以很方便的进行监测。 电力行业：电力塔安全的监测。
WSN应用领域及实例分析(6/19)
应用实例： 精细农业 种植 智能家居
引言(2/2)
WSN典型工作方式如下：使用飞行器将大量节点抛撒到 感兴趣区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节 点既是信息的采集和发出者，也充当着信息的路由者，采 集的数据通过多跳路由到达网关。网关也是一类特殊的节 点，可以通过Internet、移动通信网络、卫星等与监控中 心通信。 目前WSN尚处于研究阶段，为了加快其实用化进程，国 外建设了很多演示系统，相关的理论研究成果也很多。近 年来，国内一些科研院所和高校也开展了WSN理论和应用 的研究。
图2 传感器节点的一般结构
WSN体系结构(3/5)
图3 传感器节点的具体产品
WSN体系结构(4/5)
根据无线传感器网络节点示意图可以看出： 无线传感器网络节点实际是一个微型嵌入式系统 。 特点： [1]电源能量有限：电池供电、难于更换。 [2]通信能力有限：距离小于100M；速率小于1， 000kbps [3]计算处理能力有限：处理器能力弱、存储容量 小。
WSN应用领域及实例分析（1/19）
应用领域： 由于WSN的特殊性，其应用领域与普通通信网 络有着显著的区别，主要包括以下几类： （1）军事应用 利用WSN可以快速部署、自行组织网络、隐蔽性 强、高容错性的特点。可以在战场上广泛应用。 包括：对敌军兵力、武器的监测、战场实时监视 、目标定位与锁定、战果评估等等。美军已经在 伊拉克、阿富汗等地广泛的使用了WSN技术。
初期 阶段
20世 纪70 年代
DSN对SN进行了技术规范和定义， 并对一些基础技术进行研究，包括 网络OS、网络传感器技术、信息处 理技术、基于知识的信号处理技术 、信号跟踪技术
WSN起源及国内外研究现状(2/3)
时间 代表项目 技术总结
近代 阶段
20世 纪 8090年 代中 期
20世 纪90 年代 末期 开始
WSN体系结构（1/5）
WSN是一种分布式网络系统，采用无线多跳 的通信方式，其网络拓扑结构动态变化，具有自 组织、自控制以及自适应等智能属性。有传感器 节点、感知对象和观察者三个基本要素组成。
Internet、 卫星或移动 通信网
Sink
检测区域
终端 用户
图1 WSN体系结构
传感器节点
WSN体系结构(2/5)
WSN的特点及优势(6/7)
6、以数据为中心 在互联网中终端、主机、路由器、服务器等设备都有自己的IP地 址。想访问互联网中资源，必须先知道存放资源的服务器的IP地 址。所以互联网是一个以地址为中心的网络。 而无线传感器网络是任务型网络。在WSN中，节点虽然也有编号 。但是编号是否在整个WSN中统一取决于具体需要。另外节点编 号与节点位置之间也没有必然联系。 用户使用WSN查询事件时，将关心的事件报告给整个网络而不是 某个节点。许多时候只关心结果（数据）如何，而不关心是哪个 节点发出的数据。
农场监控中心实时监控农 场信息，耕作者及时了解 农场温度、光照度、土壤 酸碱度等，以便对农作物 的生长情况进行控制。
WSN应用领域及实例分析(14/19)
精细农业 种植
智能家居
厂房设备及 环境监控
医院病房
电子巡检
WSN应用领域及实例分析(15/19)
监测节点
WSN应用领域及实例分析(16/19)
WSN的网络协议层次(3/3)
图5 WSN网络协议拓扑图
[1]时间同步和定位子层协议 依赖于数据传输控制层进行定位和时间同步。同时又为路由等几层协 议提供支持。 [2]能量管理 在各个层次之中都要增加能量控制代码。
WSN起源及国内外研究现状（1/3）
表1 WSN发展表
时间 代表项目 技术总结
早期 阶段
WSN的特点及优势(3/7)
3、动态性网络 无线传感器网络的拓扑结构经常改变。原因： [1]被动改变 1）传感器节点电能耗尽。 2）环境变化造成通信故障。 3）传感器节点本身出现故障。 [2]主动改变 1）增加新节点。 2）根据路由算法的优化做出的改变。
WSN的特点及优势(4/7)
4、可靠性强 [1]传感器节点本身硬件结构可靠 布设时：可能通过飞机撒布、炮弹（火箭）发射 布设。 工作时：风吹、日晒、雨淋。严寒、酷暑。 维护性：维护十分困难（几乎不可能）。 [2]网络结构可靠 自组织、动态性保证基本的信息传输正常。 [3]软件可靠 鲁棒性强。 [4]信息保密性强
厂房设备及 环境监控
医院病房
电子巡检
WSN应用领域及实例分析(7/19)
WSN应用领域及实例分析(8/19)
在病人身上安装带 有射频标签的微型 无线传感器，动态 感知病人信息。
WSN应用领域及实例分析(9/19)
病房外的医生 携带PDA等通 讯设施。
WSN应用领域及实例分析(10/19)
得知病人病情后， 医生将通知值勤护 士或者急救人员前 往病房救助。
20世 纪5060年 代
1、SOSUS声音监控系统， 美国军用系统，基于海底 声音传感器阵列的监视系 统，用来跟踪前苏联潜艇 活动 2、AWACS，美国军用航空 监控系统。
DSN分布式传感器网络， 美国资助的分布式声音跟 踪系统，用于飞行器的监 视和入侵检测。
这个时期进行的一些基础性研究工 作比如对信息处理技术等的研究， 为无线传感器网络技术的发展，打 下了良好的基础
CEC（Cooperative Engagement Capability ），美国海军项目，利用 海基和空基雷达系统对空 中目标进行跟踪和定位。
Smart Dust，美国Dust Inc公司同加州大学伯克 利分校的合作项目，致力 于微型低功耗节点的自组 网研究。
这个阶段的技术，特别是大规模集 成电路制造技术、计算机技术和通 信技术等，都取得了长足的进步， 直接推动了WSN研究的发展。
无线传感器网络技术综述
L/O/G/O
目录
1 2 3 4 5 6 7 8
引言 WSN体系结构 WSN的特点及优势 WSN网络协议层次 WSN起源及国内外研究现状
WSN应用领域及实例分析
WSN应用存在的问题及研究热点 参考文献
[1] 、 [3] 引言 （1/2）
近年来，随着传感器、计算机、无线通信及微机电等技 术的发展和相互融合，产生了无线传感器网络（WSN， wireless sensor networks）。WSN技术与当今主流无线网 络技术使用同一个标准-802.15.14，它是指由大量的廉价 微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个自组 织的网络系统。可应用于布线和电源供给困难的区域、人 员不能到达的区域和一些临时场合等。不需要固定网络支 持，具有快速展开、抗损坏性强等特点，可广泛应用于军 事、工业、交通、环保等领域，引起了人们广泛关注。