无线传感器网络系
无线传感器网络技术内容
第一章物联网：通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
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。
无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点。
典型的无线传感器网络结构包括哪几部分？一般情况下由以下四个基本单元组成：数据采集单元、控制单元、无线通信单元以及能量供应单元。
无线传感器网络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选择题：无线传感器网络可实现数据的采集量化，处理融合和传输应用，具有无线自组织网络的移动性、电源能力局限性，规模大、自组织性、动态性、可靠性、以数据为中心等等。
第2章无线传感器网络物理层的传输介质主要包括电磁波和声波。
无线电波、红外线、光波等负责使在两个网络主机之间透明传输二进制比特流数据成为可能，为在物理介质上传输比特流建立规则，以及在传输介质上收发数据时定义需要何种传送技术。
无线传感器网络物理层接口标准对物理接口具有的机械特性、电气特性、功能特性、规程特性进行了描述。
作为一种无线网络，无线传感器网络物理层协议涉及传输介质以及频段的选择、调制、扩频技术方式等，同时实现低能耗也是无线传感器网络物理层的一个主要研究目标。
IEEE 802.15.4 该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为关键目标，旨在个人或者家庭范围内不同设备之间建立统一的低速互连标准。
有16个信道工作于2.4GHz ISM频段，2.4GHz频段提供的数据传输速率为250kb/s，对于高数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合更加适用有1个信道工作于868MHz频段以及10个信道工作于915MHz频段。
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)
无线传感器网络名词解释
无线传感器网络名词解释1、无线自组织网络：是一种不同于传统无线通信网络的技术传统的无线蜂窝通信网络，需要固定的网络设备如基地站的支持，进行数据的转发和用户服务控制。
而无线自组织网络不需要固定设备支持，各节点即用户终端自行组网，通信时由其他用户节点进行数据的转发。
这种网络形式突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署，适合于一些紧急场合的通信需要，如战场的单兵通信系统。
2、无线传感器网络WSN无线传感器网络就是由部署在监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，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。
传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素3、基带信号：信源（信息源，也称发送端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。
根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号（相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。
）其由信源决定。
4、模拟调制：调制在通信系统中的作用至关重要。
广义的调制分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。
在无线通信中和其他大多数场合，调制一般均指载波调制。
调制信号是指来自信源的消息信号（基带信号），这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。
调制方式有很多。
根据调制信号是模拟信号还是数字信号，载波是连续波（通常是正弦波）还是脉冲序列，相应的调制方式有模拟连续波调制（简称模拟调制）、数字连续波调制（简称数字调制）、模拟脉冲调制和数字脉冲调制等。
5、数字调制：数字调制是现代通信的重要方法，它与模拟调制相比有许多优点。
数字调制具有更好的抗干扰性能，更强的抗信道损耗，以及更好的安全性；数字传输系统中可以使用差错控制技术，支持复杂信号条件和处理技术，如信源编码、加密技术以及均衡等。
在数字调制中，调制信号可以表示为符号或脉冲的时间序列，其中每个符号可以有m种有限状态，而每个符号又可采用n比特来表示。
无线传感网络
无线传感网络无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络。
是由部署在监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。
WSN中的传感器节点通过无线方式通信，网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。
且在科技水平大幅度提高的基础上传感器节点的成本和能耗也逐渐降低，使得WSN在很多领域得到应用。
最早现代意义上的传感器是1879年德国科学家霍尔在研究金属的导电机制时制作的磁场传感器。
经过100多年的发展，传感器的功能不再单一，可以采集温度、湿度、位置、光强、压力、生化等标量数据。
1996年，美国军方资助加州大学洛杉矶分校（UCLA）等单位开展低功耗无线传感器网络（Low-power Wireless Integrated Microsensors，LWIM）的研究。
LWIM III型无线传感器节点将传感器、控制电路与电源电路集成为一体。
两年之后，UCLA与Rockwell合作，开发了Rockwell WINS（Wireless Integrated Network Sensor）无线传感器节点。
该节点使用32位微处理器Strong ARM、1MB的内存与4MB的闪存，数据传输速率是100kbps，工作时的功耗为200mw，睡眠时的功耗是0.8mw。
与此同时，加州大学伯克利分校（UCB）也开展了“Smart Dust”（智能尘埃）项目的研究。
“智能尘埃”意指传感器节点的体积非常小，如尘埃一般。
该项目研究的目标是通过MEMS技术，实现传感、计算与通信能力的集成，用智能传感器技术增强微型机器人的环境感知与智慧处理能力。
其研究任务是开发一系列低功耗、自组织、可重构的无线传感器节点。
1998年研制的WeC智能传感器节点使用的是8位、主频为4MHz的AT90LS8535微处理器芯片，内存是512B，闪存为8kB，数据传输速率为10kbps，工作时的功耗为15mw，睡眠时的功耗是45μw。
无线传感器网络体系结构
Internet、卫星或移动 通信网络等
任务管理中心
汇聚节点
监测区域 传感器节点
无线传感器网络物理体系结构
传感器节点包括 （1）数据采集模块 （2）处理控制模块 （3）无线通信模块 （4）能量供应模块
Internet、卫星或移动 通信网络等
任务管理中心
汇聚节点
监测区域 传感器节点
无线传感器网络物理体系结构
外部网络 （UAV、卫星通信
网、互联网等）
观测节点
目标
远程任务管理
用户
数据传输或 信令交换
传感器节点
感知现场
体系结构概述
观测节点（汇聚节点）的各方面能力相对于上述节点群而言相对比较强，具有双重 身份。它连接传感器网络、Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转 换。同时发布管理点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。通常假设观 测节点能力较强，资源充分或可补充。观测节点有被动触发和主动查询两种工作模 式，前者被动地由传感节点发出的感兴趣事件或消息触发，后者则周期扫描网络和 查询传感节点，较常用。
的目标信息。
外部网络 （UAV、卫星通信
网、互联网等）
观测节点
目标
远程任务管理
用户
数据传输或 信令交换
传感器节点
感知现场
体系结构概述
传感器节点具有原始数据采集、本地信息处理、无线数据传输及与其它 节点协同工作的能力，这些节点群随机部署在监测区域 内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。
外部网络 （UAV、卫星通信
应用层
表示层
会话层
OSI参考模型
传输层 网络层
数据链路层
物理层
开放式系统互联（OSI）协议参考模型
《无线传感器网络》课件
能耗问题
总结词
无线传感器网络的能耗问题是制约其发展的 关键因素之一。
详细描述
由于无线传感器网络中的节点通常由电池供 电，而电池寿命有限，因此如何降低能耗， 延长节点寿命是亟待解决的问题。此外，在 某些应用场景中，频繁更换电池或充电会给
维护带来困难和成本增加。
标准化问题
总结词
无线传感器网络的标准化问题涉及到不同厂商和应用 的互操作性问题。
开发工具包括硬件开发工具和软件 开发工具，硬件开发工具用于开发 传感器节点硬件电路板，软件开发 工具用于编写、调试和测试应用程 序代码。
03
无线传感器网络的通信协议
MAC协议
信道分配
MAC协议负责无线信道的分配，确保节点 间的通信不会发生冲突。
能量效率
MAC协议应考虑能量效率，避免过多的空 闲监听和数据重传。
动态环境适应性
路由协议应能适应网络拓扑的变化和 节点的动态加入/离开。
能量感知协议
能量管理
能量感知协议旨在有效地管理节点的能量，延长网络的生命周期。
节能技术
采用诸如功率控制、休眠机制等节能技术来降低能耗。
负载均衡
通过均衡节点的负载来降低能耗，避免某些节点过早耗尽能量。
能量预测
利用历史数据预测节点的剩余能量，优化路由和任务分配。
06
无线传感器网络的挑战与展望
安全性问题
总结词
无线传感器网络面临多种安全威胁，如数据 窃取、恶意攻击、篡改等。
详细描述
由于无线传感器网络中的节点通常部署在无 人值守的环境中，因此容易受到攻击者的窃 听、干扰和恶意篡改。攻击者可能通过截获 节点间的通信数据，获取敏感信息，或者对 网络进行破坏，导致网络瘫痪或数据传输错 误。
无线传感器网络技术
2.3
2.4
无线传感器网络操作系统
无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络中间件软件 面向多类型网络的无线传感器网络接入技术
2.5 2.6
2.2.1 无线传感器网络硬件设备概述
在无线传感器网络中，传感器节点既要实现数据采集和处 理转化，又要实现数据的融合和路由，并对本身采集的数据和 收到的其他节点发送的数据进行综合，转发回监控终端。
• 低能耗； • 实时性；
• 低成本；
• 安全和抗干扰； • 协作。
2.1.7 无线传感器网络的主要应用领域
生活习性监测 地震监测
战场评估
医疗状况监控
无线传感器网络
精细农业 深海监控
目标跟踪和检测
森林火灾监控
小区安全监控
第二章 无线传感器网络技术
2.1 无线传感器网络的基本概念 2.2 无线传感器网络硬件基础
移 动 管 理 平 台
拓 扑
网 络 管 理
（a）
（b）
图2-2无线传感器网络协议栈
2.1.3 无线传感器网络基本特点 传统的无线网络和 MANET网络
无线传感器网络
以传输数据，完成通信为目 的，中间节点仅负责分组数据 的转发，通常节点具有持续的 能量供给。他们注重在高度移 动的环境中通过优化路由和资 源管理策略，最大化带宽利用 率，同时提供高性能的服务质 量QoS(Quality of Service)。
2.2.5 无线传感器网络硬件开发套件
• 图像音频传感器的核心处理器为 Mega128，可以采用 JTAG ICE仿真 器进行仿真。 • 图像传感器的辅处理器为Tiny12，可 以采用stk500与之通信。 • 视频传感器的核心处理器为 i.MX27 ，开发板的flash中已经配臵好嵌入式 Linux。
无线传感器网络
• 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
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。
测距方法
• 基于距离的节点定位算法定位精度相对较高，但由于要实 际测量节点间的距离或角度，所以通常硬件要求也较高。 典型的距离测量技术包含利用 RSSI 测距、利用 TOA 或 TDOA 测距和利用 AOA 测距
• 第五，无线传感器网络具备有很强容错能力 • 第六，由于无线传感器网络节点的体积和所携带 能量有限的限制，这些限制决定了传感器节点只 能具备有限的计算和存储能力还有相对距离较短 的通信能力 • 第七，无线传感器网络节点无中心，无线传感器 网络中的传感器节点无严格的控制中心所有的节 点都是地位平等，加入和离开节点都是随意的没 有严格的限制条件
拓扑控制的研究方向
• WSN中拓扑控制可以分为两个研究方向：功率控制和层次 拓扑结构控制。 • 功率控制机制调整网络中每个节点的发射功率，保证网络 连通，在均衡节点中直接邻居数目(单跳可达邻居数目)的 同时，降低节点之间的通信干扰。 • 层次拓扑控制是利用分簇思想，使网络中的部分节点处于 激活状态，成为簇头节点。由这些簇头节点构建一个连通 的网络来处理和传输网络中的数据，并定期或不定期地重 新选择簇头节点，以均衡网络中节点的能量消耗。
传感器节点的限制
• 感知数据流无限
– 传感器网络每个传感器都产生无限 的流式数据，并具有实时性 – 每个传感器仅具有有限的存储器和 计算资源，难以处理巨大的实时数 据流
传感器节点的限制 • 以数据为中心
– 传感器网络不是通常的网络
• 用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件
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入人体器官中或吞服的方式进入人体用来随时观测器官的生理状态。
（4）智能家居
在家电和家居中嵌入WSN的传感器节点，并与互联网连接在一起。可以提供 更舒适、方便、更具人性化的家居环境。如下班前遥控家里的电饭锅、微波炉、 电话机、空调等按照自己的意愿完成相应的工作。 （5）工业应用 可以用于车辆的跟踪、机械故障诊断、生产过程监控等。如将WSN和RFID 技术结合实现智能交通。在一些危险的工作环境如：煤矿、石油钻井、核电厂利
用 WSN 探测工作现场的一些重要信息。 Intel 公司曾在芯片制造设备上安装过
200个传感器节点来监控设备的震动情况，并在测量结果超出规定时提供监测报 告。 （6）其他方面 WSN在城市交通、安全、空间搜索以及商业领域也有广阔的应用前景。
• 谢谢各位老师！
传感器网络管理技术主要对传感器节点自身的管理以及用户对传
感器网络的管理，如能量管理、拓扑管理、网络管理、网络安全、 移动管理和远程管理等。
传感器应用支撑技术是建立在封层协议和网络管理技术的基础上
为用户提供了各种具体的应用支持，包括时间同步、节点定位以 及向用户提供协同应用服务接口等。
WSN的网络特点
传感器网络结构
感知现场 卫星通讯网 、互联网 汇聚节点
远程任务管理
用户 传感器节点 无线传感器网络结构示意图
传感器节点
它具有信息采集、处理、控制和通信等功能，对于网络而言它有兼顾其 他节点和路由器的功能。
传感器模块
传感器 AD/DC
处理模块
CPU RAM FLASH 网络
通信模块
MAC 收发器
GPS 系统
算。
多跳自组织的网络路由
自组织的动态网络结构：传感器没有基站、节点失效、新节点的加入，导致网络拓扑结 构的动态性。
数据融合方法
以数据为中心的网络：用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件，在满足用户需求条件 下，对监测数据进行数据融合处理以节省带宽和能量，提高信息收集效率。
网络安全性
侵检测以及在破坏和受干扰的条件小可靠完成任务。
在无线传感器网络的网络协议研究主要集中于MAC协议和路由协议。 MAC层是构建底层的基础结构，控制无线传感器节点的通信过程和工作 模式。路由协议要关注节点与全网的能量消耗。常用的MAC协议有： IEEE802.15.4、S-MAC、及T-MAC协议等；路由协议有：SPIN、DO、 GEM、LEACH等协议。
网络攻击无处不在：传感器节点的物理操纵、传感器信息的窃听、拒绝服务攻击、私有信息 泄密等等，需要保护机密数据和防御网络攻击。
WSN的热点与难点问题：
利用MEMS技术设计小型化的节点设备和对网络本身的研究。 电池无线充电技术、太阳能和节点供电相结合。 无线传感器网络的安全问题：低开销协议设计完成数据加密、认证、入
无线传感器网络系统
杨兴果
内容
• • • • • WSN的定义与无线通信技术简介 WSN的网络结构 WSN的网络体系 WSN开发中的关键技术及热点问题 WSN的应用场合
无线传感器网络定义及通信技术
随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系
统（System on Chip， SoC ）、无线通信和 低功耗嵌入式技术的飞速发 展,孕育出无线传感器网络（Wirless Sensor Network, WSN)，并以其低 功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信 息感知的一场变革，是一 个新兴的交叉研究领域，其定义如下： 无线传感器网络（WSN）由部署在监测区内大量的、廉价的、微型的静 止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地 采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报给用户。
无线传感器网络使用的通信技术主要有：
(1) WiFi (IEEE 802.11n)
(2) 蓝牙（Bluetooth)技术
(3) ZigBee 技术 (4) 低功率短距离无线通信
标准 应用领域 工作频段（Hz） 带宽（kbps） 节点个数 发送功率/mA 低占空比支持 调制方式 传输距离/m 技术优势 Bluetooth 代替外设线缆 2.4G 1000~3000 7 45 (2类) <150 (1类) 弱 FHSS 20 (2类) 100+ （1类） 成本，便捷 802.11b (WiFi) 无线接入 2.4G 11000+ 32 300 弱 DSSS 100+ 带宽，灵活性 802.15.4 (ZigBee) 检测与控制 2.4G 20~250 254000 30 强 DSSS 20~70 100+ （放大器） 功耗，成本 Nordic nRF905 无线数据传输 433/868/915M 100 100 11 弱 GFSK 200 功耗，成本， 便捷
移动系统
传感器硬件结构框架示意图
常见的网络拓扑结构
链型 星型
终端节点 路由器
网络型
基站节点
Zigbee协调器节点
WSN体系结构
分布式网络服务接口 分布式网络管理接口
WSN的体系
结构分为三部分：
分层的网络通信协 议、传感器网络管 理和应用支撑技术。
应用层 传输层 网络层
时间同步
定位
传输控制
路由
能 量 管 理
大规模网络：为获取精确信息，部署大量传感器节点数量多分布密集，减 少监测盲点，增强容错性。 自组织：WSN布设不依赖于预设的网络设施，节点通过协议协调各自行
为，开机即自动组成网络。自组织性适应节点失效或增加使得网络拓扑的
动态变化。 可靠的网络：适应各种恶劣的环境，监测区域限制和庞大的数量造成维护
拓扑管理
服 务 质 量
网 络 管 理
网 络 安 全
移 动 控 制
远 程 管 理
数据链 路层
物理层
媒体接入
拓扑
Байду номын сангаас
RF
IR
Optical
WSN 协议体系结构示意图
分层网络通信协议： 物理层提供简单健壮的信号调制和无线收发技术，包括信道的选择、无 线信号检测、信号的发送与接收等。 数据链路层负责数据帧、帧检测、媒体访问和差错控制。在无线传感器 网络中保证节点之间的可靠无线通信。 网络层主要负责路由生成与路由选择。 传输层主要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。
WSN的关键技术及研究热点
低功耗技术
电源能量有限：通常电池供电、工作环境恶劣，一次部署终生使用，难于更换。
无线通信技术
通信能力有限：速率小，覆盖范围小几十米到几百米，需在有限的通信能力条件下完成
探测数据传输。
嵌入式系统设计
计算处理能力有限：节点体积小，处理器能力弱、存储容量小，不允许进行复杂算法运
困难。
与应用相关：不同的网络，不同的硬件平台、软件系统、网络协议 资源有限：功耗、节点的硬件资源、计算能力和处理能力
以数据为中心：用户以数据为中心进行数据的收集，不依赖于节点
标识。
与传统传感器系统相比其优点如下：
精确高：实现单一的传感器无法实现的密集空间采样及近距离监测。 灵活性强：一经部署无需人为干预。 可靠性高：可以避免单点失效问题 性价比高：降低有线传输成本，随着技术的发展，传感器成本低
WSN的应用领域
（1）军事应用
WSN应用最早起源于军事领域。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。 （2）环境科学 随着人们对环境的日益关注、环境科学涉及的范围越来越广发。WSN通常用于 跟踪候鸟和昆虫的迁移，分析环境变化对农作物的影响，监测降雨量、森林火灾报 警等等。 （3）医疗健康 通过在患者身上安装用于监测身体机能的微型传感器节点，如心率和血 压设备等，医生可以远程监视测试人群的健康状况；将一些微型传感器植