无线传感器网络节点结构
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。
物联网中的无线传感器节点网络拓扑设计
物联网中的无线传感器节点网络拓扑设计物联网（Internet of Things，简称IoT）是未来科技的重要发展方向之一，它将各类智能设备连接到互联网上，实现设备之间的无缝通信和数据共享。
无线传感器节点网络是物联网中的重要组成部分，它由大量的传感器节点组成，能够采集环境数据并通过无线通信传输给数据中心或其他节点。
在设计无线传感器节点网络的拓扑结构时，需要考虑多个因素，包括网络的可靠性、能耗、时延和扩展性等。
以下将介绍几种常见的无线传感器节点网络拓扑设计。
1. 星形拓扑星形拓扑是最简单和最常见的无线传感器节点网络拓扑结构。
在星形拓扑中，所有的传感器节点都连接到一个中心节点，中心节点负责收集和处理传感器节点的数据，并将数据发送给数据中心或其他节点。
星形拓扑具有简单、易于管理和扩展的优点，但对无线通信距离和能耗要求较高。
2. 树状拓扑树状拓扑是一种层次结构的网络拓扑结构，由一个根节点和多个子节点组成。
根节点负责收集和处理子节点的数据，子节点之间也可以互相通信。
树状拓扑结构具有较好的扩展性和灵活性，节点之间的通信距离较星形拓扑更远，能耗也相对较低。
3. 网状拓扑网状拓扑由多个节点互相连接组成，每个节点可以直接和其他节点通信。
网状拓扑结构具有高度的可靠性，即使某个节点失效，仍然可以通过其他节点进行通信。
网状拓扑广泛应用于需要大范围覆盖和高可靠性的场景，例如城市环境监测和灾难救援等。
4. 混合拓扑混合拓扑是以上几种拓扑结构的组合，根据具体需求设计。
混合拓扑结构可以兼顾各种因素，例如将星形和树状结合，实现高可靠性和较低的能耗。
在进行无线传感器节点网络拓扑设计时，还需考虑节点位置布局和信号传输等因素。
传感器节点的位置布局要合理，以保证网络的覆盖范围和网络质量。
信号传输方面，可以通过选择合适的无线技术和协议，优化信号传输质量和能耗。
此外，还需考虑物联网的安全性和隐私保护。
物联网中的传感器节点可能涉及到用户的个人隐私和敏感数据，因此需要采取合适的安全措施，例如数据加密和身份认证等，保障网络和数据的安全。
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)
无线传感器网络知识点归纳
一、无线传感器网络的概述1、无线传感器网络定义，无线传感器网络三要素，无线传感器网络的任务，无线传感器网络的体系构造示意图，组成局部〔P1-2〕定义：无线传感器网络〔wireless sensor network, WSN〕是由部署在监测区域内大量的本钱很低、微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观看者或者用户另一种定义：无线传感器网络(WSN)是大量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、处理和传输网络掩盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户三要素：传感器，感知对象和观看者任务：利用传感器节点来监测节点四周的环境，收集相关的数据，然后通过无线收发装置承受多跳路由的方式将数据发送给会聚节点，再通过会聚节点将数据传送到用户端，从而到达对目标区域的监测体系构造示意图：组成局部：传感器节点、会聚节点、网关节点和基站2、无线传感器网络的特点〔P2-4〕（1）大规模性且具有自适应性（2）无中心和自组织（3）网络动态性强（4）以数据为中心的网络（5）应用相关性3、无线传感器网络节点的硬件组成构造〔P4-6〕无线传感器节点的硬件局部一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块4 局部组成。
4、常见的无线传感器节点产品，几种Crossbow 公司的Mica 系列节点〔Mica2、Telosb〕的硬件组成〔P6〕5、无线传感器网络的协议栈体系构造〔P7〕1.各层协议的功能应用层：主要任务是猎取数据并进展初步处理，包括一系列基于监测任务的应用层软件传输层：负责数据流的传输掌握网络层：主要负责路由生成与路由选择数据链路层：负责数据成帧，帧检测，媒体访问和过失掌握物理层：实现信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等功能2.治理平台的功能（1）能量治理平台治理传感器节点如何使用能源。
无线传感器网络的理论及应用PPT教学课件
2020/12/11
6
多跳路由
由于节点发射功率限制，节点的覆盖范围 有限，通常只能与它的邻居节点通信。
多跳路由是由普通网络节点协作完成，没 有专门的路由设备。每个节点既可以是信 息的发起者，也可以是转发者。
2020/12/11
7
安全性差
由于采用了无线信道、分布式控制等技术， 网络更容易受到被动窃听、主动入侵等攻 击。
2020/12/11
25
网络管理平台
拓扑控制：拓扑控制利用链路层、路由层完成拓扑生成，反过来又为 它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议，降低能耗。 服务质量管理：服务质量（QoS）管理在各个协议层设计队列管理、 优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理。 能量管理：每个协议层次中都要增加能量控制代码，并提供给操作系 统进行能量分配决策。 安全管理：传统安全机制无法使用。采用扩频通信、接入认证/鉴权、 数字水印和数据加密等技术。 移动管理：监测和控制节点的移动，维护到汇聚节点的路由，还可以 使传感器节点跟踪它的邻居。 网络管理：对无线传感器网络上的设备及传输系统进行有效监视、控 制、诊断和测试所采用的技术和方法。它要求协议各层嵌入各种信息 接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协 议组件的运行。
2020/12/11
26
应用支撑平台
包括一系列基于监测任务的应用层软件， 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： 时间同步 定位 应用服务接口 网络管理接口
2020/12/11
27
无线传感器网络的研究进展
无线传感器网络的发展历程 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络所面临的挑战
29
无线传感器网络中的网络拓扑结构
无线传感器网络中的网络拓扑结构无线传感器网络是由大量的无线传感器节点组成的，这些节点可以相互通信并协同工作，以收集、处理和传输环境中的信息。
在无线传感器网络中，网络拓扑结构的设计和选择对于网络的性能和可靠性起着至关重要的作用。
一、星型拓扑结构星型拓扑结构是最简单和最常见的网络拓扑结构之一。
在星型拓扑结构中，所有的传感器节点都直接连接到一个中心节点。
中心节点负责收集和处理来自其他节点的数据，并将结果传输到其他节点。
星型拓扑结构具有简单、易于实现和维护的优点，但也存在单点故障的风险，如果中心节点发生故障，整个网络将无法正常运行。
二、树型拓扑结构树型拓扑结构是一种层次结构，其中一个节点作为根节点，其他节点按照层次结构连接到根节点。
树型拓扑结构具有良好的可扩展性和灵活性，可以根据实际需求进行扩展和调整。
此外，树型拓扑结构还具有较好的容错性，即使某些节点发生故障，网络的其他部分仍然可以正常工作。
然而，树型拓扑结构也存在一些缺点，如较长的传输延迟和较高的能耗。
三、网状拓扑结构网状拓扑结构是一种多对多的连接方式，其中每个节点都与其他节点直接相连。
网状拓扑结构具有高度的灵活性和可靠性，即使某些节点发生故障，网络仍然可以通过其他路径进行通信。
此外，网状拓扑结构还具有较低的传输延迟和较好的能耗控制。
然而，网状拓扑结构也存在一些问题，如较高的成本和复杂性。
由于每个节点都需要与其他节点直接通信，所以节点之间的通信距离较短，这限制了网络的覆盖范围。
四、混合拓扑结构混合拓扑结构是将多种拓扑结构组合在一起形成的。
通过灵活地组合不同的拓扑结构，可以充分发挥每种拓扑结构的优点，并弥补其缺点。
例如，可以将星型结构用于数据收集和处理，而将树型或网状结构用于数据传输。
混合拓扑结构可以根据实际需求进行灵活调整，以实现更好的性能和可靠性。
总结：无线传感器网络中的网络拓扑结构选择应根据具体应用需求和网络性能要求来确定。
不同的拓扑结构具有不同的特点和适用场景，需要综合考虑各种因素进行选择。
无线传感器网络节点介绍
基于系统集成技术的节点类型和特点在节点的功能设计和实现方面，目前常用的节点均为采用分立元器件的系统集成技术。
已出现的多种节点的设计和平台套件，在体系结构上有相似性，主要区别在于采用了不同的微处理器，如AVR系列和MSP430系列等；或者采用了不同的射频芯片或通信协议，比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee[1]协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等。
典型的节点包括Berkeley Motes [2，3], Sensoria WINS[4], MIT µAMPs [5], Intel iMote [6], Intel XScale nodes [7], CSRIO研究室的CSRIO节点[8]、Tmote [9]、ShockFish公司的TinyNode[10]、耶鲁大学的XYZ节点[11] 、smart-its BTNodes[12]等。
国内也出现诸多研究开发平台套件，包括中科院计算所的EASI系列[13-14]，中科院软件所、清华大学、中科大、哈工大、大连海事大学等单位也都已经开发出了节点平台支持网络研究和应用开发。
这些由不同公司以及研究机构研制的无线节点在硬件结构上基本相同，包括处理器单元、存储器单元、射频单元，扩展接口单元、传感器以及电源模块。
其中，核心部分为处理器模块以及射频通信模块。
处理器决定了节点的数据处理能力和运行速度等，射频通信模块决定了节点的工作频率和无线传输距离，它们的选型能在很大程度上影响节点的功能、整体能耗和工作寿命。
目前问世的传感节点（负责通过传感器采集数据的节点）大多使用如下几种处理器：ATMEL公司AVR系列的ATMega128L处理器，TI公司生产的MSP430系列处理器，而汇聚节点（负责会聚数据的节点）则采用了功能强大的ARM处理器、8051内核处理器、ML67Q500x系列或PXA270处理器。
这些处理器的性能综合比较见表1。
表1、无线传感器网络节点中采用的处理器性能比较在无线传感器网络中，广泛应用的底层通信方式包括使用ISM波段的普通射频通信、具有802.15.4协议和蓝牙通信协议的射频通信。
《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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
t1
tdown
tevent
tup
time
23
供选择的：动态电压转换
多久可以得到睡眠时间的不确定性使得模式转换变得复杂 供选择的：低电压供给& 时钟
动态电压缩放 (DVS)
基本原理:
功率损耗P 取决于
时钟频率 供给电压的平方 P / f V2
允许更低的时钟 更低的电压供给 容易转向更高的时钟 但是：执行时间更长
21
一些能量损耗值
微控制器
TI MSP 430 (@ 1 MHz, 3V):
充分操作于 1.2 mW 最深的睡眠模式0.3 W – 只被外部中断唤醒 (即使计时器不再运行)
Atmel ATMega
运作模式: 15 mW 活动, 6 mW 闲置 睡眠模式: 75 W
22
无线电性能
调制? (ASK, FSK, …?) 噪声因数? NF = SNRI/SNRO 增益? (信号放大) 接收机灵敏度? (达到给定Eb/N0 的 最小S) 阻塞性能 (在提示的频率偏移干涉下 达到的 BER) 带外辐射 载波检测 & RSSI 特征 频率稳定度 (举例来说., 温度变化） 电压范围
多路通道? 数据速率? 范围?
能量特征
接收数据的能量损耗？ 不同状态转换的时间和能量损耗？ 传输功率控制？ 功率效率 (发射功率中消耗功率的百 分比?)
8
收发器状态
收发器可以进入不同的运行状态，典型的是：
发射 接收 闲置 –准备接收，但是并没有接收
11
唤醒接收器
主要能量问题：接收过程 空运转和准备接收会消耗相当大量的功率什么时 候开启接收器是不明确的 基于MAC协议的竞争：接收器总是开着的 基于MAC协议的TDMA：
令人满意的是: 接收器可以（只能）检测到收文
当检测到信号时唤醒主要的接收器实时接收 理想的是：唤醒的接收机可以处理简单的地址 然而，我们并不清楚能否真正的建立起来它们
计算机硬件的一些功能可以关闭，这样可以减少一些能量损耗
睡眠 – 收发机的有效部分被关闭
不能立即接收信息 离开睡眠状态的恢复时间和启动能量对收发器意义重大
研究问题: 唤醒接收器– 当收发器处于睡眠状态时可以通过 无线电唤醒 (看起来是矛盾的!)
9
无线收发机的例子
几乎是不限种类的都可用 一些例子
RFM TR1000 一族
916 或 868 MHz 400 kHz 带宽 多达 115,2 kbps 开关键控或者 ASK 输出功率动态可协调 最大功率大约是 1.4 mW 功率损耗低
Chipcon CC 2400
802.15.4工具 2.4 GHz, DSSS 调制解调 250 kbps 比上述的收发机有更高的功 率损耗
无线传感器网络节点结构
本章目标
无线传感器网络中构成一个节点的主要组件 控制器，射频调制解调器，传感器，电池 理解这些组件的能量损耗方面 考虑不同操作模式的透视图和不同能量损 耗对协议设计有什么样的影响 传感器节点的操作系统支持 一些示例节点 注解: 本章的细节是WSN专有的；能量损耗原 理也适用于 MANET
R nomial data rate, Rcode coding rate
Time Tstart, average power Pstart
! Etx = Tstart Pstart + n / (R ¢Rcode) (PtxElec + amp + amp Ptx)
Simplification: Modulation not considered
18
能量收集–概览
19
能量损耗
一个 “包络反馈”的估计 指令数目
每个指令的能量: 1 nJ 小电池 (“smart dust”): 1 J = 1 Ws 相应的: 109 指令!
寿命
或者： 需要一整天的操作，寿命= 24¢60¢60 =86400 s 最大的可持续能量功耗是1 Ws / 86400s ¼ 11.5 W
26
n bits的接收机功耗
Receiver also has startup costs Time for n bits is the same n / (R ¢Rcode) Receiver electronics needs PrxElec Plus: energy to decode n bits EdecBits ! Erx = Tstart Pstart + n / (R ¢Rcode) PrxElec + EdecBits ( R )
Lithium 1080
NiMHd 860
NiCd 650
17
能量收集
如何对电池再充电?
一个笔记本电脑: 简单，在晚上将插头插入墙壁插座 一个传感器节点? –尝试 从环境中吸收能量
周围环境能源
光! 太阳能电池– 介于10 W/cm2 和15 mW/cm2之间 温度梯度– 80 W/cm2 @ 1 V from 5K difference 振动– 介于0.1 和10000 W/cm3 之间 气压变化 (压电的) – 从鞋跟来的330 W/cm2 空气流动 (MEMS 燃气轮机)
6
通信装置
哪种传输介质? 无线电频率上的电磁波? 电磁波， 光? 超声波?
无线电收发机以无线波的形式传输一个比特流或者 字节流 接受无线波之后把它转回为比特流或字节流
7
收发器特征
性能
接口：比特，字节，分组级？ 支持的频率范围
典型的是ISM的433 MHz – 2.4 GHz频带
Infineon TDA 525x 一族
举例来说., 5250: 868 MHz ASK 或者 FSK 调制 RSSI,，高效的功率放大 智能的电源中断，“自我查 询”机制 极好的抗阻塞性能
Chipcon CC1000
频率范围从 300 MHz到 1000 MHz,，在250 Hz 步上可编程 FSK 调制 提供RSSI（接收信号强度指示）
13
传感器本身
主要分类 辐射一些能量? 被动vs. 主动传感器 有方向感? 全向? 被动的，全向 举例： 光，温度计，麦克风，湿度计，… 被动的, 窄射型n 举例: 照相机 主动传感器 举例：雷达 重要参数：覆盖范围 给定的传感器可以充分覆盖那个区域？
14
Power supply
4
Ad hoc 节点结构
核心: 本质上一样 但是: 更多辅助设备 硬盘， 显示器，键盘， 声音接口， 照相 机， …
5
控制器
主要选择: 微控制器 –通用处理器，嵌入式应用的最佳化，低能量损耗 数字信号处理器 – 信号处理任务的最佳化，在这里并不匹配 现场可编程门阵列 – 可能对测试有益 专用集成电路 – 只有当需要最佳性能，并不灵活 微处理器示例 德州仪器的MSP430 16位精简指令集计算机内核， 相当于4 MHz， 支持 2-10 kbytes RAM的版本, 一些资料获取控制系统， 收发始终， 价格从 0.49美金开 始 爱特梅尔公司的 ATMega 8位的控制器，内存比 MSP430，但是处理速度比 MSP430慢
10
Ad hoc网络中无线接收机的例子
Ad hoc 网络: 通常需要更高的数据速率 典型的Ad hoc网络是 IEEE 802.11 b/g/a 数据速率高达54 MBit/s 100s of meters possible, typical 10s of meters at higher data rates 在可移动的环境中工作的相当好 (不过当 然不会是完美的) 问题: 设备昂贵，功率相当缺乏
12
超宽带通信
标准的无线收发机： 将一个信号调制到载波上 需要相当小的带宽 变换方法: 使用一个大带宽, 不调制,只是发射一个突发激 励 几乎形成一个矩形脉冲 脉冲非常短 在脉冲存在/消失的时候编码信息 需要接收机完全的时钟同步 相当短的范围（通常上） 优势 Pretty resilient to multi-path propagation 很好的测距能力 好的墙壁穿透能力
2
概要
传感器节点结构 能量供应和损耗 传感器节点的运行时间环境 个案研究: TinyOS
3
传感器节点结构
一个WSN节点的主要组件 控制器 通信装置 传感器/驱动器 存储器 能量供应
Communication device
Memory
Controller
Sensor(s)/ actuator(s)
16
电池示例
单位体积的能量(每立方厘米的焦耳量)；
Primary batteries Chemistry Zinc-air Lithium Alkaline
Energy (J/cm3)
3780
2880
Secondary batteries
1200
Chemistry Energy (J/cm3)
20
多重能量功耗模式
解决方法: 不要所有时候都运行传感器节点
如果闲着没事，转到电源安全模式 问题： 什么时候节流？怎样再次唤醒？
典型模式
控制器：活跃的，闲置的，睡眠的 无线电模式: 打开/关闭发射器/接收器
可能的多模式，即“更深的”睡眠模式
坚决地依赖于硬件 TI MSP 430, 举例来说.：四种不同的睡眠模式 Atmel ATMega: 六种不同的模式