无线传感器网络原理及方法第一章
无线传感器网络
1.1 无线传感器网络的构成
无线传感器网络是由数目众多且具有特殊功能的传感器节点通过无线自组织通信方 式，互相传输信息，协同地完成特定功能的智能无线专用网络。
一个完整的无线传感器网络主要是由分布式传感器节点（群）、sink节点（汇聚节点， 主要负责传感器网络与外网的连接，可看作网关节点）、公用网络（Internet或移动通信 网）和用户界面（控制中心）共同构成的。
图8-6 无线传感器网络节点的结构
1.2 无线传感器网络的拓扑结构
无线传感器网络的拓扑结构常见的有： 点对点拓扑 点对点网络用于两个终端之间的连接。
星型拓扑 一个sink节点和若干个传感器节点 总线型拓扑 所有节点连接在同一根总线上
图8-7 传感器网络拓扑结构示例
网状型拓扑 结构主要有两种：一种是全部连接网状型结构（所有节点均与其他 节点相连），另一种是部分连接网状型结构。
传感器网络特别是无线传感器网络中，各 项技术和协议一般都以节能为前提。
目前的节能策略主要有休眠机制、数据融 合机制、冲突避免和纠错机制、多跳短距离通 信机制。
此外，传感器网络面临的挑战还包括自主 节点和网络的管理和配置算法、传感器节点的 耐久性、传感器的生物相容性、数据的隐私及 所有权等。
传感器原理与应用
1.4 无线传感器网络面临的挑战
1．安全
2．功耗
传感器网络中的安全目标是保护单个传感 器节点和防止出现在网络内外部的恶意攻击。 安全的关键在于帮助维护网络的完整性，保证 数据的保密性、完整性和时效性。
传感器网络的安全预防最基础的手段就是 加密机制
目前的密钥管理方案主要有对称密钥管理 机制、非对称密钥管理机制和混合管理机制3 种。
图8-5 传感器网络结构
无线传感器网络的原理与应用
无线传感器网络的原理与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量的节点组成的，这些节点能够在没有预先布置的情况下自组织连接并进行数据交换。
WSN广泛应用于环境监测、智能交通、农业、医疗等领域。
本文将详细介绍WSN的原理和应用，并列出相应步骤。
一、无线传感器网络的原理1.1 传感器节点：传感器节点是WSN的核心组成部分，每个节点都配备有传感器和通信设备，能够感知并采集环境中的信息。
1.2 通信方式：传感器节点之间通过无线通信方式进行数据传输，可以是无线电、红外线、蓝牙等。
1.3 自组织连接：传感器节点可以自动组成网络，建立连接并进行协调。
1.4 节能机制：由于传感器节点通常使用电池供电，为了延长其寿命，需要采取一系列节能措施。
二、无线传感器网络的应用2.1 环境监测：WSN可以用于监测大气污染物、水质、噪音等，将监测结果传送给监测中心进行分析和处理。
2.2 智能交通：将传感器节点安装在道路、交通信号灯等位置，实时监测交通情况，从而提供实时交通状况和拥堵预警等信息。
2.3 农业：WSN可以监测土壤湿度、温度、光照强度等农田信息，帮助农民进行精细化管理，提高农作物产量和质量。
2.4 医疗：传感器节点可以被植入患者体内，监测体温、心率、血压等生理参数，实时传输给医生进行远程监护。
三、无线传感器网络的应用步骤3.1 感知环境：根据应用需求，选择适当的传感器节点，布置在需要监测的区域内，感知环境中的信息。
3.2 数据传输：传感器节点将采集到的数据通过无线通信传输给数据中心或者其他节点进行处理。
3.3 数据处理：数据中心对传感器节点传输过来的数据进行处理，提取有用信息，并进行分析和应用。
3.4 决策和控制：根据数据分析的结果，采取相应的决策和控制措施，如减少污染物排放、调整交通信号灯等。
3.5 远程监控：通过互联网等手段，可以远程监控传感器节点的工作状态、数据采集情况等。
无线传感器网络复习资料
无线传感器网络复习资料第一章概述1、什么是无线传感器网络?无线传感器网络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，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。
2、传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别是什么?（1）传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块、电源模块和嵌入式软件系统（2）传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。
另外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。
3、传感器网络的体系结构包括哪些部分？各部分的功能分别是什么？（1）网络通信协议：类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系。
它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。
（2）网络管理平台：主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理。
包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。
这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。
（3）应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。
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。
第二章微型传感器的基本知识1、传感器由哪些部分组成？各部分的功能是什么？传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。
敏感元件是传感器中能感受或响应被测量的部分。
转换元件是将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的信号（一般指电信号）部分。
基本转换电路可以对获得的微弱电信号进行放大、运算调制等。
另外，基本转换电路工作时必须有辅助电源。
2、集成传感器的特点是什么?体积小、重量轻、功能强、性能好。
第一章无线传感器网络概述知识点整理（一）
第⼀章⽆线传感器⽹络概述知识点整理（⼀）第⼀章⽆线传感⽹络概述1.1 ⽆限传感器⽹络的基本感念⽆线传感器⽹络 Wireless Sdnsor Network定义：⼤量静⽌或移动的传感器节点以⾃组织和多跳的⽅式构成的⽆线⽹络。
⽬的：协作探测、处理和传输⽹络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给⽤户。
传感器⽹络功能：实现数据采集、处理和传输基本要素：传感器、感知对象和⽤户Ad Hoc ⽹络：定义：是⼀种多跳的、⽆中⼼的、⾃组织⽆线⽹络，⼜称为多跳⽹，⽆基础设施⽹或⾃组织⽹。
1.2 ⽆线传感器⽹络的特征1.2.1与现有⽆线⽹络的区别（其他⽹络）（1）集成了监测、控制以及⽆线通信的⽹络系统（2）节点数⽬庞⼤（3）节点分布密集（4）节点容易出现故障（5）⽹络拓扑结构易发⽣变化（6）传感器节点具有的能量、处理能⼒、存储能⼒和通信能⼒等都⼗分有限（7）传统⽆线⽹络的⾸要设计⽬标是提供⾼服务质量和⾼效带宽利⽤，其次才考虑节约能源，⽽传感器⽹络的⾸要设计⽬标是能源的⾼效使⽤1.2.2与现场总线的区别（1）现场总线是应⽤在⽣产现场和微机化测量控制设备之间、实现双向串⾏多节点数字通信的系统（2）开放式、数字化、多点通信的底层控制⽹络（3）现场总线作为⼀种⽹络形式，专门为实现在严格的实时约束条件下⼯作⽽特别设计的（4）由于现场总线通过报告传感数据从⽽控制物理环境，与传感器⽹络⾮常相似（5）⽆线传感器⽹络关注的不是数⼗毫秒范围内的实时性，⽽是具体的业务应⽤，这些应⽤能够容许较长时间的延迟和抖动（6）传感器⽹络⾃适应协议在现场总线中并不需要，如多跳、⾃组织的特点，⽽且现场总线及其协议也不考虑节约能源问题较为流⾏的现场总线：（1）CAN（控制局域⽹络）（2）Lonworks（局部操作⽹络）（3）Profibus（过程现场总线）（4）HART（可寻址远程传感器数据通信）（5）FF（基⾦会现场总线）1.2.3传感器节点的限制1.电源能量限制（1）传感器节点体积微⼩（2）通常携带能量⼗分有限的电池（3）传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和⽆线通信模块（4）传感器节点的绝⼤部分能量消耗在⽆线通信模块⽆线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠4种状态空闲时监听⽆线信道的使⽤情况，检查是否有数据发送给⾃⼰睡眠时关闭通信模块在发送状态的能量消耗最⼤，接收和空闲时消耗接近，睡眠消耗最少。
无线传感器网络的基本原理与应用介绍
无线传感器网络的基本原理与应用介绍无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量分布式无线传感器节点组成的网络系统，用于收集、处理和传输环境中的信息。
它是物联网的关键组成部分，具有广泛的应用前景。
本文将介绍无线传感器网络的基本原理和一些典型的应用场景。
一、无线传感器网络的基本原理无线传感器网络由大量的无线传感器节点组成，每个节点都具有感知、通信和计算能力。
这些节点可以感知环境中的各种参数，如温度、湿度、光照强度等，并将这些信息通过无线通信传输给其他节点或基站。
无线传感器网络的基本原理包括以下几个方面：1. 节点通信：无线传感器节点之间通过无线信号进行通信，可以采用无线电波、红外线等不同的通信方式。
节点之间可以进行直接通信，也可以通过中继节点进行中转。
2. 路由协议：无线传感器网络中的节点通常是分布在广阔的区域内，节点之间的通信需要经过多跳传输。
为了有效地传输数据，需要设计合适的路由协议，使数据能够通过最优的路径传输到目的节点。
3. 能量管理：无线传感器节点通常由电池供电，能源是限制无线传感器网络寿命的重要因素。
因此，节点需要采取一系列的能量管理策略，如休眠、功率控制等，以延长网络的寿命。
二、无线传感器网络的应用场景无线传感器网络具有广泛的应用场景，下面介绍几个典型的应用场景。
1. 环境监测：无线传感器网络可以用于环境监测，如空气质量监测、水质监测等。
通过部署大量的传感器节点，可以实时监测环境中的各种参数，并及时采取相应的措施。
2. 物流管理：无线传感器网络可以用于物流管理，如货物追踪、温湿度监测等。
通过在货物上部署传感器节点，可以实时监测货物的位置和状态，提高物流的效率和安全性。
3. 农业监测：无线传感器网络可以用于农业监测，如土壤湿度监测、气象监测等。
通过在农田中部署传感器节点，可以实时监测农作物的生长环境，为农民提供科学的种植指导。
4. 健康监护：无线传感器网络可以用于健康监护，如老人健康监测、病人生命体征监测等。
《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
无线传感器网络技术无线传感器网络技术是一种集成了无线通信、传感器技术和数据处理技术的新兴技术。
它通过无线传感器节点的部署和组网，使得传感器节点可以感知和采集所需的数据，并通过无线通信协议进行数据传输和处理。
无线传感器网络技术在农业、环境监测、智能城市、工业控制等领域有着广泛的应用。
本文将介绍无线传感器网络技术的原理、特点、应用及发展趋势。
一、无线传感器网络技术的原理无线传感器网络技术的核心原理是将多个分布式的传感器节点通过无线通信进行连接，形成一个自组织的网络。
每个传感器节点都具备感知环境的能力，可以采集和处理各种类型的数据，如温度、湿度、光照强度等。
传感器节点通过无线通信协议将采集到的数据传输到基站或其他节点进行存储和处理。
无线传感器网络技术通过布置在目标区域的传感器节点，可以实时地监测和收集环境信息，为决策提供重要的数据支持。
二、无线传感器网络技术的特点1. 自组织和自适应：传感器节点能够自主组网，自身能力会自动适应网络的变化和环境的改变。
2. 分布式处理和协同工作：传感器节点之间可以通过无线通信进行协同工作，共同完成任务。
3. 资源受限：传感器节点的能量、存储和计算能力有限，需要进行能量管理和优化设计。
4. 高度部署和灵活性：传感器节点可以大规模部署，根据需求进行灵活的布局。
5. 系统可靠性和安全性：无线传感器网络技术需要具备对数据的可靠传输和隐私的保护能力。
三、无线传感器网络技术的应用1. 农业领域：在农业生产中，无线传感器网络技术可以用于土壤湿度的监测、作物生长的监控、气象数据的采集等。
2. 环境监测：无线传感器网络技术可以用于城市环境的污染监测、水质监测、大气污染的监测等，为环境保护提供数据支持。
3. 智能交通：在交通管理中，无线传感器网络技术可以用于交通流量的监测、交通信号的优化调度等，提高交通效率和安全性。
4. 工业控制：无线传感器网络技术可以应用于工业自动化生产中，实时监测工艺参数、设备状态，提高生产效率和安全性。
物联网中无线传感器网络的使用教程
物联网中无线传感器网络的使用教程随着物联网技术的快速发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）成为实现物联网互联的重要组成部分。
无线传感器网络由大量分散部署的传感器节点组成，能够自主感知环境信息，并通过无线通信技术互相协作，实现物理世界与数字世界的连接。
本文将介绍无线传感器网络的基本原理和使用教程，帮助读者快速上手和应用于物联网中。
一、无线传感器网络的基本原理无线传感器网络由传感器节点、中心节点和通信组件三部分组成。
传感器节点负责感知环境信息，中心节点进行数据处理和决策，通信组件负责节点间的通信。
1. 传感器节点：传感器节点包含传感器、处理器和无线通信模块等。
传感器负责收集环境信息，如温度、湿度、光照等，将收集到的数据通过处理器进行处理，并通过无线通信模块发送给中心节点。
2. 中心节点：中心节点是无线传感器网络的控制中心，负责接收传感器节点发送的数据，并进行数据处理、存储和决策。
中心节点可以连接云服务器，将数据传输到云端进行更高级别的数据分析和应用。
3. 通信组件：无线传感器网络使用无线通信技术，如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等，实现节点间的通信。
通信组件包括无线模块、天线和协议栈，负责数据的传输和网络的组网。
二、无线传感器网络的使用教程无线传感器网络的使用教程可以分为传感器节点部署和配置、中心节点数据处理和决策两部分。
1. 传感器节点部署和配置（1）确定传感器节点的数量和部署位置：根据实际需求确定传感器节点的数量和部署位置。
传感器节点应该尽量覆盖监测区域，并注意节点之间的通信距离。
（2）搭建传感器节点：根据传感器节点的规格和功能要求，选择相应的硬件和软件平台。
可以选择开源平台，如Arduino、Raspberry Pi 等，或者自行搭建传感器节点。
（3）配置传感器节点：根据实际需求和传感器节点的功能，进行节点的配置和参数设置。
可以通过编程方式设置节点的采样频率、阈值等参数。
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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
尽量减少单跳通信距离。一般而言，传感器节点的无线通信半径在100m以内 比较合适。
传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps的速率。
1.2.3传感器节点的限制
3．计算和存储能力有限
传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制 必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。 除了降低处理器的绝对功耗以外，现代处理器还支持模块化供电和 动态频率调节功能。利用这些处理器的特性，传感器节点操作系统设计了 动态能量管理和动态电压调节模块，可以更有效地利用节点的各种资源。 动态能量管理是当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处
功率 /mW
10
5
0
传感器
处理器
发送
接收
空闲
通信
睡眠
图1-1传感器节点能量消耗情况
1.2.3传感器节点的限制
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k是系数，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 射质量的影响也很大。考虑诸多因素，通常取n为3，即通信能耗与距离的三 次方成正比。
程度上说它与传感器网络非常相似。我们甚至可以将无线传感器网络看
作是无线现场总线的实例。但是两者的区别是明显的，无线传感器网络 关注的焦点不是数十毫秒范围内的实时性，而是具体的业务应用，这些 应用能够容许较长时间的延迟和抖动。另外，基于传感器网络的一些自 适应协议在现场总线中并不需要，如多跳、自组织的特点，而且现场总
第 1 章
概 述
1.1无线传感器网络的基本概念
目前无线网络可分为两种 ：一种是有基础设施的网络；另一种是无基础 设施网，又称为无线Ad Hoc网络，结点是分布式的，没有专门的固定基站。 无线Ad Hoc网络又可分为两类：一类是移动Ad Hoc网络，它的终端是快速移
动的。另一类就是无线传感器网络，它的结点是静止的或者移动很慢。
1．网络的工作寿命
2. 网络覆盖范围
3. 网络搭建成本和难易程度
4. 网络响应Leabharlann 间1.4无线传感器网络的应用
1．军事应用
2．环境科学
3．空间探索 4．医疗健康 5．智能家居 6．建筑物和大型设备安全状态的监控 7．紧急援救 8．其他商业应用
1.5无线传感器网络的研究历史
1.5.1计算设备的演化历史
1.2.2 与现场总线的区别
现场总线是应用在生产现场和微机化测量控制设备之间、实现双 向串行多结点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的 底层控制网络。现场总线作为一种网络形式，专门为实现在严格的实时 约束条件下工作而特别设计的。
1.2.2 与现场总线的区别
由于现场总线通过报告传感数据从而控制物理环境，所以从某种
于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的睡眠状态。动态电压调节
是当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率来降低处理能 力，从而节约微处理器的能耗。
1.2.4传感器组网的特点
1. 自组织性 2. 以数据为中心 3．应用相关性 4．动态性 5．网络规模大 6．可靠性
1.3无线传感器网络的关键性能指标
构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。
1.2.1与现有无线网络的区别
另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力 等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效 带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源 的高效使用，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。
线及其协议也不考虑节约能源问题。
1.2.3传感器节点的限制
1．电源能量有限
传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。传感器节点消 耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块
图1-1表示传感器节点各部分能量消耗的情况，从图中可知传感器节点的绝 大部分能量消耗在无线通信模块。
20 15
5. 基于协作通信技术的无线传感器网络
无线传感器网络的标准定义是这样的：无线传感器网络是大量的静止或 移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地探测、处 理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。它的英文是 Wireless Sensor Network，简称WSN。
1.1无线传感器网络的基本概念
从上述定义可以看出，传感器、感知对象和用户是传感器 网络的三个基本要素。无线网络是传感器之间、传感器与用户 之间最常用的通信方式，用于在传感器与用户之间建立通信路 径。协作式的感知、采集、处理和发布感知信息是传感器网络 的基本功能。 传感器结点由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、 通信部件和软件这几部分构成。电源为传感器提供正常工作所 必需的能源。感知部件用于感知、获取外界的信息，并将其转 换为数字信号。处理部件负责协调结点各部分的工作。通信部 件负责与其他传感器或用户的通信。软件是为传感器提供必要 的软件支持。 传感器网络的用户是感知信息的接收者和使用者，可以是 人也可以是计算机或其他设备。
图1-2直观描述了计算设备的演化历史.
巨型机 小型机 工作站 PC PDA WSN 节点等 生物芯片
图1-2计算设备的演化历史
1.5.2无线传感器网络发展的三个阶段
1．第一阶段：传统的传感器系统
2．第二阶段：传感器网络结点集成化
3．第三阶段：多跳自组网
1.5.3无线传感器网络的发展趋势
1. 无线多媒体传感器网络 2. 泛在传感器网络 3. 具有认知功能的传感器网络 4. 基于超宽带(UWB)技术的无线传感器网络
1.2无线传感器网络的特征
1.2.1与现有无线网络的区别
传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大的 差别。传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点 数目更为庞大(上千甚至上万)，节点分布更为密集；由于环境影响和能 量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结