WSN数据管理平台
基于DIM的WSN网内数据查询处理
Abstract Previous w rk on in一 o network query proce sing in wireles sens r network has f cused on querie s s o o s in which data reduct ion occur because of aggr眼ation oper tors ，or through filters . In一 s a network join Processing ca als be 叩plied t reduce the a o nt o data that have to be t ra s erred outs记 o the WSN ， n o o mu f n f ef if the select ivity of join operator is small enough . However ，due to the restriction of their underlying network layer pr tocols ，most data retrieval mechanisms of wireles sens r network ( such as direct o s o diffusion ， TinyDB and C ugar ， . ) ， not support in一 o rk join pr cessing . Thus in this paper ， o et‘ do netw o an in一 o rk join operator placement al即rithm based on DIM (a distributed index f r multidimensional data) netw o is Pr p sed to s lve this Pr blem ，and it is dem nstrated that communication c st o Dl M can be reduced oo o o o o f thr ugh in一 o network join pr cessing . Further ore， veral optimization methods are proposed to make the o m e s
无线传感器网络(WSN)的应用与优化
无线传感器网络（WSN）的应用与优 化
CREATE TOGETHER
DOCS
01
无线传感器网络(WSN)概述
无线传感器网络的基本概念与组成
WSN的主要组成部分包括传感器节点、汇聚节点和数据中心
• 传感器节点：包含传感器、数据处理单元和无线通信模块 • 汇聚节点：包含数据处理单元、无线通信模块和有线通信接口 • 数据中心：包含数据库、数据处理软件和用户界面
无线传感器网络（WSN）是一种由大量传感器节点组成自组织网络
• 传感器节点：负责数据采集和处理和传输 • 汇聚节点：负责接收和处理传感器节点的数据，并将数据传输到数据中心 • 数据中心：负责存储、分析和处理传感器网络收集的数据
无线传感器网络的发展历程与趋势
无线传感器网络的发展历程可以分为三个阶段
05
无线传感器网络(WSN)未来发展趋势与挑战
可扩展性与自适应性问题
无线传感器网络的可扩展性和自适应性问题是指网 络在节点数量增加和环境影响下的性能变化
• 可扩展性：随着传感器节点数量的增 加，网络应能保持良好的性能 • 自适应性：网络应能根据环境参数的 变化自动调整参数和策略，提高网络的 适应性和稳定性
• 无线传感器网络的网络协议包括MAC协议、路由协议和数据传输协议等 • MAC协议：负责传感器节点之间的无线通信，如CSMA/CA、TDMA和FDMA等 • 路由协议：负责传感器节点与汇聚节点之间的数据传输路径选择，如Dijkstra、LEACH和PEGASIS等 • 数据传输协议：负责传感器节点与汇聚节点之间的数据传输，如HTTP、CoAP和MQTT等
• 数据融合技术包括基于时间、空间和概率的数据融合方法等 • 基于时间的数据融合：通过对同一传感器节点在不同时间采集的数据进行融合，提高数据的准确性和稳定性 • 基于空间的数据融合：通过对不同传感器节点在相同时间采集的数据进行融合，提高数据的覆盖范围和准确性 • 基于概率的数据融合：通过对不同传感器节点的数据进行概率加权融合，提高数据的可靠性和稳定性
对WSN数据库现状的调查分析
近年来 ， 国内各高校在 电子资源建设方面投 入重金 ， 购了 订
表 １ 有关机构及高校图书馆网址一 览表
有关机构及 高校 图书馆名称 天津高等教育文献信息中心
北京大学 图书馆 清华大学 图书馆 南开大学图书馆 吉林大学 图书馆 同济大学 图书馆
浙 江 大学 图书 馆
大量 的外文数据库 ，这些数据库在高校科研 中发挥 了极其重要 的作用。随着外文数据库数量的增加 、 可供选择的 电子资源 品种 的丰富 ， 高校 图书馆在 引入 资源 时常常面 临如何选 择的问题 。 使
生命科学 、 环境科学 、 线性科学 、 材料科学 、 经济管理以及社会科
上海交通大学图书馆 天津大学图书馆
ｈｔ：ｗ ．ｂｓｕｅ ｕ ｎ． ｔ ／ ｗｗ１ ．ｔ．ｄ ． ｘ ｐ／ ｉｊ ｅ ｈｔ：ｗ ｗ ．ｂｔ ． ｕｃ． ｔ ／ ｗ ２１ ．ｕｅ ． ｐ／ ｉｊ ｄ ｎ
学等学科领域 ， 中多种刊物被 Ｓ ｌＳ ｉ ｃ ｉ ｔ ｎＩｄｘ 科学 其 Ｃ （ｅ ｎｅＣｔ ｉ ｅ ， ｅ ａｏ ｎ 引文索引 ） 收录。通过登 录全 国 １ ７所高校图书馆 ： 北京大 学 、 清 华大学 、 复旦大学 、 南京大学 、 同济大学 、 安交 大、 西 上海大学 、 华 东师范大学 、 武汉 大学 、 吉林大学 、 浙江 大学 、 门大学 、 厦 上海交
科技情报开发 与经济
文章编号 ：０ ５ ６ ３ （ ０ ０ ２ — ０ ６ ０ １０ — ０ ３ ２ １ ）２ ０ ９ — ２
Ｓ ＩＴ Ｃ Ｆ Ｒ Ａ ＩＮＤ Ｖ Ｌ Ｐ Ｅ Ｔ＆Ｅ Ｏ Ｏ Ｙ Ｃ—Ｅ ＨＩ Ｏ Ｍ ＴＯ Ｅ Ｅ Ｏ Ｍ Ｎ Ｎ ＣＮＭ
２１年 ００
第 ２ｎｅ ｕ ｎ ｔ ／ ｗ １ ｒｒ ． ａ ． ． ． ｐ／ ｉ ｕ ｄｃ
无线传感器网络中的数据库管理与查询算法
无线传感器网络中的数据库管理与查询算法无线传感器网络（wireless sensor networks，简称WSN）是由大量的小型传感器节点组成的自组织网络。
这些传感器节点能够感知、测量和采集周围环境中的各种信息，并通过传递数据来共同完成特定的任务。
WSN的广泛应用包括环境监测、智能交通、农业监测等领域。
在WSN中，传感器节点具有有限的计算能力、存储容量和能量资源。
由于资源的限制，传感器节点的数据库管理和查询算法成为WSN中的一个重要问题。
传感器网络中的数据库管理和查询算法需要高效地组织和管理数据，同时保证数据的可靠性和安全性。
在WSN中，传感器节点通过收集的数据形成数据流，这些数据可以包括物理参数的测量结果，比如温度、湿度等。
同时，节点还可以收到其他节点传输的数据，形成传感器网络中的整体数据。
为了管理这些数据，一个重要的问题是如何组织存储在传感器节点中的数据。
由于节点的存储能力有限，传感器的数据通常以分布式的方式进行存储。
其中一种方法是将数据分为不同的区块，每个区块由不同的节点负责存储。
这种方式可以提高节点的存储效率，并减少数据的冗余。
为了实现数据的高效查询，WSN中的传感器节点需要设计相应的查询算法。
查询算法的目标是尽可能减少能量消耗和延迟，同时满足用户的查询需求。
常见的查询算法包括基于区域的查询和关键字查询。
基于区域的查询是指根据位置信息，查询范围内的传感器节点所采集的数据。
这种查询方式在许多应用场景下非常有用，比如监测特定区域的温度变化。
为了实现基于区域的查询，传感器节点可以通过与邻居节点之间的通信，将查询请求传递给负责该区域数据存储的节点，并将查询结果传送回用户。
关键字查询是指根据数据内容中的关键字进行查询，可以根据关键字来搜索特定事件、特定参数或特定模式的数据。
为了实现关键字查询，传感器节点可以使用数据聚合和分发的方式，将数据按关键字进行索引，并将相关的数据存储在同一个节点中。
当用户发送关键字查询请求时，相关节点将查询结果返回给用户。
Wsn分级信任管理模型
机制 如 Ｓ Ｉ Ｓ１ ｉｙｅ［ Ｉ Ｓ Ｎ ［ ＴｎＰ ４ ＰＮ ［ ＴｎＳｃ］ Ｎ Ｅ Ｓ￣ ｉｙ Ｋ［ 、 ２ 、 ［ 、 ［ 等 能提供数据机 密性 、 数据完整性 、 节点认 证 、 安 全路由和访 问控制 的有效机制 ，主要用于抵抗 外部攻击， 无法有效解决 由于节点被 俘获而发 生的内部攻击 ， 或者是 由廉价节点器件发生故 障而引起 的数据错误 。 分布式信任管理 的概念 作为对基于密码体系 的安全手段的重要补充 由 Ｂａ 于 １９ 年 首次提 出，之后 在许 多领域 中 ｌ ｅ ９６ ｚ
得到应用 。 由于无线传感器 网络资源受限 ， 传统 的 ｐｐ网络 和 ａ—ｏ ２ ｄｈｅ网络 的信 任 管 理 方 法 环 适合无线传感器网络。本文提出的信任 ＝ｌ０ 可 得 Ｔ＝ ．； Ｉ ， ｉ ＝ Ｏ５ 管理模 型基于 分簇 的无线 传感 器 网络拓 扑结 机制 ４ 启动分簇算 法 ， ． ２ 选出簇首节点 ， 基站广 构 ， 了完全分布或集 中的信任管理模型 ， 取代 从 ３１ ．信任管理模 型。图 ２ 描述 了信 任管理 而节约了传感器节点 的能量 。为了进一步节省 模型 的主要结构 ，每个节点有一个检测机制得 播数据过滤标准 ； ４ 各节点探测 环境 变量 ，形 成数 据向簇 ． ３ 与邻居节点 ｊ 的交互结果 ｒ ｏ ｅ ｒ 从 ｃｄ 资源 ， 信任管理分两级管理 ： 首先在数据融合过 到本节点 ｉ 首传送 ，簇首依据大数选举策略丢弃不合理数 程中通过节点评价能简单有效的识别出严重的 而每个节点维护一个二维表 Ｔ 。 ｒｃ ｄ 。 Ｒ＝ ｅｏ ｛ ｒ｝ ３ ． ２直接 信誉 及 信誉 空 间 向信 任空 间 映 据 ，评估出故障节点和恶意节点 ，标记可疑节 恶意节点和受损节点 ；其次对 可疑节 点应用信 由于传感器 网络资源受限 ， 本文采用简单有 点 ； 任机制进行精确信任管理 ， 根据信 任管理中 射 。 并 ４ 对可疑节点启 动信任评估 ，依据 交互 ． ４ 效 的信誉评估算法 ， ｃｒ。（ ｎ， 是交易成 功 ｒ ｏ ＿ｐ ） ｅ ｄ ， Ｐ － 的惩罚 因素能有效的隔离问题节点。 ｅ ｒｊ ｃｄ ｉ 并及时更新 ； １分簇 ＷＳ Ｎ网络模型 次数 ， 是交易失败 次数 。文献［ ］ ｎ １ 中根据 贝叶 记录 ｒ ｏ ｉ得出 Ｔｉ ｏ ４ 当信任度低 于可信度 阈值 时 ， 首节 ． ５ 簇 本 文的研究 基于层 次结构 的无 线传感 器 斯公 式和 ｐ分 布得 出直接 信誉 （ Ｂ ｐ１ Ｒ， （ ， ＋ ｎ１ 由 ＝［＿ ＋ ） ， Ｒ Ｊ 。 Ｅ 得到信誉空间向信任空间的映 点将其举报给基站 ，基站将该节点从可信路由 网络模型 ，模型 中有三种类型节点 ： 站节点 基 计算 得 出 ＝ ｐ ， ， 从而 能简单 的从节 点 表 中删除 ； ＋ ｔ Ｂ （ａｅ Ｓａｏ ）簇首 节点 Ｃ ＣｕｔｒＨ ａ） ＳＢｓ ｔｔ ｎ、 ｉ Ｈ（ｌｓ — ｅｄ和 射 ， ｅ ４ 基 站也将 周期性 的评估 簇首节 点 ， ． ６ 当 感 应节点 ｓ （ ｎｏ Ｎ ｄ ） 型结构如 图 １ Ｎ Ｂ ｓ ｏｅ， ｅ ｒ 模 所 间交互成功失败的次数得到信任值 。 其信任度较低时将取消簇首资格 ，重新 竞选产 示 。感应节点负责数据采集并将其传 给簇首节 ３ 间接信誉及信誉 的合 成。为得到更 精 ． ３
无线传感器网络(WSN)综述
之所以国内外都投入巨资研究机构纷纷开展无线传感器网络的研究，很大程度归功于其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。
WSN的体系结构
传感器网络结构
数据采集、处理、通信能力
WSN的体系结构（续）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ传感器节点结构
MAC主要负责控制与连接物理层的物理介质
传感器网络由物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层、能量管理平面、移动性管理平面和任务管理平面八个部分组成。
清除发送阶段
WSN的协议（续）
路由协议 和传统的路由协议相比，无线传感器的路由协议有以下特点： 能量优先 基于局部拓扑信息 以数据为中心 应用相关
WSN的协议（续）
基于查询的路由协议。
路由协议分类
能量感知路由协议。
地理位置的路由协议。
可靠的路由协议。
关键技术
网络拓扑控制
01
网络协议
02
网络安全
无线传感器网络（WSN）综述
单击添加副标题
2010/5/6
主要内容：
CONTENTS
WSN概述
历史以及发展现状
WSN的体系结构
01
WSN的特征
WSN的应用
WSN的协议
02
03
04
05
06
WSN概述
无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）系统是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。
WSN的应用（续）
WSN的应用（续）
智能家居
家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连在一起。为人提供人性化的家居环境。 例：Avaak 提供一个只有1立方英寸大小的自治产品。这个微型的无线视频平台包含有一节电池、无线电、摄像相机、(彩色成像器加镜头)、控制器、天线和温度传感器。（如图 ）
数字智慧园林平台建设方案
数字智慧园林平台建设方案数字智慧园林平台建设方案随着人们对环境保护意识的提高和城市绿色化进程的推进，园林绿地越来越成为城市中不可或缺的一部分。
针对现今园林管理存在的一些问题，比如信息化程度不高、管理效率低下、资源利用率不高等问题，我们提出了数字智慧园林平台建设方案。
一、平台目标数字智慧园林平台旨在通过建设全面、实时、智能的信息管理系统，将园林管理科学化、规范化，实现园区管理的精细化、智能化、高效化，为城市绿化发展提供切实可行的解决方案。
二、平台内容1.信息管理系统数字化平台将以信息管理系统为核心，系统整合绿化资产数据，通过数据分析和挖掘提高绿化资源信息利用效率。
同时，将引入现代化的地理信息系统（GIS）、无线传感网络（WSN）等技术，实现实时监测和预测，提高响应速度和治理效果。
2.公众服务平台平台将为市民、游客提供在线预约、在线咨询、在线反馈等一系列公众服务。
通过人工智能、大数据技术的支撑，实现自动化智能应答，提升服务效率和质量。
3.园林管理系统该系统包括园区规划、设计、建设、维护、保护等方面的管理。
管理员工能够一键查看和管理园林中植物、设施等资产气象信息以及公众对园区的评价反馈等，在管理上实现了可视化和智能化。
4.数字营销平台数字营销平台将采用线上线下相结合的营销模式，将园区和活动信息在市场平台和线下广告媒介上进行立体式宣传。
以推广园区形象、吸引人气、提高市场占有率及提升收益为目的。
三、建设方案针对数字智慧园林平台的建设，我们会按以下步骤展开。
1.技术方案设计起初会明确数字智慧园林平台的目标和需求，进而设计出协调的技术架构。
基于高效性、可扩展性、安全性的利益考虑，采用开放的架构以确保平台优秀的性能和体验。
2.平台定制开发会将园区内的所有信息进行收集和统计，建立数据库提供数据支持。
消耗房验证相关信息后，定制开发智能化与公众服务的功能，用户端的APP和后台管理系统的开发完成后。
3.上线调试及数据迁移依据预设计划和流程，进行安装安装、配置与测试，上线调试后进行数据迁移，平台上线界面进行相应调整。
WSN复习知识点
WSN复习知识点填空2分*10名词解释2分*10简答8分*4综合13+15一概述无线传感器网络的标准定义：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.低成本、低功能和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。
2.目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙(Bluetooth)，无线局域网802.11(Wi-Fi)和红外数据传输(IrDA)。
同时更有一些具有发展潜力的近距无线技术标准，他们分别是：ZigBee、超宽频(Ultra Wide Band)、短距通信(NFC)、WiMedia、GPS、DECT、无线1394和专用无线系统等。
3. ZigBee系统采用的是直序扩频技术（DSSS)，使得原来较高的功率、较窄的频率变成较宽的低功率频率，以有效控制噪声，是一种抗干扰能力极强，保密性，可靠性都很高的通信方式。
蓝牙系统采用的是跳频扩频技术（FHSS)，这些系统仅在部分时间才会发生使用频率冲突，其他时间则能在彼此相异无干扰的频道中运作。
4. ZigBee技术特点主要包括：①数据传输速率低。
只有10kb/s~250kb/s,专注于低传输应用。
②功耗低。
在低耗电待机模式下，两节普通五号干电池可使用6个月至2年。
这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。
③低成本。
因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。
④网络容量大。
每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。
⑤有效范围小。
有效覆盖范围10~75m之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。
⑥工作频段灵活。
使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）915MHz（美国），均为免执照频段。
第2章WSN开发环境
2.2.3节点的模块化设计（继）
（1）能量供应 （2）能量获取 （3）直流-直流转换 直流-直流转换器有三种类型： ①线性稳压开关，产生较输入电压低的电压。 ②开关稳压器，能升高电压、降低电压或翻转 输入电压。 ③充电泵，可以升压、降压或翻转输入电压， 但驱动能力有限。
2.2.4传感器节点开发实例
2.2.5常见传感器节点（继）
2.3
WSN的操作系统
2.3.1概述 TinyOS是一个开源的嵌入式操作系统，它 是由加州大学的伯利克分校开发，主要应用于 无线传感器网络方面。 是一种基于组件(Component-Based)的架构方 式，能够快速实现各种应用。TinyOS程序采用 的是模块化设计，程序核心往往都很小。一般 来说，核心代码和数据大概在400B左右，能够 突破传感器存储资源少的限制，使得TinyOS可 以有效地运行在无线传感器网络结点上，并负 责执行相应的管理工作。
图2-5自行设计的节点结构
2.2.4传感器节点开发实例（继）
(3)无线收发器模块设计 CC2420只需要极少的外围元器件，它的 外围电路包括晶振对钟电路、射频输入/输 出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。 常用的原理图、PCB设计工具有Protel、 PADS、OrCAD、Candence、Mentor等。 3.电路板调试 电路板调试的流程图如图2-8所示。
无线传感器网络
第2章WSN开发环境
学习目标
◆ 掌握WSN平台硬件设计 ◆理解WSN的操作系统 ◆了解现代WSN典型实验平台 ◆掌握ZigBee硬件平台
2.1 概述
国内目前在无线传感器网络软件、硬件方面都相应 的发展，在基于国际标准、操作系统之上，已研发了自 己的硬件平台、中间件软件。
无线ZigBee传感器网络系统主要由计算机、 网关、路由节点和网络节点等组成。用户可以很 方便的实现传感器网络的无线化、网络化、规模 化的演示、观测和再次开发。
数据融合技术
4
① 时间融合。对同一传感器对目标在不同时间的测量值进行 融合。
② 空间融合。对不同传感器，在同一时刻的测量值进行融合。 ③ 时空融合。对不同的传感器，在一段时间内的测量值不断 地进行融合。 多传感器数据融合技术的基本原理就像人脑综合处理信息一 样，充分利用多个传感器资源。通过对多传感器及其观测信息的 合理支配和使用，把多传感器在空间或时间上冗余或互补信息依 据某种准则来进行组合，以获得被测对象的一致性解释或描述。
5
数据融合三个重要作用：
（1）节约能量 WSN需要部署大量节点以增强整个网络的鲁棒性和检测信息 的准确性。这必然导致多个节点的检测范围相互重合，这种重叠 使得邻近节点报告的信息会非常接近或者相同，形成大量的信息 冗余。冗余信息对用户需求是没有帮助的，但是却消耗了宝贵的 网络资源。 针对这种情况，对冗余数据进行网内处理就显得十分必要。 中间节点在转发数据前，先对数据进行融合，去除冗余信息，在 满足应用需求的前提下将需要传输的数据量最小化。利用节点处 理器采用网内进行数据融合，以低能耗的计算和存储资源减少高 能耗的通信开销是有意义的。
8
数据融合重要性体现在以下三个方面：
（1）减少能量消耗，延长网络生命周期 数据融合没有减少信息量，但减少了要转发的分组数量，从 而达到减少信道竞争过程产生的能量消耗或者延时。 （2）提高数据的精度 单依靠少量分散的节点所感知的数据难以保证信息的可靠性， 需要将具有相同观测目标的数据综合起来处理，这样才能得到精 度较高的数据。 （3）提高数据收集效率 在网络内执行数据融合后，收集数据的效率会有显著的增长。 网内数据融合虽然减少了能量的耗费，提高了数据收集的精 度和效率，但也降低了网络的性能，主要表现为增大了网络延时 和降低网络的健壮性。