無線傳感器網(wǎng)絡系

1、無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)楊興果共二十頁內(nèi)容(nirng)WSN的定義與無線通信技術(shù)簡介WSN的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)WSN的網(wǎng)絡體系WSN開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)及熱點問題WSN的應用(yngyng)場合共二十頁無線傳感器網(wǎng)絡定義(dngy)及通信技術(shù)隨著微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系統(tǒng)（System on Chip， SoC ）、無線通信和 低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展,孕育出無線傳感器網(wǎng)絡（Wirless Sensor Network, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信 息感知的一場變革，是一個新興的交叉研究領(lǐng)域，其定義如下：無

2、線傳感器網(wǎng)絡（WSN）由部署在監(jiān)測區(qū)內(nèi)大量的、廉價的、微型的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸(chun sh)網(wǎng)絡覆蓋地域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報給用戶。共二十頁無線傳感器網(wǎng)絡使用的通信技術(shù)主要(zhyo)有：WiFi (IEEE 802.11n)藍牙（Bluetooth)技術(shù)ZigBee 技術(shù)低功率短距離無線通信標準Bluetooth802.11b (WiFi)802.15.4 (ZigBee)Nordic nRF905應用領(lǐng)域代替外設線纜無線接入檢測與控制無線數(shù)據(jù)傳輸工作頻段（Hz）2.4G2.4G2.4G433/868/915M帶寬（k

3、bps）1000300011000+20250100節(jié)點個數(shù)732254000100發(fā)送功率/mA45 (2類)150 (1類)3003011低占空比支持弱弱強弱調(diào)制方式FHSSDSSSDSSSGFSK傳輸距離/m20 (2類)100+ （1類）100+2070100+ （放大器）200技術(shù)優(yōu)勢成本，便捷帶寬，靈活性功耗，成本功耗，成本，便捷共二十頁傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 匯聚(hu j)節(jié)點 遠程(yunchng)任務管理用戶衛(wèi)星通訊網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)感知現(xiàn)場傳感器節(jié)點無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖共二十頁 傳感器模塊(m kui)傳感器節(jié)點(ji din) 電源模塊它具有信息采集、處理、控制和通信等功能，對于網(wǎng)

4、絡而言它有兼顧其他節(jié)點和路由器的功能。傳感器AD/DC 處理模塊 CPURAMFLASH 通信模塊 網(wǎng)絡 MAC 收發(fā)器GPS 系統(tǒng)移動系統(tǒng)傳感器硬件結(jié)構(gòu)框架示意圖共二十頁常見(chn jin)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)終端(zhn dun)節(jié)點路由器星型鏈型網(wǎng)絡型共二十頁基站節(jié)點(ji din)控制(kngzh)模塊通信模塊存儲模塊電源模塊CC2530串口模塊晶振模塊電源模塊Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點顯示模塊共二十頁WSN體系結(jié)構(gòu)WSN 協(xié)議(xiy)體系結(jié)構(gòu)示意圖分布式網(wǎng)絡服務接口時間同步定位傳輸控制路由媒體接入拓撲RFIROptical分布式網(wǎng)絡管理接口 能量管理拓撲管理 服務質(zhì)量 網(wǎng)絡管理網(wǎng)絡安全移動

5、控制遠程管理應用層傳輸層網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層物理層WSN的體系結(jié)構(gòu)分為三部分：分層的網(wǎng)絡通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡管理和應用(yngyng)支撐技術(shù)。共二十頁分層網(wǎng)絡通信協(xié)議：物理層提供簡單健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)，包括信道的選擇、無線信號檢測、信號的發(fā)送與接收等。數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制。在無線傳感器網(wǎng)絡(wnglu)中保證節(jié)點之間的可靠無線通信。網(wǎng)絡層主要負責路由生成與路由選擇。傳輸層主要負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務質(zhì)量的重要部分。應用層包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件。共二十頁傳感器網(wǎng)絡管理技術(shù)主要對傳感器節(jié)點自身的管理以及用戶對傳感器網(wǎng)絡的管理，如能量管理、

6、拓撲管理、網(wǎng)絡管理、網(wǎng)絡安全、移動管理和遠程管理等。傳感器應用支撐技術(shù)是建立在封層協(xié)議和網(wǎng)絡管理技術(shù)的基礎上為用戶提供了各種具體的應用支持，包括時間同步、節(jié)點定位(dngwi)以及向用戶提供協(xié)同應用服務接口等。共二十頁WSN的網(wǎng)絡(wnglu)特點大規(guī)模網(wǎng)絡：為獲取精確信息，部署大量傳感器節(jié)點數(shù)量多分布密集，減少監(jiān)測盲點，增強容錯性。自組織：WSN布設不依賴于預設的網(wǎng)絡設施，節(jié)點通過協(xié)議協(xié)調(diào)各自行為，開機即自動組成網(wǎng)絡。自組織性適應節(jié)點失效或增加使得網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化?？煽康木W(wǎng)絡：適應各種惡劣的環(huán)境，監(jiān)測區(qū)域限制(xinzh)和龐大的數(shù)量造成維護困難。與應用相關(guān)：不同的網(wǎng)絡，不同的硬件平臺、軟

7、件系統(tǒng)、網(wǎng)絡協(xié)議資源有限：功耗、節(jié)點的硬件資源、計算能力和處理能力以數(shù)據(jù)為中心：用戶以數(shù)據(jù)為中心進行數(shù)據(jù)的收集，不依賴于節(jié)點標識。共二十頁與傳統(tǒng)傳感器系統(tǒng)相比其優(yōu)點如下： 精確高：實現(xiàn)單一的傳感器無法實現(xiàn)的密集空間(kngjin)采樣及近距離監(jiān)測。 靈活性強：一經(jīng)部署無需人為干預。 可靠性高：可以避免單點失效問題 性價比高：降低有線傳輸成本，隨著技術(shù)的發(fā)展，傳感器成本低共二十頁WSN的關(guān)鍵技術(shù)及研究(ynji)熱點低功耗技術(shù)電源能量有限：通常電池供電、工作環(huán)境惡劣，一次部署終生使用，難于(nny)更換。無線通信技術(shù)通信能力有限：速率小，覆蓋范圍小幾十米到幾百米，需在有限的通信能力條件下完成探測

8、數(shù)據(jù)傳輸。嵌入式系統(tǒng)設計計算處理能力有限：節(jié)點體積小，處理器能力弱、存儲容量小，不允許進行復雜算法運算。多跳自組織的網(wǎng)絡路由自組織的動態(tài)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)：傳感器沒有基站、節(jié)點失效、新節(jié)點的加入，導致網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)性。共二十頁數(shù)據(jù)融合方法以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡：用戶感興趣的是數(shù)據(jù)而不是網(wǎng)絡和傳感器硬件，在滿足用戶需求條件下，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合處理以節(jié)省帶寬和能量，提高信息收集效率。網(wǎng)絡安全性網(wǎng)絡攻擊無處不在：傳感器節(jié)點的物理操縱、傳感器信息的竊聽(qi tn)、拒絕服務攻擊、私有信息泄密等等，需要保護機密數(shù)據(jù)和防御網(wǎng)絡攻擊。共二十頁利用(lyng)MEMS技術(shù)設計小型化的節(jié)點設備和對網(wǎng)絡本身的研究。

9、電池無線充電技術(shù)、太陽能和節(jié)點供電相結(jié)合。無線傳感器網(wǎng)絡的安全問題：低開銷協(xié)議設計完成數(shù)據(jù)加密、認證、入侵檢測以及在破壞和受干擾的條件小可靠完成任務。在無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡協(xié)議研究主要集中于MAC協(xié)議和路由協(xié)議。MAC層是構(gòu)建底層的基礎結(jié)構(gòu)，控制無線傳感器節(jié)點的通信過程和工作模式。路由協(xié)議要關(guān)注節(jié)點與全網(wǎng)的能量消耗。常用的MAC協(xié)議有：IEEE802.15.4、S-MAC、及T-MAC協(xié)議等；路由協(xié)議有：SPIN、DO、GEM、LEACH等協(xié)議。WSN的熱點(r din)與難點問題：共二十頁WSN的應用領(lǐng)域 （1）軍事應用 WSN應用最早起源于軍事領(lǐng)域。利用WSN可以快速部署、自行組織網(wǎng)絡、隱

10、蔽性強、高容錯性的特點。可以在戰(zhàn)場(zhnchng)上廣泛應用。 包括：對敵軍兵力、武器的監(jiān)測、戰(zhàn)場實時監(jiān)視、目標定位與鎖定、戰(zhàn)果評估等。 （2）環(huán)境科學 隨著人們對環(huán)境的日益關(guān)注、環(huán)境科學涉及的范圍越來越廣發(fā)。WSN通常用于跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，分析環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響，監(jiān)測降雨量、森林火災報警等等。 （3）醫(yī)療健康 通過在患者身上安裝用于監(jiān)測身體機能的微型傳感器節(jié)點，如心率和血壓設備等，醫(yī)生可以遠程監(jiān)視測試人群的健康狀況；將一些微型傳感器植入人體器官中或吞服的方式進入人體用來隨時觀測器官的生理狀態(tài)。共二十頁 （4）智能家居 在家電和家居中嵌入WSN的傳感器節(jié)點，并與互聯(lián)網(wǎng)連接在一起。可以

11、提供更舒適、方便、更具人性化的家居環(huán)境。如下班前遙控家里(ji l)的電飯鍋、微波爐、電話機、空調(diào)等按照自己的意愿完成相應的工作。 （5）工業(yè)應用可以用于車輛的跟蹤、機械故障診斷、生產(chǎn)過程監(jiān)控等。如將WSN和RFID技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)智能交通。在一些危險的工作環(huán)境如：煤礦、石油鉆井、核電廠利用WSN探測工作現(xiàn)場的一些重要信息。Intel公司曾在芯片制造設備上安裝過200個傳感器節(jié)點來監(jiān)控設備的震動情況，并在測量結(jié)果超出規(guī)定時提供監(jiān)測報告。（6）其他方面WSN在城市交通、安全、空間搜索以及商業(yè)領(lǐng)域也有廣闊的應用前景。共二十頁謝謝(xi xie)各位老師！共二十頁內(nèi)容摘要無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)。WiFi (IEEE 802.11n)。433/868/915M。WSN的體系結(jié)構(gòu)分為三部分：分層的網(wǎng)絡通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡管理和應用支撐技術(shù)。網(wǎng)絡層主要負責路由生成與路由選擇。傳輸層主要負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務質(zhì)量的重要部分。