無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jiǎn)介WSN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)WSN的網(wǎng)絡(luò)體系WSN開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)及熱點(diǎn)問題WSN的應(yīng)用(yngyng)場(chǎng)合共二十頁無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義(dngy)及通信技術(shù)隨著微機(jī)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(luò)（Wirless Sensor Network, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來了信 息感知的一場(chǎng)變革，是一個(gè)新興的交叉研究領(lǐng)域，其定義如下：無

2、線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)大量的、廉價(jià)的、微型的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸(chun sh)網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息，并報(bào)給用戶。共二十頁無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用的通信技術(shù)主要(zhyo)有：WiFi (IEEE 802.11n)藍(lán)牙（Bluetooth)技術(shù)ZigBee 技術(shù)低功率短距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)Bluetooth802.11b (WiFi)802.15.4 (ZigBee)Nordic nRF905應(yīng)用領(lǐng)域代替外設(shè)線纜無線接入檢測(cè)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(diǎn)個(gè)數(shù)732254000100發(fā)送功率/mA45 (2類)150 (1類)3003011低占空比支持弱弱強(qiáng)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(shì)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(luò)結(jié)構(gòu) 匯聚(hu j)節(jié)點(diǎn) 遠(yuǎn)程(yunchng)任務(wù)管理用戶衛(wèi)星通訊網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)感知現(xiàn)場(chǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖共二十頁 傳感器模塊(m kui)傳感器節(jié)點(diǎn)(ji din) 電源模塊它具有信息采集、處理、控制和通信等功能，對(duì)于網(wǎng)

4、絡(luò)而言它有兼顧其他節(jié)點(diǎn)和路由器的功能。傳感器AD/DC 處理模塊 CPURAMFLASH 通信模塊 網(wǎng)絡(luò) MAC 收發(fā)器GPS 系統(tǒng)移動(dòng)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)終端(zhn dun)節(jié)點(diǎn)路由器星型鏈型網(wǎng)絡(luò)型共二十頁基站節(jié)點(diǎn)(ji din)控制(kngzh)模塊通信模塊存儲(chǔ)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(diǎn)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(luò)服務(wù)接口時(shí)間同步定位傳輸控制路由媒體接入拓?fù)銻FIROptical分布式網(wǎng)絡(luò)管理接口 能量管理拓?fù)涔芾?服務(wù)質(zhì)量 網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)絡(luò)安全移動(dòng)

5、控制遠(yuǎn)程管理應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)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(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理和應(yīng)用(yngyng)支撐技術(shù)。共二十頁分層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議：物理層提供簡(jiǎn)單健壯的信號(hào)調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)，包括信道的選擇、無線信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)的發(fā)送與接收等。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀、幀檢測(cè)、媒體訪問和差錯(cuò)控制。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)中保證節(jié)點(diǎn)之間的可靠無線通信。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇。傳輸層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分。應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件。共二十頁傳感器網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)主要對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)自身的管理以及用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，如能量管理、

6、拓?fù)涔芾?、網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)安全、移動(dòng)管理和遠(yuǎn)程管理等。傳感器應(yīng)用支撐技術(shù)是建立在封層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)上為用戶提供了各種具體的應(yīng)用支持，包括時(shí)間同步、節(jié)點(diǎn)定位(dngwi)以及向用戶提供協(xié)同應(yīng)用服務(wù)接口等。共二十頁WSN的網(wǎng)絡(luò)(wnglu)特點(diǎn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)：為獲取精確信息，部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量多分布密集，減少監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)，增強(qiáng)容錯(cuò)性。自組織：WSN布設(shè)不依賴于預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)通過協(xié)議協(xié)調(diào)各自行為，開機(jī)即自動(dòng)組成網(wǎng)絡(luò)。自組織性適應(yīng)節(jié)點(diǎn)失效或增加使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化?？煽康木W(wǎng)絡(luò)：適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，監(jiān)測(cè)區(qū)域限制(xinzh)和龐大的數(shù)量造成維護(hù)困難。與應(yīng)用相關(guān)：不同的網(wǎng)絡(luò)，不同的硬件平臺(tái)、軟

7、件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議資源有限：功耗、節(jié)點(diǎn)的硬件資源、計(jì)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(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，不依賴于節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)。共二十頁與傳統(tǒng)傳感器系統(tǒng)相比其優(yōu)點(diǎn)如下： 精確高：實(shí)現(xiàn)單一的傳感器無法實(shí)現(xiàn)的密集空間(kngjin)采樣及近距離監(jiān)測(cè)。 靈活性強(qiáng)：一經(jīng)部署無需人為干預(yù)。 可靠性高：可以避免單點(diǎn)失效問題 性價(jià)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(diǎn)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(cè)

8、數(shù)據(jù)傳輸。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算處理能力有限：節(jié)點(diǎn)體積小，處理器能力弱、存儲(chǔ)容量小，不允許進(jìn)行復(fù)雜算法運(yùn)算。多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)路由自組織的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：傳感器沒有基站、節(jié)點(diǎn)失效、新節(jié)點(diǎn)的加入，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)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(luò)：用戶感興趣的是數(shù)據(jù)而不是網(wǎng)絡(luò)和傳感器硬件，在滿足用戶需求條件下，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(luò)安全性網(wǎng)絡(luò)攻擊無處不在：傳感器節(jié)點(diǎn)的物理操縱、傳感器信息的竊聽(qi tn)、拒絕服務(wù)攻擊、私有信息泄密等等，需要保護(hù)機(jī)密數(shù)據(jù)和防御網(wǎng)絡(luò)攻擊。共二十頁利用(lyng)MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)小型化的節(jié)點(diǎn)設(shè)備和對(duì)網(wǎng)絡(luò)本身的研究。

9、電池?zé)o線充電技術(shù)、太陽能和節(jié)點(diǎn)供電相結(jié)合。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題：低開銷協(xié)議設(shè)計(jì)完成數(shù)據(jù)加密、認(rèn)證、入侵檢測(cè)以及在破壞和受干擾的條件小可靠完成任務(wù)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)結(jié)構(gòu)，控制無線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信過程和工作模式。路由協(xié)議要關(guān)注節(jié)點(diǎn)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(diǎn)(r din)與難點(diǎn)問題：共二十頁WSN的應(yīng)用領(lǐng)域 （1）軍事應(yīng)用 WSN應(yīng)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(luò)、隱

10、蔽性強(qiáng)、高容錯(cuò)性的特點(diǎn)。可以在戰(zhàn)場(chǎng)(zhnchng)上廣泛應(yīng)用。 包括：對(duì)敵軍兵力、武器的監(jiān)測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)視、目標(biāo)定位與鎖定、戰(zhàn)果評(píng)估等。 （2）環(huán)境科學(xué) 隨著人們對(duì)環(huán)境的日益關(guān)注、環(huán)境科學(xué)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(duì)農(nóng)作物的影響，監(jiān)測(cè)降雨量、森林火災(zāi)報(bào)警等等。 （3）醫(yī)療健康 通過在患者身上安裝用于監(jiān)測(cè)身體機(jī)能的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，如心率和血壓設(shè)備等，醫(yī)生可以遠(yuǎn)程監(jiān)視測(cè)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(jìn)入人體用來隨時(shí)觀測(cè)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(diǎn)，并與互聯(lián)網(wǎng)連接在一起?？梢?/p>

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(jī)、空調(diào)等按照自己的意愿完成相應(yīng)的工作。 （5）工業(yè)應(yīng)用可以用于車輛的跟蹤、機(jī)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(shí)現(xiàn)智能交通。在一些危險(xiǎn)的工作環(huán)境如：煤礦、石油鉆井、核電廠利用WSN探測(cè)工作現(xiàn)場(chǎng)的一些重要信息。Intel公司曾在芯片制造設(shè)備上安裝過200個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)來監(jiān)控設(shè)備的震動(dòng)情況，并在測(cè)量結(jié)果超出規(guī)定時(shí)提供監(jiān)測(cè)報(bào)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(yīng)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(luò)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(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理和應(yīng)用支撐技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇。傳輸層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分。