無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)wsn

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network,WSN） 是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。 21.傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。 大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最

2、后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。31.傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)任務(wù)管理中心 Internet、衛(wèi)星或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等匯聚節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域傳感器節(jié)點(diǎn)41.傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn) 通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。 從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理，同時(shí)與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。51.傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)匯聚節(jié)點(diǎn) 匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相

3、對(duì)比較強(qiáng)，它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet 等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。 匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計(jì)算資源，也可以是沒有監(jiān)測(cè)功能僅帶有無(wú)線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。62.傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)傳感器模塊：負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理器模塊：負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理 本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)無(wú)線通信模塊：負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信， 交 換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)能量供應(yīng)模塊：傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用 微型

4、電池72.傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)83.傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 右圖是早期提出的一個(gè)協(xié)議棧，這個(gè)協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對(duì)應(yīng)。 協(xié)議棧還包括能量管理平臺(tái)、移動(dòng)管理平和任務(wù)管理平臺(tái)。這些管理平臺(tái)使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，支持多任務(wù)和資源共享。93.傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 物理層提供簡(jiǎn)單但健壯的信號(hào)調(diào)制和無(wú)線收發(fā)技術(shù)； 數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、媒體訪問和差錯(cuò)控制； 網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇； 傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制； 應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)

5、的應(yīng)用層軟件； 能量管理平臺(tái)管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能源，在各個(gè)協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量； 移動(dòng)管理平臺(tái)檢測(cè)并注冊(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤其鄰居的位置； 任務(wù)管理平臺(tái)在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測(cè)任務(wù)。103.傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧右圖所示的協(xié)議棧細(xì)化并改進(jìn)了原始模型。定位和時(shí)間同步子層在協(xié)議棧中的位置比較特殊。它們既要依賴于數(shù)據(jù)傳輸通道進(jìn)行協(xié)作定位和時(shí)間同步協(xié)商，同時(shí)又要為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層提供信息支持。 右邊的諸多機(jī)制一部分融入到上圖所示的各層協(xié)議中，用以優(yōu)化和管理協(xié)議流程；另一部分獨(dú)立在協(xié)議外層，通過各種收集和配置接口對(duì)相應(yīng)機(jī)制進(jìn)行配置和監(jiān)控。114.傳感器

6、節(jié)點(diǎn)的限制電池能量有限1通信能力有限2計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限3125.傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) （1）大規(guī)模網(wǎng)絡(luò) 傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性包括兩方面含義： 一方面是傳感器節(jié)點(diǎn)分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)，需要部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)；另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)部署很密集，在一個(gè)面積不是很大的空間內(nèi)，密集部署了大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性具有的優(yōu)點(diǎn)：通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量的采集信息能夠提高監(jiān)測(cè)的精確度，降低對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器的精度要求；大量冗余節(jié)點(diǎn)的存在，使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性能；大量節(jié)點(diǎn)能夠增大覆蓋的監(jiān)測(cè)區(qū)域，減少洞穴或者盲區(qū)。135.傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) （2）自組織網(wǎng)絡(luò) 在

7、傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方。傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道。這樣就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 在傳感器網(wǎng)絡(luò)使用過程中，部分傳感器節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，也有一些節(jié)點(diǎn)為了彌補(bǔ)失效節(jié)點(diǎn)、增加監(jiān)測(cè)精度而補(bǔ)充到網(wǎng)絡(luò)中，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)就動(dòng)態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之動(dòng)態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。145.傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) （3）動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò) 傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能

8、因?yàn)橄铝幸蛩囟淖儯涵h(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效；環(huán)境條件變化可能造成無(wú)線通信鏈路帶寬變化， 甚至?xí)r斷時(shí)通；傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性；新節(jié)點(diǎn)的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化，具有動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性。155.傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)（4）可靠的網(wǎng)絡(luò) 傳感器網(wǎng)絡(luò)特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達(dá)的區(qū)域，傳感器節(jié)點(diǎn)可能工作在露天環(huán)境中，往往采用隨機(jī)部署，這些都要求傳感器節(jié)點(diǎn)非常堅(jiān)固，不易損壞，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件。 由于監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大， 不可能人工“照顧” 每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)， 網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)。

9、傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信保密性和安全性也十分重要， 要防止監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造的監(jiān)測(cè)信息。 因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有魯棒性和容錯(cuò)性。165.傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)（5）應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò) 傳感器網(wǎng)絡(luò)用來感知客觀物理世界， 獲取物理世界的信息量。 客觀世界的物理量多種多樣， 不可窮盡。 不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量， 因此對(duì)傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。175.傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)（6）以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò) 由于傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署， 構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點(diǎn)編號(hào)之間的關(guān)系是完全動(dòng)態(tài)的， 表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)位置沒有必然聯(lián)系。 用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時(shí)， 直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)， 而不是

10、通告給某個(gè)確定編號(hào)的節(jié)點(diǎn)。 網(wǎng)絡(luò)在獲得指定事件的信息后匯報(bào)給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語(yǔ)言交流的習(xí)慣。 所以通常說傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。186.傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用軍事環(huán)境觀測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)醫(yī)療護(hù)理智能家居建筑物狀態(tài)監(jiān)控其他196.傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 傳感器網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估 生活習(xí)性監(jiān)測(cè) 地震監(jiān)測(cè) 深海監(jiān)控 醫(yī)療狀況監(jiān)控 目標(biāo)跟蹤和檢測(cè)小區(qū)安全監(jiān)控 精細(xì)農(nóng)業(yè) 森林火災(zāi)監(jiān)控206.傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)例展示 智能家居 廠房設(shè)備及環(huán)境監(jiān)控 精細(xì)農(nóng)業(yè) 種植 醫(yī)院病房 電子巡檢21無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例醫(yī)院病房電子巡檢 22無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例醫(yī)院病房電

11、子巡檢 在病人身上安裝帶有射頻標(biāo)簽的微型無(wú)線傳感器，動(dòng)態(tài)感知病人信息。23無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例醫(yī)院病房電子巡檢 病房外的醫(yī)生攜帶PDA等通訊設(shè)施。24無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例醫(yī)院病房電子巡檢 得知病人病情后，醫(yī)生將通知值勤護(hù)士或者急救人員前往病房救助。25 智能家居 廠房設(shè)備及環(huán)境監(jiān)控 精細(xì)農(nóng)業(yè) 種植 醫(yī)院病房 電子巡檢26無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例精細(xì)農(nóng)業(yè)種植27無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例精細(xì)農(nóng)業(yè)種植農(nóng)場(chǎng)監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)場(chǎng)信息，耕作者及時(shí)了解農(nóng)場(chǎng)溫度、光照度、土壤酸堿度等，以便對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況進(jìn)行控制。28 智能家居 廠房設(shè)備及 環(huán)境監(jiān)控 精細(xì)農(nóng)業(yè) 種植 醫(yī)院病房 電子巡檢29無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例智能家居監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)30無(wú)線傳感器網(wǎng)