無線通信原理與應(yīng)用-27-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)課件

電氣工程學(xué)院通信工程系第2章現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)

（IntroductiontoWirelessCommunicationSystems）電氣工程學(xué)院通信工程系第2章現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)

（Int1電氣工程學(xué)院通信工程系§2.7無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WirelessSensorNetwork(WSN)電氣工程學(xué)院通信工程系§2.7無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2電氣工程學(xué)院通信工程系普適計算未來計算將充斥于我們的日常生活中的每個角落智能空間(Ambientintelligence)/普適計算(Ubiquitouscomputing)大量不同種設(shè)備采集、處理來自不同來源的信息以供控制實際過程并與用戶交互?智能空間所需信息的來源：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)?這些由單個節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)需要相互合作完成指定任務(wù)。?節(jié)點間通過無線通信完成相互的合作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)智能空間的重要組成部分電氣工程學(xué)院通信工程系普適計算未來計算將充斥于我們的日常3電氣工程學(xué)院通信工程系普適計算需求——自組織網(wǎng)絡(luò)

只能有效地處理有限的連接設(shè)備下一代網(wǎng)絡(luò)需要具有自治和主動的能力電氣工程學(xué)院通信工程系普適計算需求——自組織網(wǎng)絡(luò)只能有4電氣工程學(xué)院通信工程系普適計算需求——傳感信息

傳感信息是我們了解世界的唯一手段新型計算需要獲取環(huán)境信息以便提供用戶相應(yīng)的服務(wù)電氣工程學(xué)院通信工程系普適計算需求——傳感信息傳感信息5電氣工程學(xué)院通信工程系普適計算需求——無線連接

有線方式連接：高額費用和使用局限性電氣工程學(xué)院通信工程系普適計算需求——無線連接有線方式6電氣工程學(xué)院通信工程系信息獲取與信息發(fā)布

有線方式連接：高額費用和使用局限性電氣工程學(xué)院通信工程系信息獲取與信息發(fā)布有線方式連接：7電氣工程學(xué)院通信工程系WSN概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork,WSN）系統(tǒng)是當前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等。

電氣工程學(xué)院通信工程系WSN概述無8電氣工程學(xué)院通信工程系無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork,WSN）就是由部署在檢測區(qū)域內(nèi)大量的廉價衛(wèi)星傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知的對象信息，并發(fā)送給觀察者。構(gòu)成WSN的三要素：傳感器、感知對象、觀察者。WSN概述（續(xù)）電氣工程學(xué)院通信工程系無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless9電氣工程學(xué)院通信工程系MEMS技術(shù)對WSN的推動電氣工程學(xué)院通信工程系MEMS技術(shù)對WSN的推動10電氣工程學(xué)院通信工程系無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電氣工程學(xué)院通信工程系無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)11電氣工程學(xué)院通信工程系影響力☆美國商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評論在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展報告中將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀最有影響的21項技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一?！顐鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)被列為未來3大高科技產(chǎn)業(yè)一。☆美國的《技術(shù)評論》將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項未來新興技術(shù)。

☆《商業(yè)周刊》預(yù)測的未來4大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中等。WSN概述（續(xù)）電氣工程學(xué)院通信工程系影響力WSN概述（續(xù)）12電氣工程學(xué)院通信工程系歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀國外：起源于美國，根源可追溯到1978年由國防部高級研究計劃署（DARPA）在卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)發(fā)起的分布式傳感器研討會。具有代表性的項目包括：1993-1999年間由美國國防高級研究計劃署(DARPA)資助，加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)承擔的WINS項目；

1999-2001年間由DAPRA資助UC

Berkeley承擔的Smart

Dust項目。電氣工程學(xué)院通信工程系歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀國外：13電氣工程學(xué)院通信工程系

1998-2002年DARPA資助，加州大學(xué)伯克利分校等25個機構(gòu)聯(lián)合承擔的SensIT計劃；

1999-2004年間海軍研究辦公室的SeaWeb計劃等。國內(nèi)：中國的一些研究機構(gòu)近年開始研究：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)、北京郵電大學(xué)、中科院計算所、上海微系統(tǒng)所、沈陽自動化所以及合肥智能所等研究單位。之所以國內(nèi)外都投入巨資研究機構(gòu)紛紛開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，很大程度歸功于其廣闊的應(yīng)用前景和對社會生活的巨大影響。電氣工程學(xué)院通信工程系1998-20014電氣工程學(xué)院通信工程系WSN的應(yīng)用☆軍事上的應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強和高容錯性的特點，因此非常適合軍事上的應(yīng)用。通過飛機或炮彈直接將傳感器節(jié)點散播到敵方陣地內(nèi)部，或者在公共隔離帶部署傳感網(wǎng)絡(luò)，就能隱蔽而且近距離的準確收集戰(zhàn)場信息。例:傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為美軍事C4ISRT系統(tǒng)必不可少的一部分。電氣工程學(xué)院通信工程系WSN的應(yīng)用☆軍事上的應(yīng)用15電氣工程學(xué)院通信工程系☆環(huán)境觀測和預(yù)報系統(tǒng)可以用于檢視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣情況、牲畜和家禽的環(huán)境狀況和大面積的地表監(jiān)測、氣象和地理研究、洪水監(jiān)測等。例：ALERT系統(tǒng)中就有用于監(jiān)測降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預(yù)測爆發(fā)山洪的可能性。電氣工程學(xué)院通信工程系☆環(huán)境觀測和預(yù)報系統(tǒng)16電氣工程學(xué)院通信工程系☆醫(yī)療護理用于人體的各種生理數(shù)據(jù)，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動，醫(yī)院的藥物管理等。例：一個可以成像的特殊發(fā)送器芯片與精巧設(shè)計的超低功率無線技術(shù)結(jié)合，就可以實現(xiàn)可用于一個胃腸道診斷的微型吞服攝像膠囊?；颊咄滔戮SC片大小的成像膠囊后，膠囊經(jīng)過食道、胃和小腸時就可將圖象廣播出來。膠囊由一個攝象機、LED、電池、特制芯片和天線組成。（如圖）電氣工程學(xué)院通信工程系☆醫(yī)療護理17電氣工程學(xué)院通信工程系精細農(nóng)業(yè)醫(yī)療保健電氣工程學(xué)院通信工程系精細農(nóng)業(yè)18電氣工程學(xué)院通信工程系☆智能家居家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網(wǎng)絡(luò)與Internet連在一起。為人提供人性化的家居環(huán)境。例：Avaak提供一個只有1立方英寸大小的自治產(chǎn)品。這個微型的無線視頻平臺包含有一節(jié)電池、無線電、攝像相機、(彩色成像器加鏡頭)、控制器、天線和溫度傳感器。電氣工程學(xué)院通信工程系☆智能家居19電氣工程學(xué)院通信工程系☆建筑物狀態(tài)監(jiān)控利用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控建筑物的安全狀態(tài)。例：Microstrain在佛蒙特州的一座重載橋梁上安裝了一套該公司研制的系統(tǒng)，將位移傳感器安裝在鋼梁上用來測量靜態(tài)和動態(tài)應(yīng)力，并通過無線網(wǎng)絡(luò)來采集數(shù)據(jù)。該無線系統(tǒng)可以保留在橋梁上用于長期監(jiān)測橋梁是否處于正常受控狀態(tài)。電氣工程學(xué)院通信工程系☆建筑物狀態(tài)監(jiān)控20電氣工程學(xué)院通信工程系電氣工程學(xué)院通信工程系21電氣工程學(xué)院通信工程系☆完成空間探索借助于航天器在外星體撒播一些傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，可以對星球表面進行長時間監(jiān)測。成本低、節(jié)點體積小，相互之間可以進行通信，也可以和地面站進行通信。例：NASA的JPL（JetPropulsionLaboratory）實驗室研制的SensorWebs就是為將來的火星探測進行技術(shù)準備。該系統(tǒng)已經(jīng)在實施測試和完善。電氣工程學(xué)院通信工程系☆完成空間探索22電氣工程學(xué)院通信工程系☆廠房安全☆故障診斷電氣工程學(xué)院通信工程系☆廠房安全23電氣工程學(xué)院通信工程系WSN的體系結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電氣工程學(xué)院通信工程系WSN的體系結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)24電氣工程學(xué)院通信工程系傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)電氣工程學(xué)院通信工程系傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)25電氣工程學(xué)院通信工程系傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧WSN的體系結(jié)構(gòu)電氣工程學(xué)院通信工程系傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧WSN的體系結(jié)構(gòu)26電氣工程學(xué)院通信工程系WSN的特征☆與無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別傳感器網(wǎng)絡(luò)集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點數(shù)目龐大（上千甚至上萬），分布密集，因環(huán)境和能量的耗盡，容易出現(xiàn)故障，節(jié)點通常固定不動。能量、處理能力、存儲能力、通信能力有限。不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的高服務(wù)質(zhì)量和高效的帶寬的利用，節(jié)能是其設(shè)計的首要考慮因素。電氣工程學(xué)院通信工程系WSN的特征☆與無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別27電氣工程學(xué)院通信工程系WSN的特征☆節(jié)點的限制

※電池能量有限

※通信能力有限能量消耗和通信距離關(guān)系E正比于d(n).{2<n<4}※計算和存儲能力有限電氣工程學(xué)院通信工程系WSN的特征☆節(jié)點的限制28電氣工程學(xué)院通信工程系☆傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點：大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)自組織網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)可靠性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)WSN的特征電氣工程學(xué)院通信工程系☆傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點：WSN的特征29電氣工程學(xué)院通信工程系關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時間同步定位技術(shù)網(wǎng)絡(luò)拓撲控制數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)管理無線通信技術(shù)嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用層技術(shù)電氣工程學(xué)院通信工程系關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議30電氣工程學(xué)院通信工程系第2章現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)

（IntroductiontoWirelessCommunicationSystems）電氣工程學(xué)院通信工程系第2章現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)

（Int31電氣工程學(xué)院通信工程系§2.7無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WirelessSensorNetwork(WSN)電氣工程學(xué)院通信工程系§2.7無線傳感器網(wǎng)絡(luò)32電氣工程學(xué)院通信工程系普適計算未來計算將充斥于我們的日常生活中的每個角落智能空間(Ambientintelligence)/普適計算(Ubiquitouscomputing)大量不同種設(shè)備采集、處理來自不同來源的信息以供控制實際過程并與用戶交互?智能空間所需信息的來源：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)?這些由單個節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)需要相互合作完成指定任務(wù)。?節(jié)點間通過無線通信完成相互的合作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)智能空間的重要組成部分電氣工程學(xué)院通信工程系普適計算未來計算將充斥于我們的日常33電氣工程學(xué)院通信工程系普適計算需求——自組織網(wǎng)絡(luò)

只能有效地處理有限的連接設(shè)備下一代網(wǎng)絡(luò)需要具有自治和主動的能力電氣工程學(xué)院通信工程系普適計算需求——自組織網(wǎng)絡(luò)只能有34電氣工程學(xué)院通信工程系普適計算需求——傳感信息

傳感信息是我們了解世界的唯一手段新型計算需要獲取環(huán)境信息以便提供用戶相應(yīng)的服務(wù)電氣工程學(xué)院通信工程系普適計算需求——傳感信息傳感信息35電氣工程學(xué)院通信工程系普適計算需求——無線連接

有線方式連接：高額費用和使用局限性電氣工程學(xué)院通信工程系普適計算需求——無線連接有線方式36電氣工程學(xué)院通信工程系信息獲取與信息發(fā)布

有線方式連接：高額費用和使用局限性電氣工程學(xué)院通信工程系信息獲取與信息發(fā)布有線方式連接：37電氣工程學(xué)院通信工程系WSN概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork,WSN）系統(tǒng)是當前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等。

電氣工程學(xué)院通信工程系WSN概述無38電氣工程學(xué)院通信工程系無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork,WSN）就是由部署在檢測區(qū)域內(nèi)大量的廉價衛(wèi)星傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知的對象信息，并發(fā)送給觀察者。構(gòu)成WSN的三要素：傳感器、感知對象、觀察者。WSN概述（續(xù)）電氣工程學(xué)院通信工程系無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless39電氣工程學(xué)院通信工程系MEMS技術(shù)對WSN的推動電氣工程學(xué)院通信工程系MEMS技術(shù)對WSN的推動40電氣工程學(xué)院通信工程系無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電氣工程學(xué)院通信工程系無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)41電氣工程學(xué)院通信工程系影響力☆美國商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評論在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展報告中將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀最有影響的21項技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一。☆傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為未來3大高科技產(chǎn)業(yè)一?！蠲绹摹都夹g(shù)評論》將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項未來新興技術(shù)。

☆《商業(yè)周刊》預(yù)測的未來4大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中等。WSN概述（續(xù)）電氣工程學(xué)院通信工程系影響力WSN概述（續(xù)）42電氣工程學(xué)院通信工程系歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀國外：起源于美國，根源可追溯到1978年由國防部高級研究計劃署（DARPA）在卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)發(fā)起的分布式傳感器研討會。具有代表性的項目包括：1993-1999年間由美國國防高級研究計劃署(DARPA)資助，加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)承擔的WINS項目；

1999-2001年間由DAPRA資助UC

Berkeley承擔的Smart

Dust項目。電氣工程學(xué)院通信工程系歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀國外：43電氣工程學(xué)院通信工程系

1998-2002年DARPA資助，加州大學(xué)伯克利分校等25個機構(gòu)聯(lián)合承擔的SensIT計劃；

1999-2004年間海軍研究辦公室的SeaWeb計劃等。國內(nèi)：中國的一些研究機構(gòu)近年開始研究：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)、北京郵電大學(xué)、中科院計算所、上海微系統(tǒng)所、沈陽自動化所以及合肥智能所等研究單位。之所以國內(nèi)外都投入巨資研究機構(gòu)紛紛開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，很大程度歸功于其廣闊的應(yīng)用前景和對社會生活的巨大影響。電氣工程學(xué)院通信工程系1998-20044電氣工程學(xué)院通信工程系WSN的應(yīng)用☆軍事上的應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強和高容錯性的特點，因此非常適合軍事上的應(yīng)用。通過飛機或炮彈直接將傳感器節(jié)點散播到敵方陣地內(nèi)部，或者在公共隔離帶部署傳感網(wǎng)絡(luò)，就能隱蔽而且近距離的準確收集戰(zhàn)場信息。例:傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為美軍事C4ISRT系統(tǒng)必不可少的一部分。電氣工程學(xué)院通信工程系WSN的應(yīng)用☆軍事上的應(yīng)用45電氣工程學(xué)院通信工程系☆環(huán)境觀測和預(yù)報系統(tǒng)可以用于檢視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣情況、牲畜和家禽的環(huán)境狀況和大面積的地表監(jiān)測、氣象和地理研究、洪水監(jiān)測等。例：ALERT系統(tǒng)中就有用于監(jiān)測降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預(yù)測爆發(fā)山洪的可能性。電氣工程學(xué)院通信工程系☆環(huán)境觀測和預(yù)報系統(tǒng)46電氣工程學(xué)院通信工程系☆醫(yī)療護理用于人體的各種生理數(shù)據(jù)，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動，醫(yī)院的藥物管理等。例：一個可以成像的特殊發(fā)送器芯片與精巧設(shè)計的超低功率無線技術(shù)結(jié)合，就可以實現(xiàn)可用于一個胃腸道診斷的微型吞服攝像膠囊?；颊咄滔戮SC片大小的成像膠囊后，膠囊經(jīng)過食道、胃和小腸時就可將圖象廣播出來。膠囊由一個攝象機、LED、電池、特制芯片和天線組成。（如圖）電氣工程學(xué)院通信工程系☆醫(yī)療護理47電氣工程學(xué)院通信工程系精細農(nóng)業(yè)醫(yī)療保健電氣工程學(xué)院通信工程系精細農(nóng)業(yè)48電氣工程學(xué)院通信工程系☆智能家居家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網(wǎng)絡(luò)與Internet連在一起。為人提供人性化的家居環(huán)境。例：Avaak提供一個只有1立方英寸大小的自治產(chǎn)品。這個微型的無線視頻平臺包含有一節(jié)電池、無線電、攝像相機、(彩色成像器加鏡頭)、控制器、天線和溫度傳感器。電氣工程學(xué)院通信工程系☆智能家居49電氣工程學(xué)院通信工程系☆建筑物狀態(tài)監(jiān)控利用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控建筑物的安全狀態(tài)。例：Microstrain在佛蒙特州的一座重載橋梁上安裝了一套該公司研制的系統(tǒng)，將位移傳感器安裝在鋼梁上用來測量靜態(tài)和動態(tài)應(yīng)力，并通過無線網(wǎng)絡(luò)來采集數(shù)據(jù)。該無線系統(tǒng)可以保留在橋梁上用于長期監(jiān)測橋梁是否處于正常受控狀態(tài)。電氣工程學(xué)院通信工程系☆建筑物狀態(tài)監(jiān)控50電氣工程學(xué)院通信工程系電氣工程學(xué)院通信工程系51電氣工程學(xué)院通信工程系☆完成空間探索借助于航天器在外星體撒播一些傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，可以對星球表面進行長時間監(jiān)測。成本低、節(jié)點體積小，相互之間可以進行通信，也可以和地面站進行通信。例：NASA的JPL（JetPropulsionLabora