第1章 無線傳感網(wǎng)技術(shù)概述

無線傳感網(wǎng)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WirelessSensorNetworks（WSNs）楊茂云網(wǎng)絡(luò)與通信系課程目的熟悉WSN的研究與發(fā)展掌握WSN的基本概念和關(guān)鍵技術(shù)掌握WSN的體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議教學(xué)目標(biāo)【教學(xué)目標(biāo)】講授無線傳感網(wǎng)的基本概念、基本原理、通信協(xié)議?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】無線傳感網(wǎng)的基本概念、關(guān)鍵技術(shù)。掌握WSN網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議，包括信道接入技術(shù)、路由協(xié)議，以及各種支撐技術(shù)?！窘虒W(xué)要求】理解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念，了解其發(fā)展史和發(fā)展現(xiàn)狀和研究發(fā)展方向，掌握WSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議，了解WSN面臨的新的問題。課程內(nèi)容第一章WSN概述第二章物理層技術(shù)第三章信道接入技術(shù)第四章ZigBee協(xié)議第五章拓?fù)淇刂婆c路由技術(shù)第六章WSN支撐技術(shù)–定位與同步第七章WSN操作系統(tǒng)與仿真技術(shù)第八章WSN網(wǎng)絡(luò)互連第九章WSN硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)教師聯(lián)系方式辦公地點(diǎn)：9號(hào)樓709手機(jī)-mail：ymaoyun@163.comQQ:574816562推薦教學(xué)參考書孫利民等編.《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》.

清華大學(xué)出版社，2005王汝傳等編.《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用》.人民郵電出版社，2011卡拉維(EdgarH.CallawayJr)編、馬偉明等譯.《無線傳感器網(wǎng)絡(luò):體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議》.電子工業(yè)出版社,2007。于宏毅等編《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論、技術(shù)與實(shí)現(xiàn)》，國(guó)防工業(yè)出版社，2008第一章概述1.1無線傳感網(wǎng)發(fā)展與現(xiàn)狀1.2無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)1.3無線傳感網(wǎng)主要特征1.4無線傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)1.5無線傳感網(wǎng)應(yīng)用范圍課前思考問題什么是無線傳感網(wǎng)？無線傳感網(wǎng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域？無線傳感網(wǎng)的基本理論？無線傳感網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)？什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wirelesssensornetwork，WSN），簡(jiǎn)稱無線傳感網(wǎng)。WSN是由具有感知、計(jì)算及通信能力的一群微小節(jié)點(diǎn)組成。這些節(jié)點(diǎn)部署在要監(jiān)視的區(qū)域中，采集指定的環(huán)境參數(shù)，如溫度、振動(dòng)、化學(xué)濃度等，通過協(xié)作、自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)供用戶分析。WSN不同于一般的通信網(wǎng)絡(luò)，WSN的任務(wù)不是通信，而是要監(jiān)視周圍環(huán)境。傳感器節(jié)點(diǎn)部署在要監(jiān)視的區(qū)域中，采集指定的環(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)供分析使用。什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感網(wǎng)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，由大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無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。1.1無線傳感網(wǎng)發(fā)展與現(xiàn)狀國(guó)外：起源于美國(guó)，根源可追溯到1978年由國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)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(huì)。具有代表性的項(xiàng)目包括：1993-1999年間由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)資助，加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)承擔(dān)的WINS項(xiàng)目；1999-2001年間由DAPRA資助UC

Berkeley承擔(dān)的Smart

Dust項(xiàng)目。1.1無線傳感網(wǎng)發(fā)展與現(xiàn)狀1998-2002年DARPA資助，加州大學(xué)伯克利分校等25個(gè)機(jī)構(gòu)聯(lián)合承擔(dān)的SensIT計(jì)劃；1999-2004年間海軍研究辦公室的SeaWeb計(jì)劃等。1.1無線傳感網(wǎng)發(fā)展與現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)：中國(guó)的一些研究機(jī)構(gòu)近年開始研究：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、中科院計(jì)算所、上海微系統(tǒng)所、沈陽(yáng)自動(dòng)化所以及合肥智能所等研究單位。以國(guó)內(nèi)外都投入巨資研究機(jī)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(duì)社會(huì)生活的巨大影響。課外作業(yè)（1）查閱我國(guó)自然科學(xué)基金就WSN方向的研究課題（2）查閱2010年以來，WSN研究方向和關(guān)鍵應(yīng)用1.2無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)1.2.1無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1.2.2無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)1.2.3無線傳感網(wǎng)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)1.2.1無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，傳感網(wǎng)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)（sensornode）、匯聚節(jié)點(diǎn)（sinknode）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（sensorfield）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)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星或無線網(wǎng)絡(luò)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)。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)1.2.1無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1.2.2無線傳感網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)1、傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的組成傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型化的嵌入式系統(tǒng)，它構(gòu)成了傳感網(wǎng)的基礎(chǔ)層支持平臺(tái)。傳感器節(jié)點(diǎn)可以做得非常小，稱為智能塵埃（smartdust）。1、傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的組成（續(xù)）傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成。感知模塊由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器組成，負(fù)責(zé)采集感知監(jiān)控對(duì)象的信息；數(shù)據(jù)處理模塊包括存儲(chǔ)器和微處理器等部分，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)以及其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)。無線通信模塊完成節(jié)點(diǎn)間的交互通信工作，一般為無線電收發(fā)裝置；能源供給單元負(fù)責(zé)供給節(jié)點(diǎn)工作所消耗的能量，一般為小體積的電池；20同時(shí)，有些節(jié)點(diǎn)上還可裝配有能源再生裝置、移動(dòng)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)、定位系統(tǒng)及復(fù)雜信號(hào)處理（包括聲音、圖像、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)融合）等擴(kuò)展設(shè)備以獲得更完善的功能。2、節(jié)點(diǎn)模型結(jié)構(gòu)22有些節(jié)點(diǎn)上還可裝配有能源再生裝置、移動(dòng)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)、定位系統(tǒng)及復(fù)雜信號(hào)處理（包括聲音、圖像、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)融合）等擴(kuò)展設(shè)備以獲得更完善的功能。3、匯聚節(jié)點(diǎn)與普通節(jié)點(diǎn)相比，匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)它連接著傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)等，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并將收集到的數(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)，有足夠的能量提供給更多的內(nèi)存與計(jì)算資源；也可以是沒有監(jiān)測(cè)功能僅帶有無線通信接口的特定網(wǎng)關(guān)設(shè)備。234、無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)廉價(jià)：每個(gè)節(jié)點(diǎn)的期望價(jià)格在一美元左右體積?。夯鸩窈谢蛴矌虐愦笮≈亓枯p：小于100克能量有限：兩節(jié)五號(hào)電池或紐扣電池供電無線通信能力：能夠用無線電、紅外線、藍(lán)牙、超聲波等通信，帶寬低，干擾大計(jì)算能力：幾百兆赫茲的處理器存儲(chǔ)能力：幾兆或幾百兆的存儲(chǔ)空間感知能力：具有一個(gè)或幾個(gè)傳感器軟件環(huán)境：TinyOS是專為傳感器節(jié)點(diǎn)開發(fā)的操作系統(tǒng)1.2.3無線傳感網(wǎng)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)1.2.3無線傳感網(wǎng)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)早期提出的一個(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)。另外，協(xié)議棧還包括能量管理平臺(tái)、移動(dòng)管理平臺(tái)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)，并支持多任務(wù)和資源共享。

各層協(xié)議和平臺(tái)的功能物理層提供簡(jiǎn)單但健壯的信號(hào)調(diào)制和無線收發(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，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；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)。271.3無線傳感網(wǎng)主要特征節(jié)點(diǎn)固定或只有較小的活動(dòng)性數(shù)量大，密度高拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化節(jié)點(diǎn)同構(gòu)，或只有少量特殊節(jié)點(diǎn)；分布式：沒有預(yù)先指定的中心，所有節(jié)點(diǎn)通過分布式算法相互協(xié)調(diào)；自組織：傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署和初始化等不需要外界干預(yù)；節(jié)點(diǎn)資源受限，特別是能量非常有限；以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)處理的能力；與應(yīng)用緊密耦合的網(wǎng)絡(luò)1.3.1無線傳感網(wǎng)與移動(dòng)自組網(wǎng)的區(qū)別節(jié)點(diǎn)規(guī)模：移動(dòng)自組網(wǎng)：節(jié)點(diǎn)數(shù)量通常在幾十或上百傳感器網(wǎng)絡(luò)：節(jié)點(diǎn)數(shù)目往往高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí)節(jié)點(diǎn)密度：移動(dòng)自組網(wǎng)：小傳感器網(wǎng)絡(luò)：大（冗余部署的結(jié)果）拓?fù)渥兓脑颍阂苿?dòng)自組網(wǎng)：節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)：節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度、環(huán)境干擾或節(jié)點(diǎn)故障引起節(jié)點(diǎn)處理能力：移動(dòng)自組網(wǎng)：較強(qiáng)傳感器網(wǎng)絡(luò)：十分有限1.3.1無線傳感網(wǎng)與移動(dòng)自組網(wǎng)的區(qū)別在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模方面：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)量比ad-hoc網(wǎng)絡(luò)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)在分布密度方面：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布密度很大。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化由于能量限制和環(huán)境因素，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)易損壞出故障。由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)和損壞，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化。在通信方式方面：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要使用廣播通信，而別ad-hoc節(jié)點(diǎn)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。無無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力受限。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的原因，節(jié)點(diǎn)沒有統(tǒng)一的標(biāo)識(shí)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心。1.3.2無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的限制電源能量有限通信能力有限計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限31電源能量有限傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。由于傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)多、成本要求低廉、分布區(qū)域廣，而且部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達(dá)，所以傳感器節(jié)點(diǎn)通過更換電池的方式來補(bǔ)充能源是不現(xiàn)實(shí)的。如何高效使用能量來最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。傳感器節(jié)點(diǎn)消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。隨著集成電路工藝的進(jìn)步，處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量消耗在無線通信

模塊上。

（1）電源能量有限無線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑和睡眠四種狀態(tài)。無線通信模塊在空閑狀態(tài)一直監(jiān)聽無線信道的使用情況，檢查是否有數(shù)據(jù)發(fā)送給自己，而在睡眠狀態(tài)則關(guān)閉通信模塊。無線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)的能量消耗最大，在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)的能量消耗接近，略少于發(fā)送狀態(tài)的能量消耗，在睡眠狀態(tài)的能量消耗最少。（2）通信能力有限無線通信的能量消耗與通信距離的關(guān)系為：E=kd^n

其中，參數(shù)n滿足關(guān)系2<n<4。n的取值與很多因素有關(guān)，通常取n為3，即通信能耗與距離的三次方成正比。隨著通信距離的增加，能耗將急劇增加。因此，在滿足通信連通度的前提下應(yīng)盡量減少單跳通信距離。一般而言，傳感器節(jié)點(diǎn)的無線通信半徑在100m以內(nèi)比較合適?？紤]到傳感器節(jié)點(diǎn)的能量限制和網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域大，傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多跳路由的傳輸機(jī)制。傳感器節(jié)點(diǎn)的無線通信帶寬有限，通常僅有幾百kbps的速率。（3）計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限傳感器節(jié)點(diǎn)的價(jià)格和功耗的限制，必然導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲(chǔ)器容量也比較小。傳感器節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)能量管理（dynamicpowermanagement，DPM）和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)（dynamicvoltagescaling，DVS）模塊，可以更有效地利用節(jié)點(diǎn)的各種資源。動(dòng)態(tài)能量管理是當(dāng)節(jié)點(diǎn)周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，部分模塊處于空閑狀態(tài)，把這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的睡眠狀態(tài)。動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)是當(dāng)計(jì)算負(fù)載較低時(shí)，通過降低微處理器的工作電壓和頻率來降低處理能力，從而節(jié)約微處理器的能耗，很多處理器如StrongARM都支持電壓頻率調(diào)節(jié)。1.3.3無線傳感網(wǎng)的特點(diǎn)（1）傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目大，密度高，采用空間位置尋址（2）傳感器節(jié)點(diǎn)的能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量有限（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易變化，具有自組織能力（5）網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)管理和高度協(xié)作性（6）傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)融合能力（7）以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)（8）安全性問題嚴(yán)重1.4無線傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)覆蓋與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)定位技術(shù)同步技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)數(shù)據(jù)融合技術(shù)嵌入式操作系統(tǒng)1.4.1覆蓋與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)拓?fù)淇刂瓶梢宰詣?dòng)生成的良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，可為數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和目標(biāo)定位等方面奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量來延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期。拓?fù)淇刂浦饕膯栴}是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇、剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的無線通信鏈路，生成一個(gè)高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)淇刂埔话憧梢苑譃閮煞N方式：節(jié)點(diǎn)功率控制層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.4.2網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)由于傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、通信能力以及攜帶的能量都十分有限，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能獲取局部網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，其上運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也不能太復(fù)雜。同時(shí)，傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)資源也在不斷變化，這些都對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出了更高的要求。無線傳感網(wǎng)協(xié)議負(fù)責(zé)使各個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議決定監(jiān)測(cè)信息的傳輸路徑；數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制用來構(gòu)建底層的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，控制傳感器節(jié)點(diǎn)的通信過程和工作模式。路由協(xié)議不僅關(guān)心單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，更關(guān)心整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量的均衡消耗，這樣才能延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期。MAC協(xié)議首先要考慮節(jié)省能源和可擴(kuò)展性，其次才考慮公平性、利用率和實(shí)時(shí)性等。1.4.2網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)無線通信技術(shù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)低速無線個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，把低功耗、低成本作為設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。超寬帶技術(shù)（UWB）是一種極具潛力的無線通信技術(shù)。1.4.3定位技術(shù)位置信息是傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分，沒有位置信息的監(jiān)測(cè)消息通常毫無意義。確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)位置是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一。由于傳感器節(jié)點(diǎn)存在資源有限、隨機(jī)部署、通信易受環(huán)境干擾甚至節(jié)點(diǎn)失效等特點(diǎn)，定位機(jī)制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計(jì)算等要求。根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置是否確定，傳感器節(jié)點(diǎn)分為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和位置未知節(jié)點(diǎn)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置是已知的，位置未知節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)少數(shù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，按照某種定位機(jī)制確定自身的位置。在無線傳感網(wǎng)定位通常使用三邊測(cè)量法、三角測(cè)量法或極大似然估計(jì)法確定節(jié)點(diǎn)位置。根據(jù)定位過程中是否實(shí)際測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離或角度，把無線傳感網(wǎng)中的定位分類為基于距離的定位和距離無關(guān)的定位。1.4.4同步技術(shù)同步是需要協(xié)同工作的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制。如測(cè)量移動(dòng)車輛速度需要計(jì)算不同傳感器檢測(cè)事件時(shí)間差，通過波束陣列確定聲源位置節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步。NTP協(xié)議是Internet上廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議，但只適用于結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定、鏈路很少失敗的有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；GPS系統(tǒng)能夠以納秒級(jí)精度與世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC保持同步，但需要配置固定的高成本接收機(jī)，同時(shí)在室內(nèi)、森林或水下等有掩體的環(huán)境中無法使用GPS系統(tǒng)。因此，它們都不適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。目前已提出了多個(gè)時(shí)間同步機(jī)制，其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被認(rèn)為是三個(gè)基本的同步機(jī)制。1.4.5網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)為了保證任務(wù)的機(jī)密布置和任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的安全傳遞和融合，無線傳感網(wǎng)需要實(shí)現(xiàn)一些最基本的安全機(jī)制：機(jī)密性、點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證、完整性鑒別、新鮮性、認(rèn)證廣播和安全管理。為了確保數(shù)據(jù)融合后數(shù)據(jù)源信息的保留，水印技術(shù)也成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的研究?jī)?nèi)容。雖然在安全研究方面，無線傳感網(wǎng)沒有引入太多的內(nèi)容，但無線傳感網(wǎng)的特點(diǎn)決定了它的安全與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全在研究方法和計(jì)算手段上有很大的不同。首先，無線傳感網(wǎng)的單元節(jié)點(diǎn)的各方面能力都不能與目前Internet的任何一種網(wǎng)絡(luò)終端相比，所以必然存在算法計(jì)算強(qiáng)度和安全強(qiáng)度之間的權(quán)衡問題，如何通過更簡(jiǎn)單的算法實(shí)現(xiàn)盡量堅(jiān)固的安全外殼是無線傳感網(wǎng)安全的主要挑戰(zhàn)；其次，有限的計(jì)算資源和能量資源往往需要系統(tǒng)的各種技術(shù)綜合考慮，以減少系統(tǒng)代碼的數(shù)量，如安全路由技術(shù)等；另外，無線傳感網(wǎng)任務(wù)的協(xié)作特性和路由的局部特性使節(jié)點(diǎn)之間存在安全耦合，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的安全泄漏必然威脅網(wǎng)絡(luò)的安全，所以在考慮安全算法的時(shí)候要盡量減小這種耦合性。1.4.6數(shù)據(jù)融合與管理技術(shù)數(shù)據(jù)融合無線傳感網(wǎng)是能量約束的網(wǎng)絡(luò)，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量能夠有效地節(jié)省能量，提高網(wǎng)絡(luò)的生存期。因此，在各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收集過程中，可利用節(jié)點(diǎn)的本地計(jì)算和存儲(chǔ)能力、數(shù)據(jù)處理融合能力，去除冗余信息，從而達(dá)到節(jié)省能量的目的。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的易失效性，無線傳感網(wǎng)也需要數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)多份數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，提高信息的準(zhǔn)確度。數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)協(xié)議層次進(jìn)行結(jié)合。在應(yīng)用層可以利用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步篩選，達(dá)到融合的效果；在網(wǎng)絡(luò)層，很多路由協(xié)議均結(jié)合了數(shù)據(jù)融合機(jī)制，以期減少數(shù)據(jù)傳輸量。數(shù)據(jù)融合技術(shù)在節(jié)省能量、提高信息準(zhǔn)確度的同時(shí)，要以犧牲其他方面的性能為代價(jià)。首先是延遲的代價(jià)，在數(shù)據(jù)傳送過程中尋找易于進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的路由、進(jìn)行數(shù)據(jù)融合操作、為融合而等待其他數(shù)據(jù)的到來，這三個(gè)方面都可能增加網(wǎng)絡(luò)的平均延遲。其次是魯棒性的代價(jià)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有更高的節(jié)點(diǎn)失效率以及數(shù)據(jù)丟失率，數(shù)據(jù)融合可以大幅度降低數(shù)據(jù)的冗余性，但丟失相同的數(shù)據(jù)量可能損失更多的信息，因此相對(duì)而言也降低了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性1.4.6數(shù)據(jù)融合與管理技術(shù)數(shù)據(jù)管理從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的角度來看，無線傳感網(wǎng)可被視為一種分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。以數(shù)據(jù)庫(kù)的方法在無線傳感網(wǎng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，可以將存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)的邏輯視圖與網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分離，使得無線傳感網(wǎng)的用戶只需要關(guān)心數(shù)據(jù)查詢的邏輯結(jié)構(gòu)，無需關(guān)心實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的TinyDB系統(tǒng)和Cornell大學(xué)的Cougar系統(tǒng)是目前具有代表性的無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)管理與傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)有很大的差別。由于傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限且容易失效，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)必須在盡量減少能量消耗的同時(shí)提供有效的數(shù)據(jù)服務(wù)。同時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，且節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的是無限的數(shù)據(jù)流，無法通過傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)進(jìn)行分析處理。此外，對(duì)無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的查詢經(jīng)常是連續(xù)的查詢或隨機(jī)抽樣的查詢，這也使得傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)不適用于無線傳感網(wǎng)。數(shù)據(jù)管理技術(shù)無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有集中式、半分布式、分布式以及層次式結(jié)構(gòu)，目前大多數(shù)研究工作均集中在半分布式結(jié)構(gòu)方面。無線傳感網(wǎng)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用網(wǎng)絡(luò)外部存儲(chǔ)、本地存儲(chǔ)和以數(shù)據(jù)為中心的存儲(chǔ)三種方式。相對(duì)于其他兩種方式，以數(shù)據(jù)為中心的存儲(chǔ)方式可以在通信效率和能量消耗兩個(gè)方面獲得很好的折中?；诘乩砩⒘斜淼姆椒ū闶且环N常用的以數(shù)據(jù)為中心的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。1.4.7嵌入式操作系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，攜帶非常有限的硬件資源，需要操作系統(tǒng)能夠節(jié)能高效地使用其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊，且能夠?qū)Ω鞣N特定應(yīng)用提供最大的支持。在面向無線傳感網(wǎng)操作系統(tǒng)的支持下，多個(gè)應(yīng)用可以并發(fā)地使用系統(tǒng)的有限資源。傳感器節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)突出的特點(diǎn)。一個(gè)特點(diǎn)是并發(fā)性密集，即可能存在多個(gè)需要同時(shí)執(zhí)行的邏輯控制，這需要操作系統(tǒng)能夠有效地滿足這種發(fā)生頻繁、并發(fā)程度高、執(zhí)行過程比較短的邏輯控制流程；另一個(gè)特點(diǎn)是傳感器節(jié)點(diǎn)模塊化程度很高，要求操作系統(tǒng)能夠讓應(yīng)用程序方便地對(duì)硬件進(jìn)行控制，且保證在不影響整體開銷的情況下，應(yīng)用程序中的各個(gè)部分能夠比較方便地進(jìn)行重新組合。上述這些特點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)了TinyOS操作系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)視方面的優(yōu)勢(shì)：通過在物理環(huán)境中部署大量廉價(jià)的智能傳感器節(jié)點(diǎn)，可以獲得長(zhǎng)時(shí)間、近距離、高分辨率的環(huán)境數(shù)據(jù)，這是傳統(tǒng)監(jiān)視設(shè)備無法得到的。傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力允許節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)壓縮等操作，也可以執(zhí)行一些應(yīng)用特定的處理任務(wù)。節(jié)點(diǎn)之間的通信能力允許節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同完成更復(fù)雜的任務(wù)，如目標(biāo)跟蹤。通過任務(wù)的重新分配可以改變傳感器網(wǎng)絡(luò)的用途。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

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用精細(xì)農(nóng)業(yè)森林火災(zāi)監(jiān)控?zé)o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