第15章無線傳感器網(wǎng)絡

第15章無線傳感器網(wǎng)絡第一頁，共30頁。第15章無線傳感器網(wǎng)絡15.1網(wǎng)絡組成15.3硬件平臺15.4無線傳感器網(wǎng)絡應用實例第二頁，共30頁。15.1.1無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通常用電池供電。匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，它連接傳感器網(wǎng)絡與Internet等外部網(wǎng)絡，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡。第三頁，共30頁。15.1.2傳感器節(jié)點傳感器模塊用于感知、獲取外界的信息，被監(jiān)測的物理信號決定了傳感器的類型；處理器模塊負責協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作，對感知部件獲取的信息進行必要的處理和保存，控制感知部件和電源的工作模式等；無線收發(fā)模塊負責與其它傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量。第四頁，共30頁。15.1.3無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠以高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務和資源共享。物理層負責感知數(shù)據(jù)的收集，并對收集的數(shù)據(jù)進行采樣、信號的發(fā)送和接收、信號的調(diào)制解調(diào)等任務。數(shù)據(jù)鏈路層負責媒體接入控制和建立網(wǎng)絡節(jié)點之間可靠通信鏈路，為鄰居節(jié)點提供可靠的通信通道；網(wǎng)絡層的主要功能包括分組路由、網(wǎng)絡互聯(lián)、擁塞控制等。傳輸層負責數(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。第五頁，共30頁。15.1.3無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧能量管理負責控制節(jié)點對能量的使用，為延長網(wǎng)絡存活時間有效的利用能源。拓撲管理負責保持網(wǎng)絡的連通和數(shù)據(jù)有效傳輸。網(wǎng)絡管理負責網(wǎng)絡維護、診斷，并向用戶提供網(wǎng)絡管理服務接口，通常包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和故障處理等功能。服務質(zhì)量為應用程序提供足夠的資源使它們按用戶可以接受的性能指標工作。時間同步為傳感器節(jié)點提供全局同步的時鐘支持。節(jié)點定位確定每個傳感器節(jié)點的相對位置或絕對的地理坐標。

第六頁，共30頁。15.1.4無線傳感器網(wǎng)絡的特點①能量資源有限：網(wǎng)絡節(jié)點由電池供電，其特殊的應用領域決定了在使用過程中，通過更換電池的方式來補充能量是不現(xiàn)實的。“高效使用能量來最大化網(wǎng)絡生命周期”。②硬件資源有限：傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設備，大量的節(jié)點數(shù)量要求其低成本、低功耗，所攜帶的處理器能力較弱，計算能力和存儲能力有限。在成本、硬件體積、功耗等受到限制的條件下，傳感器節(jié)點需要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、管理、處理、應答匯聚節(jié)點的任務請求和節(jié)點控制等工作。通過優(yōu)化設計實現(xiàn)硬件的協(xié)調(diào)工作。第七頁，共30頁。15.1.4無線傳感器網(wǎng)絡的特點③無中心：WSN是一個對等式網(wǎng)絡，所有節(jié)點地位平等，沒有嚴格的中心節(jié)點。節(jié)點僅知道與自己彼鄰節(jié)點的位置及相應標識，通過與鄰居節(jié)點的協(xié)作完成信號處理和通信。④自組織：無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點往往通過飛機播撒到未知區(qū)域，通常情況下沒有基礎設施支持，其位置不能預先設定，節(jié)點之間的相鄰關系預先也不明確。網(wǎng)絡節(jié)點布撒后，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的監(jiān)控行為，自動進行配置和管理，利用拓撲控制機制和網(wǎng)絡協(xié)議形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。第八頁，共30頁。15.1.4無線傳感器網(wǎng)絡的特點⑤多跳路由：無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的通信距離有限，一般在幾十到幾百米范圍內(nèi)，節(jié)點只能與它的鄰居直接通信，對于面積覆蓋較大的區(qū)域，傳感器網(wǎng)絡需要采用多跳路由的傳輸機制。無線傳感器網(wǎng)絡中沒有專門的路由設備，多跳路由由普通網(wǎng)絡節(jié)點完成。同時，因為受節(jié)點能量、節(jié)點分布、建筑物、障礙物和自然環(huán)境等因素的影響，路由可能經(jīng)常變化，頻繁出現(xiàn)通信中斷。針對通信環(huán)境和有限通信能力，設計網(wǎng)絡多跳路由機制以滿足傳感器網(wǎng)絡的通信需求。第九頁，共30頁。15.1.4無線傳感器網(wǎng)絡的特點⑥動態(tài)拓撲：在WSN使用過程中，部分節(jié)點附著于物體表面隨處移動，部分節(jié)點由于能量耗盡或環(huán)境因素造成故障或失效而退出網(wǎng)絡，部分節(jié)點因彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度而補充到網(wǎng)絡中，節(jié)點數(shù)量動態(tài)變化，使網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化。動態(tài)拓撲組織功能和動態(tài)系統(tǒng)的可重構(gòu)性。⑦可靠性：由于傳感器節(jié)點的大量部署不僅增大了監(jiān)測區(qū)域的覆蓋，減少盲區(qū)，而且可以利用分布式算法處理大量信息，降低了對單個節(jié)點傳感器的精度要求，大量冗余節(jié)點的存在使得系統(tǒng)具有很強的容錯性能。第十頁，共30頁。15.1.4無線傳感器網(wǎng)絡的特點節(jié)點數(shù)量多：為了獲取精確的信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量的傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點被密集的隨機部署在一個面積不大的空間內(nèi)，需要利用節(jié)點之間的高度連接性來保證系統(tǒng)的抗毀性和容錯性。這種情況下，需要依靠節(jié)點的自組織性處理各種突發(fā)事件，節(jié)點設計時軟硬件都必須具有魯棒性和容錯性。第十一頁，共30頁。第15章無線傳感器網(wǎng)絡15.1網(wǎng)絡組成15.3硬件平臺15.4無線傳感器網(wǎng)絡應用實例第十二頁，共30頁。15.3硬件平臺傳感器節(jié)點應具有的功能：一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理；另一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和路由，對本身采集的數(shù)據(jù)和收到的其它節(jié)點數(shù)據(jù)進行綜合，轉(zhuǎn)發(fā)路由到網(wǎng)關節(jié)點。傳感器節(jié)點數(shù)目龐大，通常采用電池供電，傳感器節(jié)點的能量一旦耗盡，該節(jié)點就不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和路由功能，直接影響整個傳感器網(wǎng)絡的健壯性和生命周期。網(wǎng)關節(jié)點往往個數(shù)有限，而且能量常常能夠得到補充。網(wǎng)關節(jié)點通常使用多種方式與外界通信。數(shù)據(jù)管理中心主要由數(shù)據(jù)庫、管理軟件以及PC機（服務器）構(gòu)成。第十三頁，共30頁。15.3.1傳感器節(jié)點傳感器網(wǎng)絡節(jié)點作為一種微型化的嵌入式系統(tǒng)，構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡的基礎層支撐平臺。大部分節(jié)點采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大，更換困難，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡重要的設計準則之一，從無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的硬件設計到整個網(wǎng)絡各層的協(xié)議設計都把節(jié)能作為設計目標，以最大限度地延長無線傳感器網(wǎng)絡的壽命。模塊化設計是提高節(jié)點通用性、擴展性和靈活性的有效途徑。集成化以滿足節(jié)點集數(shù)據(jù)采集、處理和轉(zhuǎn)發(fā)等功能于一身的需求。微型化可以滿足大規(guī)模布撒、提高隱蔽性的應用需求。第十四頁，共30頁。15.3.2網(wǎng)關節(jié)點設計網(wǎng)關節(jié)點接收傳感器節(jié)點發(fā)送來的采集數(shù)據(jù)，通過有線(串口或USB電纜)或無線方式與PC或服務器相連。網(wǎng)關節(jié)點的功能：一是通過匯聚節(jié)點獲取無線傳感網(wǎng)絡的信息并進行轉(zhuǎn)換，二是利用外部網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。一種是基于以太網(wǎng)的有線通信網(wǎng)關節(jié)點，雖然以太網(wǎng)通信穩(wěn)定可靠，但需要具備相應的接入條件，這在許多應用情況下難以實現(xiàn)；另一類是基于無線通信方式（GPRS、GSM和CDMA等）的網(wǎng)關節(jié)點，無線通信移動性好，但易受到網(wǎng)絡覆蓋面的約束。第十五頁，共30頁。15.3.3WSN測試平臺理論分析推導：雖然可以進行多個同類協(xié)議的比較，模型的簡化也降低了理論分析的可信度。仿真分析：并不能考慮實際應用環(huán)境中節(jié)點狀態(tài)、無線通信環(huán)境及網(wǎng)絡的不穩(wěn)定性等問題，單純仿真存在性能缺陷，甚至是設計錯誤。測試平臺：用來驗證真實環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡的各種協(xié)議和算法的綜合性能（通信質(zhì)量、能耗分布以及誤碼率等），分析和測試節(jié)點狀態(tài)、通信環(huán)境和網(wǎng)絡性能等因素可能給網(wǎng)絡質(zhì)量帶來的各種影響，避免因建模假設帶來的理論誤差，最大限度的保證通信協(xié)議和傳感網(wǎng)絡的可靠性。第十六頁，共30頁。15.3.3WSN測試平臺測試平臺通過部署一定規(guī)模的專用節(jié)點，模擬監(jiān)測環(huán)境，綜合評測無線傳感器網(wǎng)絡在未來應用中可能出現(xiàn)的錯誤或故障，并加以分析和調(diào)試。為進一步量化評估網(wǎng)絡綜合性能，研究網(wǎng)絡行為和監(jiān)控技術等提供重要的軟硬件基礎。為無線傳感器網(wǎng)絡從理論設計到大規(guī)模應用提供了重要的開發(fā)和測試手段。第十七頁，共30頁。15.3.3WSN測試平臺用戶訪問網(wǎng)絡服務器、測試仿真服務器和數(shù)據(jù)存儲服務器構(gòu)成了上層服務器平臺。具有多網(wǎng)通信功能的高速數(shù)據(jù)處理終端和網(wǎng)關是連接上層服務與底層節(jié)點的關鍵設備。對于測試平臺中使用的節(jié)點，在常規(guī)節(jié)點基礎上增加了有線通信接口和復位調(diào)試等功能。

第十八頁，共30頁。15.3.3WSN測試平臺測試平臺的重要作用就是監(jiān)測并發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡設計時的錯誤和故障，并指導分析和調(diào)試工作。

第十九頁，共30頁。第15章無線傳感器網(wǎng)絡15.1網(wǎng)絡組成15.3硬件平臺15.4無線傳感器網(wǎng)絡應用實例第二十頁，共30頁。15.4無線傳感器網(wǎng)絡應用實例無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點微小，價格低廉，部署方便、隱蔽性高、可自主組網(wǎng)等特點，在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控、健康監(jiān)測、工業(yè)控制、智能交通和倉儲物流等領域具有廣闊的應用前景。隨著傳感網(wǎng)絡研究的深入，無線傳感網(wǎng)絡逐漸滲透到人類生活的各個領域。地震監(jiān)測、生活習性監(jiān)測、船只監(jiān)控、深海監(jiān)控、戰(zhàn)場評估、目標跟蹤和檢測、森林火災監(jiān)控、小區(qū)安全監(jiān)控、精細農(nóng)業(yè)。

第二十一頁，共30頁。15.4.1軍事應用

利用飛機拋撒或火炮發(fā)射等裝置，將大量廉價傳感器節(jié)點按照一定的密度部署在待測區(qū)域內(nèi)，對周邊的各種參數(shù)，如震動、氣體、溫度、濕度、聲音、磁場、紅外線等各種信息進行采集，然后由傳感器自身構(gòu)建的網(wǎng)絡，通過網(wǎng)關、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等信道，傳回監(jiān)控中心?？梢詫o線傳感網(wǎng)絡用作武器自動防護裝置，在友軍人員、裝備上加裝傳感器節(jié)點以供識別，隨時掌控情況避免誤傷。通過在敵方陣地部署各種傳感器，做到知己知彼，先發(fā)制人。另外，該項技術利用自身接近環(huán)境的特點，可用于智能型武器的引導器，與雷達和衛(wèi)星等相互配合，可避免攻擊盲區(qū)，大幅度提升武器的殺傷力。第二十二頁，共30頁。15.4.2城市生命線被稱為城市生命線的水、電、煤氣和石油等網(wǎng)絡，縱橫交錯，埋在地下，出現(xiàn)問題很難發(fā)現(xiàn)，維護極其困難，泄露、爆炸等事故造的社會和經(jīng)濟損失巨大。采用無線傳感器網(wǎng)絡對城市水管網(wǎng)進行監(jiān)測，獲取水壓、水位以及水的質(zhì)量等信息，判斷水位、泄漏和污染情況。采用壓力和超聲傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測城市天然氣管網(wǎng)。無線傳感器網(wǎng)絡的應用將大幅提高城市生命線的安全性。第二十三頁，共30頁。15.4.3健康監(jiān)測：人體健康監(jiān)測為更好的對冠心病、腦溢血等高危病人進行24小時健康監(jiān)測，不妨礙病人的日常起居和生活質(zhì)量，無線傳感器網(wǎng)絡有廣闊的應用前景。通過在老年人身上佩戴血壓、脈搏、體溫等微型無線傳感器，經(jīng)過住宅內(nèi)的傳感器網(wǎng)關，將數(shù)據(jù)發(fā)送給醫(yī)院，醫(yī)生可以遠程了解老年人的健康狀況。在公寓內(nèi)安裝包括溫度、濕度、光、紅外、聲音和超聲等多個傳感節(jié)點，根據(jù)這些節(jié)點收集的信息，實時了解人員的活動情況。采用多傳感器信息融合技術，可以準確地判斷出被監(jiān)測人的行為，如：做飯、睡覺、看電視、淋浴等等，第二十四頁，共30頁。15.4.3健康監(jiān)測：建筑物健康監(jiān)測

在建筑物上安裝聯(lián)網(wǎng)的地震傳感器，為處于地震帶的民居提供更好的監(jiān)測預警機制。把無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點綁定在鳥巢鋼架結(jié)構(gòu)上，對施工過程中鋼結(jié)構(gòu)進行應力、壓力分析等。將具有溫度、濕度、壓力、加速度、光照等傳感器的節(jié)點布放在重點保護對象當中，無需拉線鉆孔，便可有效地對建筑物進行長期監(jiān)測。此外，對于珍貴文物，在保存地點的墻角、天花板等位置，監(jiān)測環(huán)境的溫度、濕度是否超過安全值，可以更妥善地保護展品的品質(zhì)。

第二十五頁，共30頁。15.4.3健康監(jiān)測：建筑物健康監(jiān)測在橋梁監(jiān)測中，利用適當?shù)膫鞲衅?，例如壓電傳感器、加速度傳感器、超聲傳感器、濕度傳感器等，可以有效地?gòu)建一個三維立體的防護監(jiān)測網(wǎng)絡。用于監(jiān)測橋梁、高架橋、高速公路等環(huán)境。對許多老舊的橋梁，橋墩長期受到水流的沖刷，傳感器能夠放置在橋墩底部、用以感測橋墩結(jié)構(gòu)；也可放置在橋梁兩側(cè)或底部，搜集橋梁的溫度、濕度、震動幅度、橋墩被侵蝕程度等，能減少事故造成的生命財產(chǎn)損失。第二十六頁，共30頁。15.4.4環(huán)境監(jiān)測監(jiān)視大鴨島海燕的棲息情況。位于緬因州海岸大鴨島上的海燕由于環(huán)境惡劣，海燕又十分機警，研究人員無法采用常規(guī)方法進行跟蹤觀察。為此使用了包括光、濕度、氣壓計、紅外傳感器、攝像頭在內(nèi)的近10種傳感器類型數(shù)百個節(jié)點，系統(tǒng)通過自組織無線網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?00英尺外的基站計算機內(nèi)，再由此經(jīng)衛(wèi)星傳輸至加州的服務器。全球的研究人員都可以通過互聯(lián)網(wǎng)察看該地區(qū)各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，掌握第一手的環(huán)境資料，為生態(tài)環(huán)境研究者提供了一個極為便利的平臺。第二十七頁，共30頁。15.4.4環(huán)境監(jiān)測2005年，澳洲的科學家利用無線傳感器網(wǎng)絡探測北澳大利亞蟾蜍的分布情況。利用蟾蜍叫聲響亮而獨特特點，選用聲音傳感器作為監(jiān)測手段，將采集到的信息發(fā)回給控制中心，通過處理，了解蟾蜍的分布、棲息情況。2008年1月新加坡政府與哈佛大學、麻省理工學院合作，成立了環(huán)境監(jiān)測與建模研究中心。計劃在未來幾年內(nèi)，采用無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)新加坡國內(nèi)海陸空一體化的自然環(huán)境監(jiān)測。實現(xiàn)新加坡的國界、大氣污染、海域、空氣質(zhì)量及空