無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

WirelessSensorNetworks金詩博課程定位考試課期末考試（試卷）總成績：總成績=平時*0.4+期末考試*0.6第1章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述目錄1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)1.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展史1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念什么是計算機網(wǎng)絡(luò)？計算機網(wǎng)絡(luò)，是指將地理位置不同的具有獨立功能的多臺計算機及其外部設(shè)備，通過通信線路連接起來，在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)管理軟件及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的管理和協(xié)調(diào)下，實現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計算機系統(tǒng)。所謂無線網(wǎng)絡(luò)，就是利用無線電波作為信息傳輸?shù)拿浇闃?gòu)成的無線局域網(wǎng)（WLAN），與有線網(wǎng)絡(luò)的用途十分類似，最大的不同在于傳輸媒介的不同，利用無線電技術(shù)取代網(wǎng)線，可以和有線網(wǎng)絡(luò)互為備份。你們使用計算機網(wǎng)絡(luò)，比如說瀏覽網(wǎng)頁，看視頻，發(fā)郵件。那么請同學(xué)給計算機網(wǎng)絡(luò)下個定義？無線網(wǎng)絡(luò)分類移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)由一組無線移動節(jié)點組成，是一種不需要依靠現(xiàn)有固定通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的、能夠迅速展開使用的網(wǎng)絡(luò)體系，所需人工干預(yù)最少，是沒有任何中心實體、自組織、自愈的網(wǎng)絡(luò)。各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相互協(xié)作、通過無線鏈路進行通信、交換信息，實現(xiàn)信息和服務(wù)的共享。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠動態(tài)地、隨意地、頻繁地進入和離開網(wǎng)絡(luò)，而常常不需要事先示警或通知，而且不會破壞網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)概述－與adhoc的不同WSN結(jié)點數(shù)量更為龐大節(jié)點分布更為密集節(jié)點多為靜止的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁可以為多跳的方式監(jiān)測和控制信息Adhoc幾十至上百個節(jié)點局域網(wǎng)節(jié)點全移動結(jié)構(gòu)變化（移動）點到點通信傳遞信息流無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念WSN-WirelessSensorNetworks基礎(chǔ)技術(shù)微電子技術(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)解釋1由部署在觀測環(huán)境附近的大量的微型、廉價、低功耗的傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)定義標(biāo)準(zhǔn)定義：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的靜止或移動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)作地探測、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個基本要素：傳感器，感知對象，用戶傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸傳感網(wǎng)絡(luò)的三個基本要素傳感器節(jié)點：電源、感知部件、嵌入式處理器、存儲器、通訊部件和軟件組成。用戶：感知信息的接受者和使用者（可以是人，也可以是計算機）感知對象：用戶感興趣的監(jiān)控目標(biāo)現(xiàn)代信息技術(shù)與WSN的關(guān)系1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征

傳感器接近感知對象傳感器僅產(chǎn)生數(shù)據(jù)流傳感器無計算能力

無傳感器間通信能力SensorsObject信號分析傳統(tǒng)的感知方法有線/無線連接現(xiàn)代感知方法SensingAreaObjectUser端

傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋感知對象區(qū)域

每個傳感器完成其臨近感知對象的觀測

多傳感器協(xié)同完成感知區(qū)域的大觀測任務(wù)使用多跳路由算法向用戶報告觀測結(jié)果SinkInternet或通信衛(wèi)星SensornetworkUser端傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)sink-匯聚點sensornode-傳感器節(jié)點sensorfield-監(jiān)測區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(luò)的實體傳感器節(jié)點功能：采集、處理、控制和通信等網(wǎng)絡(luò)功能：兼顧節(jié)點和路由器資源受限：存儲、計算、通信、能量Sink節(jié)點功能：連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)，轉(zhuǎn)發(fā)收集到的數(shù)據(jù)。特點：連續(xù)供電、功能強、數(shù)量少等現(xiàn)代微型傳感器感知能力＋計算能力＋通信能力體積小能耗小1.2.3傳感器節(jié)點的限制條件無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以看成是由數(shù)據(jù)獲取子網(wǎng)、數(shù)據(jù)分布子網(wǎng)和控制管理中心三部分組成。它的主要組成部分是集成了傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點，各節(jié)點通過協(xié)議自組織成一個分布式網(wǎng)絡(luò)，將采集來的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化后經(jīng)無線電波傳輸給信息處理中心。傳感器節(jié)點在實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用系統(tǒng)時，也存在一些限制和約束。傳感器節(jié)點傳感器模塊：信息采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理器模塊：控制、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無線通訊模塊：無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)能量供應(yīng)模塊：提供能量傳感器節(jié)點的限制電源能量有限通信能力有限計算和存儲能力有限傳感器節(jié)點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步，處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量主要消耗在無線通信模塊上。從圖中可知傳感器節(jié)點的絕大部分能量消耗在無線通信模塊。傳感器節(jié)點傳輸信息時要比執(zhí)行計算時更消耗電能，傳輸l比特信息100m距離需要的能量大約相當(dāng)于執(zhí)行3000條計算指令所消耗的能量。電源能量有限電源能量有限傳感器的電源能量極其有限由于電源能量的原因經(jīng)常失效或廢棄電源能量約束是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的障礙現(xiàn)有電源部件不能滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的需要傳感器傳輸信息比執(zhí)行計算更消耗電能挑戰(zhàn)如何傳感器網(wǎng)絡(luò)在工作過程中節(jié)省能，實現(xiàn)能源均衡，最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期？建立能源復(fù)雜性和能源均衡理論是我們面臨的挑戰(zhàn)性問題！通常無線通信的能量消耗與通信距離的關(guān)系符合如下規(guī)律：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)，例如傳感器節(jié)點部署貼近地面時，障礙物多、干擾大，n的取值就大；天線質(zhì)量對信號發(fā)射質(zhì)量的影響也很大。通常取n為3，即假定通信能耗與距離的三次方成正比。隨著通信距離的增加，能耗會急劇增加。在滿足通信連通性的前提下應(yīng)盡量減少單跳的通信距離。一般而言，傳感器節(jié)點的無線通信半徑在100m以內(nèi)比較合適。通信能力有限通信能力有限節(jié)點帶寬窄，而且經(jīng)常變化節(jié)點通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米，而且經(jīng)常變化挑戰(zhàn)如何在如此有限通信能力的條件下,如何保證高質(zhì)量地完成感知數(shù)據(jù)的查詢、分析、挖掘與傳輸？是我們需要面臨的挑戰(zhàn)問題！

傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設(shè)備，要求它價格低、功耗小，這些限制必然導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。為了完成各種任務(wù)，傳感器節(jié)點需要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點的任務(wù)請求和節(jié)點控制等多種工作。如何利用有限的計算和存儲資源完成諸多協(xié)同任務(wù)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計所需要考慮的問題。計算能力和存儲有限計算能力和存儲有限傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器通常都具有嵌入式處理器和存儲器，具有計算能力但是，處理器性能、存儲器容量和能源都很有限，導(dǎo)致傳感器的計算能力十分有限挑戰(zhàn)如何使用大量具有有限計算能力的傳感器設(shè)計能源有效的高性能分布式算法?

設(shè)計同時最小化能源、時間、空間和通信復(fù)雜性的分布式算法也是我們面臨的挑戰(zhàn)性問題！傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)：地理區(qū)域大；部署密集提高信噪比；提高監(jiān)測精度；增強容錯性；減少盲區(qū)自組織性：不確定性；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化動態(tài)性：節(jié)點故障；通訊故障；移動性；節(jié)點加入可靠性：適應(yīng)環(huán)境條件；魯棒性、容錯性應(yīng)用相關(guān)：沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺，應(yīng)用系統(tǒng)多種多樣以數(shù)據(jù)為中心傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)把傳感器視為感知數(shù)據(jù)流或感知數(shù)據(jù)源把傳感器網(wǎng)絡(luò)視為感知數(shù)據(jù)空間或數(shù)據(jù)庫把數(shù)據(jù)管理和處理作為網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用目標(biāo)以數(shù)據(jù)為中心傳感器網(wǎng)絡(luò)不是通常的網(wǎng)絡(luò)用戶感興趣的是數(shù)據(jù)而不是網(wǎng)絡(luò)和傳感器硬件用戶很少詢問“A節(jié)點到B節(jié)點的連接是如何實現(xiàn)的？”用戶經(jīng)常詢問“網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中那些地區(qū)出現(xiàn)毒氣？”傳感器網(wǎng)絡(luò)不是以地址為中心的用戶不會詢問“地址為27的傳感器的溫度是多少？”用戶感興趣是“某個地理位置的溫度是多少？”數(shù)據(jù)傳輸以聚集方式進行,而不是地址到地址的路由其他特點和挑戰(zhàn)——傳感器數(shù)量大、分布范圍廣傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點密集，數(shù)量巨大，可能達(dá)到幾百、幾千萬，甚至更多傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很大區(qū)域，也可以分布在險惡環(huán)境下傳感器數(shù)量大、分布廣的特點使得網(wǎng)絡(luò)的維護十分困難甚至不可維護挑戰(zhàn)如何使傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件具有高強壯性和容錯性是我們面臨的挑戰(zhàn)性問題！大規(guī)模分布式觸發(fā)器很多傳感器網(wǎng)絡(luò)需要對感知對象進行控制（如溫度控制）傳感器需要配備回控裝置和控制軟件我們稱回控裝置和控制軟件為觸發(fā)器挑戰(zhàn)如何管理成千上萬分布式觸發(fā)器是我們面臨的挑戰(zhàn)性問題！節(jié)點移動、斷接頻繁在移動網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點移動頻繁節(jié)點間通信的斷接頻繁，導(dǎo)致通信失敗.經(jīng)常受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響,因此傳感器可能會長時間脫離網(wǎng)絡(luò),離線工作挑戰(zhàn)通信路徑重構(gòu)成為突出問題？路由算法必須具有自適應(yīng)性？如何建立網(wǎng)絡(luò)隨機連通性的數(shù)據(jù)理論，為通信路徑重構(gòu)和自適應(yīng)路由算法設(shè)計奠定堅實理論基礎(chǔ)是我們面臨的問題！感知數(shù)據(jù)流無限傳感器網(wǎng)絡(luò)每個傳感器都產(chǎn)生無限的流式數(shù)據(jù)，并具有實時性每個傳感器僅具有有限的存儲器和計算資源，難以處理巨大的實時數(shù)據(jù)流挑戰(zhàn)如何設(shè)計高效率、能源有效、實時的海量感知數(shù)據(jù)流的查詢、分析和挖掘的分布式算法？多源、多跳是主要通信方式多個傳感器節(jié)點向一個目標(biāo)傳送信息一次多源信息傳輸需要多條由多個傳感器節(jié)點組成的路徑挑戰(zhàn)如何為多源信息傳輸選擇優(yōu)化通信路徑？在傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，建立選擇優(yōu)化或近似優(yōu)化通信路徑的理論是我們面臨的挑戰(zhàn)問題！1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵指標(biāo)WSN關(guān)鍵性能指標(biāo)網(wǎng)絡(luò)工作壽命網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍網(wǎng)絡(luò)搭建的成本和難易程度網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間1.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用軍事應(yīng)用環(huán)境科學(xué)空間探索醫(yī)療健康智能家居安防監(jiān)控急救其他商業(yè)用途等軍事應(yīng)用實例1：美國科學(xué)應(yīng)用國際公司采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)筑了一個電子周邊防御系統(tǒng)，為美國軍方提供軍事防御和情報信息。在這個系統(tǒng)中，采用多枚微型磁力計傳感器節(jié)點來探測某人是否攜帶槍支，以及是否有車輛駛來；同時，利用聲傳感器，該系統(tǒng)還可以監(jiān)視車輛或者移動人群。實例2：組建的槍聲定位系統(tǒng)。節(jié)點被安置在建筑物周圍，能夠有效地按照一定的程序組建成網(wǎng)絡(luò)進行突發(fā)事件(如槍聲、爆炸源等)的檢測，為救護、反恐提供有力手段。軍事應(yīng)用軍事應(yīng)用狙擊手定位系統(tǒng)（上圖）檢測區(qū)域俯瞰圖（本圖）模型圖：紅色為狙擊手的位置，綠色為節(jié)點位置醫(yī)療應(yīng)用-人體行為監(jiān)測基于多個加速度傳感器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于進行人體行為模式監(jiān)測，如坐、站、躺、行走、跌倒、爬行等。該系統(tǒng)使用多個傳感器節(jié)點，安裝在人體幾個特征部位。系統(tǒng)實時地把人體因行動而產(chǎn)生的三維加速度信息進行提取、融合、分類，進而由監(jiān)控界面顯示受檢測人的行為模式。這個系統(tǒng)稍加產(chǎn)品化，便可成為一些老人及行動不便的病人的安全助手。同時，該系統(tǒng)也可以應(yīng)用到一些殘障人士的康復(fù)中心，對病人的各類肢體恢復(fù)進展進行精確測量，從而為設(shè)計復(fù)健方案帶來寶貴的參考依據(jù)醫(yī)療應(yīng)用-人體行為監(jiān)測1醫(yī)療應(yīng)用2-電子巡檢商業(yè)應(yīng)用農(nóng)業(yè)應(yīng)用自動灑水系統(tǒng)目前受到國際上多家媒體的報道。它使用無線傳感器感應(yīng)土壤的水分，并在必要時與接收器通信，控制灌溉系統(tǒng)的閥門打開/關(guān)閉，從而達(dá)到自動、節(jié)水灌溉的目的。1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展史計算設(shè)備的演化歷史WSN發(fā)展的三個階段1.傳統(tǒng)的傳感系統(tǒng)2.傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點集成化3.多跳自組網(wǎng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的趨勢1.無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)2.泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)3.具有認(rèn)識功能的傳感器網(wǎng)絡(luò)4.基于超寬帶技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)5.基于協(xié)作通信技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本章小結(jié)1.無線傳感網(wǎng)絡(luò)和計算機網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用目的區(qū)別。無線傳感網(wǎng)絡(luò)：監(jiān)控信息和感知信息計算機網(wǎng)絡(luò)：實現(xiàn)資源共享和信息傳遞2.無線網(wǎng)絡(luò)的分類。3.無線傳感網(wǎng)絡(luò)的三要素和各自的特點。傳感器、用戶、感知對象4.無線傳感網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)無