无线传感器网络wsn

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1、无线传感器网络技术无线传感器网络技术无线传感器网络无线传感器网络v无无线线传传感感器器网网络络（wireless sensor network,WSN）是是由由部部署署在在监监测测区区域域内内大大量量微微型型传传感感器器节节点点组组成成，通通过过无无线线通通信信方方式式形形成成的的一一个个多多跳跳的的自自组组织织的的网网络络系系统统，其其目目的的是是协协作作地地感感知知、采采集集和和处处理理网网络络覆覆盖盖区区域域中中感感知知对对象象的的信信息息，并并发发送送给给观观察察者者。传传感感器器、感感知知对对象象和观察者构成了传感器网络的三个要素。和观察者构成了传感器网络的三个要素。21.1.传感器

2、网络结构传感器网络结构v传感器网络系统通常包括传感器网络系统通常包括传感器节点传感器节点、汇聚节点汇聚节点和和管理节点管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行

3、配置和管理，达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。发布监测任务以及收集监测数据。31.1.传感器网络结构传感器网络结构任务管理中心任务管理中心 InternetInternet、卫星或移、卫星或移、卫星或移、卫星或移动通信网络等动通信网络等动通信网络等动通信网络等汇聚节点汇聚节点监测区域监测区域传感器节点传感器节点41.1.传感器网络结构传感器网络结构v传感器节点传感器节点 通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。通信能力相对较弱，通过携

4、带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。时与其他节点协作完成一些特定任务。51.1.传感器网络结构传感器网络结构v汇聚节点汇聚节点 汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与连接传感器网

5、络与Internet 等外部网络，实现两种协议栈之间的等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。仅带有无线通信接口的特殊网关设备。62.2.传感器节点结构传感器节点结构v传感器节点传感器节点结构结构传感器模块传感器模

6、块：负责监测区域内信息的采集和数据转换负责监测区域内信息的采集和数据转换处理器模块处理器模块：负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理 本身采集的数据以及其他节点发来的数据本身采集的数据以及其他节点发来的数据无线通信模块无线通信模块：负责与其他传感器节点进行无线通信，负责与其他传感器节点进行无线通信，交交 换控制消息和收发采集数据换控制消息和收发采集数据能量供应模块能量供应模块：传感器节点提供运行所需的能量，通常采用传感器节点提供运行所需的能量，通常采用 微型电池微型电池72.2.传感器节点结构传感器节点结构v传感器节点结构传感器节点结构83.3.传感器

7、网络协议栈传感器网络协议栈v传感器网络协议栈传感器网络协议栈 右右图图是是早早期期提提出出的的一一个个协协议议栈栈，这这个个协协议议栈栈包包括括物物理理层层、数数据据链链路路层层、网网络络层层、传传输输层层和和应应用用层层，与与互互联联网网协协议议栈的五层协议相对应。栈的五层协议相对应。协协议议栈栈还还包包括括能能量量管管理理平平台台、移移动动管管理理平平和和任任务务管管理理平平台台。这这些些管管理理平平台台使使得得传传感感器器节节点点能能够够按按照照能能源源高高效效的的方方式式协协同同工工作作，在在节节点点移移动动的的传传感感器器网网络络中转发数据，支持多任务和资源共享。中转发数据，支持多任

8、务和资源共享。93.3.传感器网络协议栈传感器网络协议栈v传感器网络协议栈传感器网络协议栈 物理层物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；数据链路层数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；网络层网络层主要负责路由生成与路由选择；主要负责路由生成与路由选择；传输传输层负责数据流的传输控制层负责数据流的传输控制；应用层应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；包括一系列基于监测任务的应用层软件；能量管理平台能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需管理传感器节点如何使用能源，在各个协议

9、层都需要考虑节省能量；要考虑节省能量；移动管理平台移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；任务管理平台任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。103.3.传感器网络协议栈传感器网络协议栈v右图所示的协议栈细化并改进了原右图所示的协议栈细化并改进了原始模型。定位和时间同步子层在协始模型。定位和时间同步子层在协议栈中的位置比较特殊。它们既要议栈中的位置比较特殊。它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位依

10、赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持。协议各层提供信息支持。右边的诸多机制一部分融入到右边的诸多机制一部分融入到上图所示的各层协议中，用以优化上图所示的各层协议中，用以优化和管理协议流程；另一部分独立在和管理协议流程；另一部分独立在协议外层，通过各种收集和配置接协议外层，通过各种收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。口对相应机制进行配置和监控。114.4.传感器节点的限制传感器节点的限制电池能量有限电池能量有限1通信能力有限通信能力有限2计算和存储能力有限计算和存储能力有限3125.5.传感器网络的特点传感器网络的特点

11、（1 1）大规模网络）大规模网络 传感器网络的大规模性包括两方面含义：传感器网络的大规模性包括两方面含义：一方面是传感器一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，需要部署大量的传感器节点；节点分布在很大的地理区域内，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。间内，密集部署了大量的传感器节点。传感器网络的大规模性具有传感器网络的大规模性具有的的优点：通过不同空间视角获得优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能的信息具有更大的信噪比；

12、通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。135.5.传感器网络的特点传感器网络的特点 （2 2）自组织网络）自组织网络 在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点基础结构的地方。传感器节点的位置

13、不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道。这样就要求传感器节点具之间的相互邻居关系预先也不知道。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，在传感器网络中的节点个数

14、就动态地测精度而补充到网络中，在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。145.5.传感器网络的特点传感器网络的特点 （3 3）动态性网络）动态性网络 传传感感器器网网络络的的拓拓扑扑结结构构可可能能因因为为下下列列因因素素而而改改变变：环环境境因因素素或或电电能能耗耗尽尽造造成成的的传传感感器器节节点点出出现现故故障障或或失失效效；环环境境条条件件变变化化可可能能造造成成无无线线通通信信链链路

15、路带带宽宽变变化化，甚甚至至时时断断时时通通；传传感感器器网网络络的的传传感感器器、感感知知对对象象和和观观察察者者这这三三要要素素都都可可能能具具有有移移动动性性；新新节节点点的的加加入入。这这就就要要求求传传感感器器网网络络系系统统要要能能够够适适应应这这种变化，具有动态的系统可重构性。种变化，具有动态的系统可重构性。155.5.传感器网络的特点传感器网络的特点（4 4）可靠的网络）可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，往往采用随机部署，这些传感器节点可能工作在露天环境中，往往

16、采用随机部署，这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可不可能人工能人工“照顾照顾”每个传感器节点，每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至网络的维护十分困难甚至不可维护。不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。网络的软硬件必须具

17、有鲁棒性和容错性。165.5.传感器网络的特点传感器网络的特点（5 5）应用相关的网络）应用相关的网络 传感器网络用来感知客观物理世界，传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息获取物理世界的信息量。量。客观世界的物理量多种多样，客观世界的物理量多种多样，不可穷尽。不可穷尽。不同的传感器不同的传感器网络应用关心不同的物理量，网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。种多样的要求。175.5.传感器网络的特点传感器网络的特点（6 6）以数据为中心的网络）以数据为中心的网络 由于传感器节点随机部署，由于传感器节点随机部署，构成的传感器网

18、络与节点编号构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必表现为节点编号与节点位置没有必然联系。然联系。用户使用传感器网络查询事件时，用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的直接将所关心的事件通告给网络，事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。而不是通告给某个确定编号的节点。网络网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常所以通常说传感器网络是一个以数据为中心

19、的网络。说传感器网络是一个以数据为中心的网络。186.6.传感器网络的应用传感器网络的应用v军事军事v环境观测和预报系统环境观测和预报系统v医疗护理医疗护理v智能家居智能家居v建筑物状态监控建筑物状态监控v其他其他196.6.传感器网络的应用传感器网络的应用 传感器网络传感器网络战场评估战场评估 生活习性监测生活习性监测 地震监测地震监测 深海监控深海监控 医疗状况监控医疗状况监控 目标跟踪和检测目标跟踪和检测小区安全监控小区安全监控 精细农业精细农业 森林火灾监控森林火灾监控206.6.传感器网络的应用传感器网络的应用 智能家居智能家居智能家居智能家居 厂房设备及厂房设备及厂房设备及厂房设备

20、及环境监控环境监控环境监控环境监控 精细农业精细农业精细农业精细农业 种植种植种植种植 医院病房医院病房医院病房医院病房 电子巡检电子巡检电子巡检电子巡检21vv无无无无线传线传线传线传感器感器感器感器网络应网络应网络应网络应用用用用举举举举例例例例医医医医院病房院病房院病房院病房电电电电子巡子巡子巡子巡检检检检 22vv无无无无线传线传线传线传感器感器感器感器网络应网络应网络应网络应用用用用举举举举例例例例医医医医院病房院病房院病房院病房电电电电子巡子巡子巡子巡检检检检 在病人身上安装带在病人身上安装带有射频标签的微型有射频标签的微型无线传感器，动态无线传感器，动态感知病人信息。感知病人信息

21、。23vv无无无无线传线传线传线传感器感器感器感器网络应网络应网络应网络应用用用用举举举举例例例例医医医医院病房院病房院病房院病房电电电电子巡子巡子巡子巡检检检检 病房外的医生病房外的医生携带携带PDAPDA等通等通讯设施。讯设施。24vv无无无无线传线传线传线传感器感器感器感器网络应网络应网络应网络应用用用用举举举举例例例例医医医医院病房院病房院病房院病房电电电电子巡子巡子巡子巡检检检检 得知病人病情后，得知病人病情后，医生将医生将通知值勤护通知值勤护士或者急救人员前士或者急救人员前往病房救助。往病房救助。25 智能家居智能家居智能家居智能家居 厂房设备及厂房设备及厂房设备及厂房设备及环境监

22、控环境监控环境监控环境监控 精细农业精细农业精细农业精细农业 种植种植种植种植 医院病房医院病房医院病房医院病房 电子巡检电子巡检电子巡检电子巡检26vv无无无无线传线传线传线传感器感器感器感器网络应网络应网络应网络应用用用用举举举举例例例例精精精精细农业种细农业种细农业种细农业种植植植植27vv无无无无线传线传线传线传感器感器感器感器网络应网络应网络应网络应用用用用举举举举例例例例精精精精细农业种细农业种细农业种细农业种植植植植农场监控中心实农场监控中心实时监控农场信息，时监控农场信息，耕作者及时了解耕作者及时了解农场温度、光照农场温度、光照度、土壤酸碱度度、土壤酸碱度等，以便对农作等，以便

23、对农作物的生长情况进物的生长情况进行控制。行控制。28 智能家居智能家居智能家居智能家居 厂房设备及厂房设备及厂房设备及厂房设备及 环境监控环境监控环境监控环境监控 精细农业精细农业精细农业精细农业 种植种植种植种植 医院病房医院病房医院病房医院病房 电子巡检电子巡检电子巡检电子巡检29vv无无无无线传线传线传线传感器感器感器感器网络应网络应网络应网络应用用用用举举举举例例例例智能家居智能家居智能家居智能家居监测节点监测节点30vv无无无无线传线传线传线传感器感器感器感器网络应网络应网络应网络应用用用用举举举举例例例例智能家居智能家居智能家居智能家居穿戴有数据衣穿戴有数据衣等感知设备的等感知设

24、备的人体感知到人人体感知到人体状况异常时，体状况异常时，会向房间内的会向房间内的节点发出信号。节点发出信号。31智能家居智能家居智能家居智能家居 厂房设备及厂房设备及厂房设备及厂房设备及环境监控环境监控环境监控环境监控 精细农业精细农业精细农业精细农业种植种植种植种植 医院病房医院病房医院病房医院病房 电子巡检电子巡检电子巡检电子巡检32vv无无无无线传线传线传线传感器感器感器感器网络应网络应网络应网络应用用用用举举举举例例例例厂厂厂厂房房房房设备设备设备设备及及及及环环环环境境境境监监监监控控控控33vv无无无无线传线传线传线传感器感器感器感器网络应网络应网络应网络应用用用用举举举举例例例例厂厂厂厂房房房房设备设备设备设备及及及及环环环环境境境境监监监监控控控控 监控人员发现监控人员发现厂房设备及环厂房设备及环境有异常情况境有异常情况时，通知相关时，通知相关负责人迅速到负责人迅速到达故障地点。达故障地点。34