无线传感器网络简明教程 第五章
无线传感器网络第5章传感器网络应用开发基础ppt课件
Z-Stack协议栈
Z-Stack网络地址分配
每个ZigBee设备加入网络时，从其父设备那里获得一 个网络地址（短地址）
MAX_DEPTH网络的最大深度，协调器深度为 0。 MAX_CHILDREN路由器或协调器节点最大个数。 MAX_ROUTER决定路由器或协调器可以处理的具有路
由功能的子节点的最大个数，是MAX_CHILDREN 的 一个子集，终端节点使用MAX_CHILDREN – MAX_ROUTER剩下的地址空间。
配置好PAN_ID，信道、并使用Coordination、Router和 EndDevice编译工程，将可执行文件烧写到传感器板和网 关节点板进行测试，通过串口或者PC端程序查看信息。
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第1节 ZigBee协议栈原理
本节学习要求
了解ZigBee技术的产生与发展 初步理解ZigBee协议栈原理及技术体系 理解ZigBee网络的拓扑结构、地址类型 理解Z-Stack网络地址分配策略及网络配置方法 学会使用Z-Stack协议栈构建ZigBee网络
5.1.1 ZigBee概述
ZigBee技术发展历程 ZigBee的前身是1998年由INTEL、IBM等产业巨头发起的
“HomeRFLite”技术。
2000年12月成立了工作小组起草IEEE 802.15.4标准。
Zigbee联盟成立于2001年8月。2002年下半年，英国英维 思公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰 飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布加盟“Zigbee联盟” ，以研发名为“Zigbee”的下一代无线通信标准，这一事 件成为该项技术发展过程中的里程碑。
10
ZigBee技术体系
ZigBee路由器（Router） 它执行的功能包括允许其它设备加入这个网络，
无线传感器网络的原理与应用
无线传感器网络的原理与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量的节点组成的，这些节点能够在没有预先布置的情况下自组织连接并进行数据交换。
WSN广泛应用于环境监测、智能交通、农业、医疗等领域。
本文将详细介绍WSN的原理和应用，并列出相应步骤。
一、无线传感器网络的原理1.1 传感器节点：传感器节点是WSN的核心组成部分，每个节点都配备有传感器和通信设备，能够感知并采集环境中的信息。
1.2 通信方式：传感器节点之间通过无线通信方式进行数据传输，可以是无线电、红外线、蓝牙等。
1.3 自组织连接：传感器节点可以自动组成网络，建立连接并进行协调。
1.4 节能机制：由于传感器节点通常使用电池供电，为了延长其寿命，需要采取一系列节能措施。
二、无线传感器网络的应用2.1 环境监测：WSN可以用于监测大气污染物、水质、噪音等，将监测结果传送给监测中心进行分析和处理。
2.2 智能交通：将传感器节点安装在道路、交通信号灯等位置，实时监测交通情况，从而提供实时交通状况和拥堵预警等信息。
2.3 农业：WSN可以监测土壤湿度、温度、光照强度等农田信息，帮助农民进行精细化管理，提高农作物产量和质量。
2.4 医疗：传感器节点可以被植入患者体内，监测体温、心率、血压等生理参数，实时传输给医生进行远程监护。
三、无线传感器网络的应用步骤3.1 感知环境：根据应用需求，选择适当的传感器节点，布置在需要监测的区域内，感知环境中的信息。
3.2 数据传输：传感器节点将采集到的数据通过无线通信传输给数据中心或者其他节点进行处理。
3.3 数据处理：数据中心对传感器节点传输过来的数据进行处理，提取有用信息，并进行分析和应用。
3.4 决策和控制：根据数据分析的结果，采取相应的决策和控制措施，如减少污染物排放、调整交通信号灯等。
3.5 远程监控：通过互联网等手段，可以远程监控传感器节点的工作状态、数据采集情况等。
研究生《无线传感器网络》教学大纲
《无线传感器网络》教学大纲Wireless sensor network第一部分大纲说明1. 课程代码：2. 课程性质：专业学位课3. 学时/学分：40/34. 课程目标：无线传感器网络是集传感器技术、微电机技术、现代网络和无线通信技术于一体的综合信息处理平台，具有广泛的应用前景，是计算机信息领域最活跃的研究热点之一。
通过本课程的学习，要求学生掌握无线传感器网络的体系结构和基本设计方法，软硬件开发平台和仿真环境的使用，着重掌握无线传感器网络的通信协议，了解无线传感器网络的节点定位、目标跟踪和时间同步等几大支撑技术，为在基于无线传感器网络的系统开发和应用中，深入利用关键技术，设计优质的应用系统打下良好的基础。
5. 教学方式：课堂讲授、分组实验、分组专题报告与课堂讨论相结合6. 考核方式：考试7. 先修课程：高级语言程序设计、微机原理及接口技术、计算机通信网（一）教材：《无线传感器网络简明教程（第2版）》崔逊学编著清华大学出版社《ZigBee无线传感器网络》钟永峰等编著北京邮电大学出版社（二）教学参考资料：《计算机网络（第6版）》谢希仁编著清华大学出版社《无线传感器网络》孙利民等编著，清华大学出版社《无线传感器网络原理及应用》唐宏编著，人民邮电出版社第二部分教学内容和教学要求第1章概述教学内容：1.1传感器网络的体系结构1.2传感器网络的特征1.3传感器网络的应用领域1.4传感器网络的发展历史教学要求：掌握WSN网络架构；了解无线传感器网络目前的应用状况和将来的应用前景第2章传感器网络的通信与组网技术教学内容：2.1 物理层概述2.2 传感器网络物理层的设计2.3 MAC协议概述2.4 IEEE802.11MAC协议2.5典型MAC协议2.6 路由协议概述2.7 典型路由协议教学要求：掌握物理层协议的基本概念，掌握无线信道和通信的基础知识；掌握无线MAC 协议基础知识，掌握路由协议的基础知识，了解典型的MAC协议和路由协议。
无线传感器网络简明教程
扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩 频(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)、跳频 (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)、跳时(Time Hopping Spread Spectrum, THSS)和宽带线性调频扩频(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，简称切普扩频)。
通常传感器节点的通信覆盖范围只有几十米到几百米，人们要考虑如 何在有限的通信能力条件下，完成探测数据的传输。无线通信是传感器 网络的关键技术之一。
3.1 物理层
3.1.1 物理层概述
1、物理层的基本概念
在计算机网络中物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输介质上传 输数据的比特流。国际标准化组织(International Organization for Standardization, IOS)对开放系统互联(Open System Interconnection， OSI)参考模型中物理层的定义如下：物理层为建立、维护和释放数据链路实体 之间的二进制比特传输的物理连接，提供机械的、电气的、功能的和规程性的特 性。
调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，采用什么方法调 制和解调往往在很大程度上决定着通信系统的质量。根据调制中采用的 基带信号的类型，可以将调制分为模拟调制和数字调制。
模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高 频载波随着模拟基带信号的变化而变化。
数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使过渡，因此数字调制已经成为了主流的调制技术。
20世纪80年代以来，人们十分重视调制技术在无线通 信系统中的应用，以寻求频谱利用率更高、频谱特性更 好的数字调制方式。由于振幅键控信号的抗噪声性能不 够理想，因而目前在无线通信中广泛应用的调制方法是 频率键控和相位键控。
无线传感器网络原理及应用
无线传感器网络原理及应用
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）是由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的一种自组织、自适应的网络系统。
每个节点都具备感知环境、处理数据和通信的能力。
无线传感器网络凭借其低成本、低功耗、灵活部署等优势，被广泛应用于各个领域。
无线传感器网络的工作原理如下：首先，各个节点通过无线通信互相连接，形成一个多层次的网络结构。
每个节点负责采集周围环境的信息，如温度、湿度、压力等，借助内置的处理器对数据进行处理和分析。
然后，节点将处理后的数据通过无线传输协议发送给周围的节点，通过多跳路由的方式最终传输到目标节点中。
目标节点接收到数据后，可以进行进一步的处理或者发送给其他外部系统进行分析和应用。
无线传感器网络有着广泛的应用。
在环境监测方面，可以用于气象预报、水质检测、大气污染监测等。
在农业领域，可以用于土壤监测、作物生长状况监测、灌溉控制等。
在智能交通领域，可以用于交通流量监测、智能交通信号控制等。
此外，无线传感器网络还应用于工业自动化、健康监测、安全监控等多个领域，为各个行业提供了大量的实时数据，帮助我们更好地了解和管理环境。
总之，无线传感器网络通过节点互相通信、数据采集和处理，构建了一个分布式的网络系统，具备广泛的应用前景。
通过无线传感器网络，我们可以实时获取环境信息，提高生产效率，
改善资源利用效率，为各个行业的发展和可持续发展贡献一份力量。
无线传感器网络技术与应用
无线传感器网络技术与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是一种由大量分布式传感器节点组成的网络系统，能够感知、采集和传输环境中的各种物理量和信息。
它具有自组织、自协调、实时性、低功耗等特点，广泛应用于农业、环境监测、智能家居、工业控制等领域。
本文将详细介绍无线传感器网络技术的原理、组成和应用，并探讨其在不同领域中的具体应用案例。
一、无线传感器网络的原理和组成1. 传感器节点传感器节点是无线传感器网络的基本组成单元，包括传感器、处理器、无线通信模块和电源等组件。
传感器节点负责采集周围环境的物理量，如温度、湿度、光照强度等，然后通过无线通信模块将采集到的数据传输给相邻节点。
2. 网络拓扑无线传感器网络的节点组织形式可以采用不同的拓扑结构，如星型、树状、网状等。
拓扑结构的选择取决于具体应用的需求和网络规模。
例如，星型拓扑适用于小范围的传感器网络，而网状拓扑则适用于大范围的传感器网络。
3. 路由协议路由协议是控制数据包的传输路径的规则和算法，保证数据能够有效地从源节点传输到目标节点。
常用的路由协议有LEACH、TEEN、PEGASIS等。
这些路由协议根据节点的能量消耗、网络拓扑结构和数据传输的延迟等因素进行优化，以实现高效的数据传输。
二、无线传感器网络的应用案例1. 农业领域在农业领域中，无线传感器网络被广泛应用于土壤监测、气象监测和农作物生长监测等方面。
通过部署大量的传感器节点，可以实时地监测土壤的湿度、温度和养分含量，帮助农民合理施肥和灌溉，提高农作物的产量和质量。
2. 环境监测无线传感器网络在环境监测领域发挥着重要作用。
通过将传感器节点部署在城市和工业区域，可以实时监测空气污染物的浓度、水质的污染程度和噪音水平。
这些数据可以提供给相关部门，帮助他们制定环境管理政策和改善环境质量。
3. 智能家居无线传感器网络可以实现智能家居系统的自动化管理。
通过将传感器节点部署在家庭中的各个角落，可以感知家庭的温度、湿度、照明等信息，并根据家庭成员的需求自动调节空调、照明和安防系统。
无线传感器网络概论第5章 无线传感器网络的传输层
r/R
描述了当前传输的可靠性程度。当 1 时，当前传
输是足够可靠的；而当 1时，当前传输是不可靠的。
图5.3为在一个典型的应用环境中， 随f 的变化情况。
5.1 无线传感器网络传输层概述 5.1.3 无线传感器网络传输层协议分类
5.1 无线传感器网络传输层概述
5.1.1 无线传感器网络传输层简介
1. 采用事件到汇聚点的可靠性模型
如下图所示，一部分传输协议对衡量目前传输过 程中可靠性程度的量化标准做出了简要而准确的描述， 这些标准中指出汇聚点依照接收到报文的数量或者其 它特征进行估测。依照目前的可靠性水平和网络状况， 汇聚点将自适应地对流量进行支配。
3. 优先级策略
（1）基于事件的优先级
具备比较高的优先级的战场数据，在数据包的接受 过程中将要被表示为紧急事件，该方式是通过在数据包 头加入优先级变量实现的，该优先级的变量值越大，那 么该数据包就越提前被处理。
（2）基于节点的优先级
距离汇聚节点较近的其他节点产生拥塞的可能性较 高，为了避免发生拥塞，规定将这些节点传送出去的数 据包设置成较高一级的优先级。
5.1 无线传感器网络传输层概述
5.1.3 无线传感器网络传输层协议分类
如果上一步中的下一跳节点不符合要求，则排除 该节点，接着检测剩下的下游节点，得到一个节点的 集合：
m i n { P k ( U s e r I D X 1 , U s e r I D X 2 ,, U s e r I D X k ) } p
第5章 无线传感器网络的传输层
5.1 无线传感器网络传输层概述
无线传感器网络-复习
一、填空题：第一章1、电磁波是由同相震荡且相互垂直的（电场和磁场）在空间以波的形式传递能量和动量，其传播方向垂直于（电场和磁场）构成的平面。
2、信道可以从狭义和广义两方面理解，狭义信道即（信号传输的媒质），分为（有线信道）和（无线信道）；广义信道按功能可以分为（模拟信道）和（数字信道）。
3、构成无线传感器网络的关键技术包括（Zigbee技术）、（RFID 技术）、（GPRS技术）、（WIFI技术）等。
4、构成物联网体系结构的三个层次分别是（感知层）、（网络层）和（应用层）。
5、无线传感器网络由（传感器节点）（汇聚节点）（任务管理节点）等几部分构成。
6、无线传感器网络是大量的传感器节点以（自组织）或者（多跳）的方式构成的无线网络。
7、无线传感器网络协议栈主要分为五层：（物理层）（MAC层）（网络层）（传输层）和（应用层）。
第二章：1、模拟调制的调制方式分为（AM）、（FM）、（PM）。
2、数字调制的调制方式分为（ASK）、（FSK）、（PSK）。
3、物理层帧由（同步头）、（帧长度）和（PHY负载）构成。
4、扩频通信方式有（DS）（FH）（TH）和（Chirp）5、（ISM）频段是对所有无线电系统都开放的频段，发射功率要求在1W以下，无需任何许可证。
6、造成多径传播的原因主要有（反射）（散射）（衍射）和（折射）7、扩频通信的理论基础来源于（香农）公式8、光纤通信、卫星通信和（扩展频谱通信）一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。
9、无线传感器网络的物理层遵循（IEEE802.15.4）标准。
10、物理层实体主要包括（基带处理电路）、（射频前端电路）和（传输媒质）。
第三章：1、MAC层有四种不同的帧形式：（信标帧）、（数据帧）、（确认帧）、（命令帧）。
2、MAC帧一般格式由（帧头）、（有效载荷）和（帧尾）构成。
3、分配型MAC协议采用（TDMA）（CDMA）（FDMA）和（SDMA）等技术，将一个物理信道分为多个子信道动态或静态的分配给节点，以避免冲突。
无线传感网络简明教程——作业题
无线传感器网络简明教程作业题第一章✓ 2.什么事无线传感器网络？答：传感器网络的标准定义是这样的：传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。
它的英文是WirelessSensorNetwork,简称WSN。
✓ 5.传感器网络的终端探测节点由哪些部分组成？这些组成模块的功能分别是什么？答：由传感模块、计算模块、通信模块、存储模块、电源模块和嵌入式软件系统组成。
这里传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存贮模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。
另外，电源模块负责节点供电，节点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。
✓8.传感器网络的体系结构包括哪些部分？各部分的功能分别是什么？答：无线传感器网络体系结构包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层和能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。
这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。
第二章✓ 2.传感器由哪些部分组成？各部分的功能是什么？答：传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。
敏感元件是传感器中能感受或响应被测量的部分。
转换元件是将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的信号（一般指电信号）部分。
基本转换电路可以对获得的微弱电信号进行放大、运算调制等。
另外，基本转换电路工作时必须有辅助电源。
✓7.传感器的一般特性包括哪些指标？答：传感器的一般特性包括：灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、重复性、漂移、精度、分辨率（力）、迟滞。
✓8.什么是传感器的灵敏度？答：传感器的灵敏度指传感器达到稳定工作状态时，输出变化量与引起变化的输入变化量之比，即K=输出变化量/输入变化量=△Y/△X=dy/dx✓9.什么是传感器的线性度？答：线性度是指传感器的实际输入-输出曲线（校准曲线）与拟合直线之间的吻合（偏离）程度。
第5章 无线传感器网络简介 《物联网技术与应用(第2版)》课件
无线传感器网络的体系结构由分层的网络通信协议、 网络管理平台以及应用支撑平台这三个部分组成。
应用支撑平台
应用服务接口
网络管理接口
应用层
(1)时间同步
(2)定位
(3)应用服务接口
(4)网络管理接口
无线传感器网络的特点 (1)分布式 (2)自组织 (3)拓扑变化 (4)多跳路由 (5)安全性差
无线传感器网络与无线自组网络有着许多相似之处， 但是无线自组网络以传输数据为目的，致力于在不依 赖于任何基础设施的前提下为用户提供高质量的数据 传输服务；而无线传感器网络以数据为中心，将能源 的高效使用作为首要设计目标，专注于从外界获取有 效信息。除此之外，无线传感器网络还具有以下一些 区别于无线自组网络的独有特征。
2．无线传感器网络 1) Sensor IT 2)WINS 3)Smart Dust 4)Sea Web 5)Hourglass 6)Sensor Webs 7)IrisNet 8)NEST
3．普适计算 1991年，Mark Weiser提出了“普适计算(Pervasive
欧盟的EYES(自组织和协作有效能量的传感网络)是 为期3年的一项计划，从2002年开始实施。研究的范 围包括分布式信息处理、无线通信和移动计算。该项 目集中研究体系结构，协议和软件，使结点“聪明”， 自组织及相互协作。他们提出应具备的两层结构，低 层处理传感器和传感网络，上层则根据低层提供的信 息，为应用提供服务。在通信网络方面开发的新技术 包括内部传感器结构，分布无线接入，路由协议，可 靠的端到端传输，节点时间同步和定位；在服务层， 支持移动传感器应用，包括信息收集、查找、发现和 安全等。
无线传感器网络：原理与应用案例
无线传感器网络：原理与应用案例无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）是由大量分布在广泛的地理区域中的无线传感器节点组成的一种特殊网络。
每个传感器节点都能够感知环境中的各种物理量，并将这些数据传输到具有处理和存储功能的基站。
无线传感器网络在农业、环境监测、智能交通、工业控制等领域有着广泛的应用。
本文将介绍无线传感器网络的原理并给出一些应用案例。
一、无线传感器网络的原理1. 无线传感器节点- 无线传感器节点由传感器、处理器、通信模块组成。
传感器负责感知环境中的物理量，如温度、湿度、压力等；处理器负责处理传感器数据并进行有关算法运算；通信模块负责将处理后的数据传输到基站。
- 无线传感器节点通过自组织的方式形成网络，邻近节点之间可以进行通信与数据传输。
- 无线传感器网络具有分布广、节点密度大、节约能源等特点。
2. 网络拓扑结构- 无线传感器网络的拓扑结构可以是星状、树状、网状等。
其中，星状结构最常见，由一个或多个基站与多个传感器节点组成。
- 树状结构适用于需要按照一定的层次进行数据传输的场景，如农田监测。
- 网状结构适用于节点之间需要频繁通信的场景，如智能交通领域。
3. 节点通信- 节点之间的通信可以通过无线电波进行。
节点之间使用无线电频率进行数据传输，可以采用广播、单播、多播等方式。
- 无线传感器网络中的节点通信距离通常较短，需要进行多跳传输。
二、无线传感器网络的应用案例1. 农业领域- 无线传感器网络可以用于农田的监测，如土壤湿度、温度、土壤养分浓度等。
通过无线传感器网络，农民可以了解到农田的实时状况，合理调节灌溉、施肥。
- 还可以用于农作物的监测，如监测农作物的生长情况、病虫害的发生情况等。
通过无线传感器网络，农民可以及时采取相应的措施，提高农作物的产量和质量。
2. 环境监测- 无线传感器网络可以用于环境的监测，如空气污染、水质监测等。
通过无线传感器网络，可以实时采集环境中的数据，并进行分析和预警。
无线传感器网络技术的应用指南
无线传感器网络技术的应用指南无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）作为一种新兴的信息技术，具有广泛的应用前景和发展潜力。
它利用分布在空间中的大量节点感知和收集环境信息，通过无线通信互联，实现对目标区域的监测、控制以及数据处理与传输。
本文将介绍无线传感器网络技术的基本原理及其在不同领域的应用指南。
一、无线传感器网络技术的基本原理无线传感器网络是由大量具有感知、计算和通信能力的节点组成，节点之间通过无线通信网络相互连接。
无线传感器网络技术的基本原理可以概括为以下几点：1. 节点感知和收集数据：每个节点都配备有感知器件，可以感知环境中的温度、湿度、压力等信息，并将数据进行采集和处理。
2. 节点间的数据传输：节点之间通过无线信号进行数据的传输和通信。
节点可以通过多跳方式将数据传递给其他节点，从而实现大范围的数据传输。
3. 数据处理与存储：节点可以通过自身的计算能力对采集的数据进行处理和分析，并将处理后的数据存储在本地或传输给其他节点。
4. 网络组网与管理：无线传感器网络中的节点需要通过网络管理中心进行组网和管理。
网络管理中心可以负责节点的配置、协调和控制等任务。
二、无线传感器网络技术在环境监测中的应用指南无线传感器网络技术在环境监测领域具有广泛的应用，可以实现对大气、水体、土壤等环境参数的实时监测和分析。
1. 大气环境监测：通过部署在气象站、城市建筑物等区域的无线传感器网络，可以实时监测气温、湿度、气压等大气环境参数。
这些数据可以用于天气预报、气候变化分析等方面。
2. 水体环境监测：无线传感器网络可以在湖泊、河流等水体环境中部署节点，实时监测水质、水温、水位等参数。
这些数据对于水资源管理、水质监测具有重要的意义。
3. 土壤环境监测：通过无线传感器网络可以实时监测土壤温度、湿度、盐碱度等参数，帮助农业和园林管理人员进行土壤调控和植物生长环境的优化。
三、无线传感器网络技术在工业自动化中的应用指南无线传感器网络技术在工业自动化领域具有广泛的应用，可以实现对工业过程的监测、控制和优化。
无线传感器网络技术原理及应用-ppt课件-第5章
信的数据量，减少能量消耗。
应用层数据融合示例如图5-5所示。
38
图5-5 应用层数据融合示例
39 图中，假设汇聚节点要查询房间101～104中湿度值大
1
第5章 服务支撑技术
5.1 时间同步技术
5.2 数据融合技术
5.3 定位技术 5.4 网络安全技术 5.5 容错设计技术 5.6 服务质量保证
小结
2 本章目标
理解时间同步技术。
掌握数据融合技术。 理解定位技术。
了解网络安全应用技术。
了解容错设计技术。 了解服务质量保证问题。
3 学习导航
4
5.1 时间同步技术
时间同步技术作为无线传感器网络的基础技术之一， 不仅是无线传感器网络中各种应用正常运行的必要条件，
并且其同步精度直接决定了其他服务的质量。本节主要介
绍无线传感器网络时间同步的基本概念、方法、协议和应 用。
5 5.1.1 概述
时间同步就是通过对本地时钟的某些操作，达到为分
布式系统提供一个统一时间标度的过程。在集中式系统中， 由于所有进程或者模块都可以从系统唯一的全局时钟中获
无线传感器网络是一种新的分布式系统。节点之间相
互独立并以无线方式通信，每个节点维护一个本地计时器， 计时信号一般由晶体振荡器提供。由于晶体振荡器制造工
艺的差别，并且其在运行过程中易受到电压、温度以及晶
体老化等多种外在因素的影响，每个晶振的频率很难保持 一致性，必须对其进行时间同步操作。
7 目前，无线传感器网络时间同步需要重点解决以下三个方
定介质中的传输速递是确定的，因此传输时间信息很容易
转换为距离信息。所以测距的精度直接依赖于时间同步的 精度。
32 4. 协作传输要求
无线传感器网络(完整课件)
第1章 无线传感器网络概述
与当前流行的短距离无线通信技术相比，UWB具有抗干扰能力强、传输速 率高、带宽极宽、发射功率小等优点，具有广阔的应用前景，在室内通信、 高速无线LAN、家庭网络等场合才能得到充分应用。
当然，UWB技术也存在自身的弱点。主要是占用的带宽过大，可能会干扰 其他无线通信系统，因此其频率许可问题一直在争论之中。另外，有学者认 为，尽管UWB系统发射的平均功率很低，但由于其脉冲持续时间很短，瞬时 功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。但是学 术界的种种争论并不影响UWB的开发和使用，2002年2月美国通信协会(FCC) 批准了UWB用于短距离无线通信的申请。
第1章 无线传感器网络概述
短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，它是指集信息采集、信 息传输、信息处理于一体的综合性智能信息系统，并且其传输距离限制在一 个较短的范围内（通常是几米以内）。通过各类集成化的微型传感器协作进 行实时感知、采集和监测各类感兴趣的研究和应用信息。
低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优 势。
第1章 无线传感器网络概述
1.2 无线传感器网络发展历程
早在20世纪70年代就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制 器而构成传感器网络雏形，人们把它归结为第一代传感器网络。随着相关学 科的不断发展，传感器网络同时还具有获取多种信息信号的综合能力，采用 串/并接口（如RS-232、RS-485）与传感控制器相连，构成了有信息综合和处 理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。在20世纪90年代后期和21世 纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制 器，构成局域网络，成为智能化传感器网络，这是第三代传感器网络。第四 代传感器网络正在研究开发，用大量的具有多功能、多信息信号获取能力的 传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传 感器网络。
无线传感器网络技术讲义(PDF 50页)
Sync Header
Start of Preamble Packet
Delimiter
PHY Header Frame Reserve Length (1 bit) (7 bit)
4 Octets 1 Octets
1 Octets
PHY Payload PHY Service
Data Unit (PSDU)
UWB
Zigbee
IEEE 802.15.4标准
IEEE 802.15.4标准的主要特征：
• 实现20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四种不同的传输 速率；
• 支持星型和点到点两种拓扑结构； • 在网络中采取两种地址方式：16位地址和64位地址。其中
16位地址是有协调器分配的，64位地址是全球唯一的扩展 地址； • 采用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA-CA）的信 道访问机制； • 支持ACK机制以保证可靠传输； • 低功耗机制；
IEEE 802.15.4标准
• IEEE 802.15.4标准概述
• 网络组成及拓扑结构 • 协议栈架构 • 功能概述
• 物理层规范
• 信道分配及调制方式 • 物理层帧格式 • 物理层功能实现
• MAC子层规范
• MAC子层的信道访问方式 • MAC子层的帧格式 • MAC子层的功能实现
IEEE 802.15.4标准
IEEE 802.15.4标准
• 两种不同类型的设备 :
– 全功能设备(full function device ,FFD) – 精简功能设备(reduced function device,RFD)
掌握无线传感器网络的组网和数据处理
掌握无线传感器网络的组网和数据处理无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量分布在空间中的传感器节点组成的网络系统，广泛应用于环境监测、农业、物流、智能交通等领域。
要想充分发挥无线传感器网络的作用，掌握组网和数据处理是至关重要的。
本文将详细介绍无线传感器网络的组网和数据处理的步骤和技术。
一、无线传感器网络的组网步骤：1. 确定网络拓扑结构：根据实际应用需求和场景特点，确定无线传感器网络的拓扑结构，如星型、网状、树状等。
其中，星型结构适用于中心控制的应用，网状结构适用于分散式控制的应用，而树状结构适用于级联传输的应用。
2. 节点选择与部署：根据实际应用需求，选择合适的传感器节点，并合理地部署在监测区域内。
节点的部署需要考虑到节点之间的通信距离、覆盖范围、电源供应等因素，以保证整个网络的覆盖效果和可靠性。
3. 网络连接与设置：通过适当的网络连接方式（如无线、有线等），将传感器节点连接到网络主节点或网关节点上。
在网络设置方面，需要为传感器节点分配合适的网络地址，并配置节点之间的通信协议，确保数据的可靠传输。
4. 网络通信协议的选择与配置：根据实际应用需求和拓扑结构，选择适用的网络通信协议，如IEEE 802.15.4、ZigBee等。
然后，根据协议的要求进行节点的配置，包括节点的数据传输速率、射频功率、射频通道等参数的设置。
5. 网络性能测试与调优：在完成网络搭建后，需要进行性能测试与调优，包括信号强度测试、传输距离测试、网络拓扑可靠性测试等。
通过测试结果，及时调整节点的位置、参数设置等，以提高网络的性能和可靠性。
二、无线传感器网络的数据处理步骤：1. 传感器数据采集：无线传感器网络通过传感器节点实时采集环境中的各种数据，如温度、湿度、光照等。
传感器节点将采集到的数据转化为数字信号，并通过网络传输到数据处理节点。
2. 数据预处理：在接收到传感器数据后，首先进行数据预处理，包括数据去噪、数据插补、数据滤波等操作。
无线传感器网络(WSN)
二、软件结构
无线传感器网络中间件和平台软件构成无线传 感器网络业务应用的公共基础，提供了高度的 灵活性、模块性和可移植性。无线传感器网络 中间件和平台软件在无线传感器网络软件系统 架构中的位置如图5.2 所示。
二、软件结构
图5.2 无线传感器网络软件体系结构
二、软件结构
无线传感器网络应用支撑层、无线传感器网络 基础设施和基于无线传感器网络应用业务层的 一部分共性功能以及管理、信息安全等部分组 成了无线传感器网络中间件和平台软件。 无线传感器网络中间件和平台软件采用层次化 、模块化的体系结构，使其更加适应无线传感 器网络应用系统的要求，并用自身的复杂换取 应用开发的简单。
学习任务
5.1 无线传感器网络概述 5.2 无线传感器网络的系统结构 5.3 无线传感器网络的应用 5.4 无线传感器网络的研究方向
5.1 无线传感器网络概述
一、WSN对物联网的支撑作用 无线传感器网络技术是传统传感技术和 网络通讯技术的融合，通过将无线网络 节点附加采集各种物理量的传感器而成 为兼有感知能力和通讯能力的智能节点, 是物联网的核心支撑技术之一。 是物联网网络感知层和传输网络层的主 要实现技术。
图5.6 无线传感器网络Mesh网络结构
④ Mesh网络结构
特点： 网络对于单点或单个链路故障具有较 强的容错能力和鲁棒性。Mesh网络结构最 大的优点就是尽管所有节点都是对等的地 位，且具有相同的计算和通信传输功能。
五、协议结构
通信协议层可以划分为物理层、链路层、网络 层、传输层和应用层五层，而网络管理面则可 以划分为能耗管理面、移动性管理面以及任务 管理面。如图5.8(a)所示。
图5.4 无线传感器分级网络结构
② 分级网络结构
无线传感器网络实用教程
1、无线传感网络的组成：数据获取网络、数据分布网络、控制管理中心2、传感器网络的特点：大规模网络、自组织网络、多跳路由、动态性网络、以数据为中心的网络、兼容性应用的网络。
3、传感器节点的限制：电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限4、传感器网络的关键技术：网络拓扑控制、网络协议、网络安全、时间同步、定位技术、数据融合、数据管理、无线通信技术、嵌入式操作做系统、应用层技术。
5、无线传感器网络体系结构概述无线传感器网络是由大量的秘籍部署在监控区域的智能传感器节点构成的一种网络应用系统传感器节点数量众多，采用随机投放方式，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交互来完成全局任务。
无线传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到现有的网络基础设施上。
6、无线传感器网络软件体系结构：网络适配层、基础软件层、网络中间件、配置中间件、功能中间件、管理中间件、安全中间件。
7、无线传感器网络的协议栈包括：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层，能量管理、移动管理、任务管理等平台。
8、定位和时间子层在协议栈中的位置比较特殊，他们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为各层网络协议提供信息支持，如基于时分复用的MAC协议、基于地理位置的路由协议等都需要定位和同步信息。
9、无线传感器网络通信体系结构（1）无线传感器网络中的节点数目众多，传感器网络可扩展性要强；（2）自组织传感器网络最大的特点是能量受限，所以节能是设计的主要考虑目标之一；（3）传感器网络节点受损概率较高，因此网络健壮性保障是必须的；（4）网络拓扑结构变化快。
10、路由协议分类（1）根据传输过程采用路径的多少，分为单路径路由协议、多路径路由协议；（2）根据节点在路由过程中是否有层次结构、作用是否有差异，可分为平面路由协议和层次路由协议；（3）根据路由建立时机与数据发送的先后关系，分为主动路由协议、按需路由协议、混合路由协议；（4）根据是否以地理位置来标识目的地、路由计算中是否利用地理位置信息，可分为基于地理位置的路由协议和非基于位置的路由协议；（5）根据是否以数据来标识目的地，可分为基于数据的路由协议和非基于数据地址的路由协议；（6）根据节点是否编址、是否以地址标识目的地，可分为基于地址的路由协议和基于非地址的路由协议；（7）根据路由选择是否考虑QoS约束，可分为保证QoS的路由协议和不保证QoS的路由协议；（8）根据数据在传输过程中是否进行聚合处理，可分为数据聚合的路由协议和非数据聚合的路由协议；（9）根据路由是否由源节点指定，可分为源站路由协议和非源站路由协议；（10）根据路由建立时机是否与查询有关，可分为查询驱动的路由协议和非查询驱动的路由协议。
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3、Matlab
Matlab是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的意思。它除了 具备卓越的数值计算能力外，还提供专业水平的符号计算、文字 处理、可视化建模仿真和实时控制等功能，也可以进行网络仿真， 用于模拟传感器网络的运行情况和某些应用算法的性能。 在Matlab软件工具中，典型的无线传感器网络应用程序如 WiSNAP。这是一个针对无线图像传感器网络而设计的基于Matlab 的应用开发平台。
频率 2.4GHz 2.4GHz 50kHz~5.8GHz 2.4GHz Infrared 3.1~10.6GHz 300~1000MHz
距离/m 10 100 <5 10~75 1 10 10X~100X X表示数字1~9
功耗 低 高 ~ 低 低 低 低
无线传感器网络 传感器节点1 传感器节点2 传感器节点3 传感器节点4
以太网端口
本地用户
中心服务器
因特网
外部用户
SensoNet是美国 亚特兰大市乔治亚州 技术学院电子与计算 机工程学校宽带＆无 线网络实验室研制的 传感器网络试验床。 SensoNet试验床是由 三部分组成：核心网、 核心接入网和传感器 现场。
Modeler提供多种业务 模拟方式，具有丰富的收 集分析统计量，查看动画 和调试等功能。它可以直 接收集常用的各个网络层
次的性能统计参数，能够
方便地编制和输出仿真结 果的报告。
OPNET网络仿真软件是目前世界上最为先进的网络
仿真开发和应用平台之一。它曾被一些机构评选为“世 界级网络仿真软件”第一名,可以进行传感器网络的各 种应用业务仿真和网络协议运行性能模拟。 使用它的最大问题在于它作为一种商业化高端网络 仿真产品，价格十分昂贵。
规则。
2、OMNeT++
OMNeT++是Objective Modular Network Testbed的
简写，也被称作离散事件模拟系统(Discrete Event
Simulation System，DESS)。它是一种面向对象的、离 散事件建模仿真器，属于免费的网络仿真软件。
这种仿真软件工具采用了特别定义的NED语言来完成。
在TOSSIM模拟器运行Blink应用程序，可按 以下步骤操作： cd app/Blink make pc
(3) 使用gdb调试程序
TOSSIM的一个显著优点就是它可以运行在PC机上， 这样可以运用传统的调试工具来调试nesC程序。 使用gdb进行调试与采用传统的调试方法大致相同， 只是使用命令(如在命令处设断点)时必须按照上面的
在选择仿真平台时，需要综合考虑各个因素，在其中寻找 一个平衡点以获得最佳的仿真效果。
2、仿真平台的自主设计
如果开发者决定构建一个自己的传感器网络仿真工具， 首先需要决定是在现有仿真平台上开发还是单独构建。 如果开发时间有限并且只有一些需要用到的特定特性在 现有工具中没有，那么最好是在现有仿真平台上做开发。 如果有足够的开发时间，以及开发者感觉自己的设计 思路比现有工具在仿真规模、执行速度、特点等方面优 越，那么从头开始创建一个仿真工具是最有效的。
5.1.4 传感器网络工程测试床
在无线传感器网络中，仿真是一个重要的研究手段。但是仿真通常仅
局限于特定问题的研究，并不能获取节点、网络和无线通信等运行的详
细信息，只有实际的测试床(Testbed)才能够捕获到这些信息。 虽然在验证大型传感器网络方面有一些有效的仿真工具，但只有通过
对实际的传感器网络测试床的使用，才能真正理解资源的限制、通信损
数据 处理 模块
无线 通信 模块
其它模块
5.2.2 传感器节点的模块化设计
1、数据处理模块 对于数据处理模块的设计，主要考虑如下五个方 面的问题： (1) 节能设计 (2) 处理速度的选择 (3) 低成本 (4) 小体积 (5) 安全性
厂商
芯片型号 Mega103
RAM容量/KB 4 4 4 0.36 0.5 1 2 0.5 2 4 2 10 256 256 8
TI Atmel Intel Samsung
各种常见的微控制器性能列表
2、换能器模块
所谓换能器(transducer)是指将一种物理能量变为另一种物
理能量的器件，包括传感器和执行器两种类型。
大部分传感器的输出是模拟信号，但通常无线传感器网络传 输的是数字化的数据，因此必须进行模/数转换。类似的，许多执
行器的输出也是模拟的，因此也必须进行数/模转换。
在网络节点中配置模/数和数/模转换器(ADC和DAC)，能够降 低系统的整体成本，尤其是在节点有多个传感器且可共享一个转
换器的时候。
3、无线通信模块
无线通信模块由无线射频电路和天线组成，目前采用 的传输介质主要包括无线电、空气、红外、激光和超声波 等，它是传感器节点中最主要的耗能模块，是传感器节点 的设计重点。
例如我们希望针对TinyOS自 带的Blink应用程序，模拟编译出 可以在TOSSIM模拟器上运行的程 序，主要是在应用程序目录下运 行“make pc"命令，就可以把源 代码编译在TOSSIM模拟器上运行 Blink应用程序。 Blink应用程序可以在mote硬 件节点上以频率1Hz让LED红灯显 示。如果执行命令：$ ./tinyviz –run build/pc/main.exe 30， 会出现图所示的界面。
SensoNet工程测试床的场景和部分实物
5.2 网络节点的硬件计传感器网络的硬件节点需从以下方面考虑： (1) 微型化 (2) 扩展性和灵活性 (3) 稳定性和安全性 (4) 低成本 (5) 低功耗
2、硬件系统的设计内容
传感器网络设计的主要内容在于 传感器网络节点。 传感器节点的基本硬件模块组成 主要由数据处理模块、换能器模块、 换能 器模 无线通信模块、电源模块和其他外围 块 模块组成。 换能器模块包括各种传感器和执 行器，用于感知数据和执行各种控制 电源模块 动作。其他外围模块包括看门狗电路、 电池电量检测模块等，也是传感器节 点不可缺少的组成部分。
Flash容量/KB 128 128 64 8 32 16 60 32 32 60 60 48 1024 N/A N/A
正常工作电流 /mA 5.5 8 2.5 2 30 45 15 6.6 8 6.5 1.5 2 38 39 60
睡眠模式下的 电流/μA 1 20 2 1 5 10 3 90 100 1 1 1 160 574 5
可以用来调试最后实际真正运行的程序代码。
(2) TOSSIM模拟器运行TinyOS程序
在PC机上安装好TinyOS之后，可以按照如下关键步骤打开TinyViz界 面： 1) CD 到应用的目录 2) $ make pc 3) 若Tinyviz还没有make, 则： ① cd tools/java/net/tinyos/sim/tinyviz ② make 4) 将tinyviz拷贝到应用目录 5) $ DBG=sim 6) $ ./tinyviz –run build/pc/main.exe 10 如果输入make mica2命令，表示建立mica2目录，可以编译生成mote 上的exe、srec和ihex文件。
失及能源限制等问题。 通过测试床可以对无线传感器网络的许多问题进行研究，简化系统部 署、调试等步骤，使得无线传感器网络的研究和应用变得相对容易。
Motelab是哈佛大学开发的一个开放的无线传感器网络实验环 境，是基于Web的无线传感器网络测试床。它包括一组长期部署的
传感器网络节点，以及一个中心服务器。
第5章
传感器网络的应用开发基础
传感器网络的应用开发基础技术是传感器网
络完成应用功能的关键，这里主要介绍它的仿真
平台和工程测试床、网络节点的硬件开发、操作
系统和软件开发等内容。
5.1 仿真平台和工程测试床
5.1.1 传感器网络的仿真技术概述
1、网络研究与设计方法
通常计算机网络的研究与设计方法包括分析方法、实 验方法和模拟方法。 分析方法是对所研究对象和所依存的网络系统进行初 步分析，根据一定的限定条件和合理假设，对研究对象和 系统进行描述，抽象出研究对象的数学分析模型。 实验方法的主要内容是建立测试床和实验室。 模拟方法主要是应用网络模拟软件来仿真网络系统的 运行效果。
传感器网络应用的无线通信技术通常包括IEEE
802.11b、IEEE 802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、 RFID和IrDA等，还有很多芯片双方通信的协议由用户自己
定义，这些芯片一般工作在ISM免费频段。
无线技术 Bluetooth 802.11b RFID ZigBee IrDA UWB RF
5、NS
NS(Network Simulator)是一种针对网络技术的源代码公开 的、免费的软件模拟平台，研究人员使用它可以很容易地进行网 络技术的开发。目前它所包含的模块内容已经非常丰富，几乎涉 及到网络技术的所有方面，成为了目前学术界广泛使用的一种网 络模拟软件。 在每年国内外发表的有关网络技术的学术论文中，利用NS给 出模拟结果的文章最多，通过这种方法得出的研究结果也是被学 术界所普遍认可的。 NS也可作为一种辅助教学的工具，广泛应用在网络技术的教 学方面。目前这种网络仿真软件工具已经发展到第二个版本，即 NS2（Network Simulator, version 2）。
4、OPNET
OPNET是MIL3公司开发的网络仿真软件产品。这是一种优秀的 图形化、支持面向对象建模的大型网络仿真软件。OPNET的产品主 要针对三类客户，分成四个系列。 三类客户是指网络服务提供商、网络设备制造商和一般企业。 它的四个系列产品核心包括： ① OPNET Modeler：为技术人员提供一个网络技术和产品开 发平台，可以帮助他们设计和分析网络和通信协议。 ② ITGuru™：帮助网络专业人士预测和分析网络和网络应用 的性能、诊断问题、查找影响系统性能的瓶颈、提出并验证解决方 案。 ③ ServiceProviderGuru：面向网络服务提供商的智能化网 络管理软件。 ④ WDM Guru：用于波分复用光纤网络的分析、评测。