传感网原理与技术第一章绪论 李士宁等编著

战场态势感知
美军的“无人值守地面传感器群”项目
战场目标追踪
美国海军的网状传感器系统CEC
1.5.1 军事应用
核、生、化监测
借助于生物和化学传感器，可以及早发现己方阵地上的生物和化 学污染，可以较为安全地获取一些核、生、化爆炸现场的详细数 据，为己方组织防护提供快速反应时间从而减少损失。
第一章 绪论
主要内容
1.1 传感网的起源与发展
1.2 传感网的体系结构
1.3 传感网的核心技术
1.4 传感网的主要特点
1.5 传感网的应用 1.6 传感网与物联网的关系 1.7 本章小结与进一步阅读的文献
1.1 传感网的起源与发展
传感网的起源
传感网（WSN）最早是由美国军方提出的 ，起源于1978年美国国防高级研究计划局（ DARPA）资助卡内基梅隆大学进行分布式传感 网的研究项目。
1.3 传感网的核心技术
拓扑控制的分类
节点功率控制
• 功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在 满足网络连通度的前提下，均衡节点的单跳可达邻 居数目。
层次型拓扑控制
• 层次型拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇 头节点，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨 干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块， 进入休眠状态以节省能量。
1.1 传感网的起源与发展
传感网的发展
第1阶段：冷战时期的军事传感器网络
冷战时期，美国将广泛的声信号网络使用 于潜艇监视，同时国家海洋和大气管理局 (NOAA)也使用其中的一部分传感器监测海洋的 地震活动。
1.1 传感网的起源与发展
传感网的发展
第2阶段：国防高级研究计划局的倡议
20世纪80年代初，在美国国防高级研究计 划局）DARPA（赞助项目的推动下，传感器网 络的研究取得了显著进步。
此外，节点需要相应的应用支持单元，如位 置查找单元和移动管理单元。
Байду номын сангаас
1.2.1 传感网节点体系结构
节点软件系统
操作系统（OS）微码
传感器驱动模块
通信处理模块
通信驱动模块
数据处理mini-app模块
1.2.2 传感网的网络结构
无线传感器网络的体系结构
监测区域
汇聚节点
互联网/卫星
时间同步技术
传感器节点将感知到的目标位置、时间等 信息发送到传感器网络中的汇聚节点，汇聚节 点在对不同传感器发送来的数据进行处理后便 可获得目标的移动方向、速度等信息。为了能 够正确地监测事件发生的顺序，就必须要求传 感器节点之间实现时间同步。
1.3 传感网的核心技术
时间同步技术
在无线传感器网络系统中，单个节点的能 力非常有限，整个系统所要实现的功能需要网 络内所有节点相互配合共同完成。时间同步在 无线传感器网络系统中起着非常重要的作用。
NEON将美国划分为 20个不同的区域，用于 长期观测生物圈对土地 利用和气候变化的响应 以及土壤圈、水圈和大 气圈的相互反馈机制。
1.5.2 环境监测
实例2：大鸭岛动物栖息地监控
2002年，由英特尔的研究小 组和加州大学伯克利分校以 及巴港大西洋大学的科学家 把无线传感器网络技术应用 于监视大鸭岛海鸟的栖息情 况。他们使用了包括光、湿 度、气压计、红外传感器、 摄像头在内的近10种传感器 类型数百个节点，系统通过 自组织无线网络，将数据传 输到300英尺外的基站计算 机内，再由此经卫星传输至 加州的服务器。
任务管理节点 传感器节点
1.2.2 传感网的网络结构
传感器节点分散在监测区域内，这些传感器 节点能够采集和接收数据、分析数据并且把 数据路由到一个指定的汇聚节点。 传感器节点之间通过自组织方式构成网络， 可以根据需要智能地采用不同的网络拓扑结 构。
1.2.2 传感网的网络结构
传感器节点的监测数据可能被多个节点处理 ，通常以多跳的方式沿着其他节点逐跳传输 ，经过路由到其他中间节点进行数据融合和 转发，到达汇聚节点，最后通过互联网或者 卫星到达用户可以操作的任务管理节点。 任务管理节点可以对无线传感器网络进行配 置和管理。
传感网的发展
第4阶段：现今的传感器网络研究
• 我国对传感网的研究起步较晚，首次正式启动 出现于1999年中国科学院《知识创新工程点领 域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告 ”中。现在，国内有越来越多的企事业单位关 注传感器网络技术的发展。
1.2 传感网的体系结构
传感器网络（简称传感网）
1.2.1 传感网节点体系结构
节点硬件系统
通信单元 处理单元 感知单元 传感器 ADC 处理器 存储器 收发器 天 线
能量供给单元
位置查找单元
移动管理单元
节点由感知单元、处理单元、通信单元、能 量供给单元和其他应用相关单元组成。
1.2.1 传感网节点体系结构
感知单元
感知单元主要用来采集现实世界的各种信 息，如温度、湿度、压力、声音等物理信息， 并将传感器采集到的模拟信息转换成数字信息 ，交给处理单元进行处理。
数据管理技术
数据管理技术包括传感网数据的存储、查询 、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策 和行为的理论和技术。
1.4 传感网的主要特点
与传统的网络相比，无线传感器网络拥有自 己的资源和设计方面的限制。在传感器节点中， 资源约束包括能源受限、通信距离短、带宽低、 处理和存储能力不足等。设计约束则是依赖于应 用程序和所监控的环境。
1.3 传感网的核心技术
数据管理技术
无线传感器网络本质上是一个以数据为中心 的网络，它处理的数据为传感器采集的连续 不断的数据流。
由于传感器网络能量、通信和计算能力有限 ，因此传感器网络数据管理系统在一般情况 下不会把数据都发送到汇聚节点进行处理， 而是尽可能在传感器网络中进行处理。
1.3 传感网的核心技术
1.2.1 传感网节点体系结构
处理单元
处理单元负责整个传感器节点的数据处理 和操作，存储本节点的采集数据和其他节点发 来的数据。
通信单元 通信单元负责与其他传感器节点进行无线 通信、交换控制消息和收发采集数据。
1.2.1 传感网节点体系结构
能量供给单元
能量供给单元提供传感器节点运行所需的 能量，是传感器节点最重要的单元之一。
远程健康监测系统
Smart Sensors and Integrated Microsystems (SSIM) 项目（美国韦恩州立大学）
The world is entering a new age of technology, and the Smart Sensors and Integrated Microsystems (SSIM) Program at Wayne State University is blazing the trail. Located on the campus of a major, urban research institution, the program and its researchers are developing novel materials, methods and prototype devices for everything from automotive, environmental and biomedical applications to advances in energy, communications and aerospace technology.
1.5.2 环境监测
无线传感器网络可用于监视农作物灌溉情况、 土壤空气情况、家畜和家禽的环境和迁移状况、无 线土壤生态学、大面积的地表监测等，也可用于行 星探测、气象和地理研究、洪水监测等。还可以通 过跟踪鸟类、小型动物和昆虫进行种群复杂度的研 究等。
1.5.2 环境监测
实例1:美国国家生态观测网络 (NEON)
1.3 传感网的核心技术
路由协议
MAC协议
拓扑控制
定位技术
时间同步 数据管理技术
1.3 传感网的核心技术
路由协议
路由协议负责将数据分组从源节点通过网 络转发到目的节点，协议的主要功能是寻找源 节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿 着优化路径正确转发。
1.3 传感网的核心技术
1.1 传感网的起源与发展
传感网的发展
第4阶段：现今的传感器网络研究
• 欧洲、澳洲和亚洲的一些工业化国家的高等院 校、研究机构和企业也积极进行无线传感器网 络的相关研究。 加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等 国家的研究机构都先后开始了无线传感器网络 的研究。
•
1.1 传感网的起源与发展
传感器网络是由大量部署在作用区域内的、 具有无线通信与计算能力的传感器节点组成， 这些节点通过自组织方式构成传感器网络，其 目的是协作感知、采集和处理网络覆盖地理区 域中的感知对象信息并发布给观察者。
1.2.1 传感网节点体系结构
节点通常是一个微型嵌入式系统，它
的处理能力、存储能力和通信能力是受 限的。节点要正常工作，需要硬软件系 统的密切配合。
1.5.4 智能家居
智能家居是以住宅为平台，利用综合布线 技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控 制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集 成起来，构建高效的住宅设施与家庭日程事务 的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适 性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。
传感器网络路由机制要求
能量高效
可扩展性
鲁棒性
快速收敛性
1.3 传感网的核心技术
路由协议的分类
平面路由和层次路由；
主动路由、按需路由和混合路由；
基于位置的路由和非基于位置的路由；
基于Qos的路由和不基于Qos的路由；
基于数据融合的路由和非基于数据融合的路 由；
1.5.2 环境监测
实例3:
西北工业大学的国家科技 支撑计划项目“西部优 势农产品生产精准管理 关键技术研究与示范” （在精准农业中的一个 典型应用）
1.5.3 医疗卫生
远程健康监测系统
在病人身上安置体温采集、呼吸、血压等测 量传感器，医生可以远程了解病人的情况
1.5.3 医疗卫生
1.3 传感网的核心技术
MAC协议
MAC协议处于传感器网络协议的底层部分 ，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无 线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。
1.3 传感网的核心技术
MAC协议设计时的考虑因素
节省能量
可扩展性
网络效率
1.3 传感网的核心技术
拓扑控制
拓扑控制的主要研究问题是在满足网络覆 盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干 网节点选择，剔除节点之间不必要的通信链路 ，形成一个数据转发的优化网络结构。
1.4 传感网的主要特点
大规模
自组织
动态性
容错性
资源受限
应用相关
1.5 传感网的应用
1.5.1 军事应用
1.5.2 环境监测
1.5.3 医疗卫生
1.5.4 智能家居
1.5.5 其他方面
1.5.1 军事应用
战场侦察与监视
美国陆军的“灵巧传感器网络通信”计划
1.3 传感网的核心技术
路由协议的分类
能量感知路由协议和非能量感知路由协议；
查询驱动和非查询驱动路由；
单路径和多路径路由；
安全路由与非安全路由。
1.3 传感网的核心技术
MAC协议
介质访问控制(MAC)协议决定无线信道的 使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线 通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基 础结构。
1.1 传感网的起源与发展
传感网的发展
第3阶段：20世纪80年代、90年代的军事应 用开发和部署 以DARPA的研究和测试平台的发展为基础， 在军事领域采用传感网技术，使其成为网络中 心战的关键组成部分。
1.1 传感网的起源与发展
传感网的发展
第4阶段：现今的传感器网络研究
• 进入21世纪，美国军方加大了对无线传感器网 络的研究。目前，美国有许多大学有专门的课 题研究小组从事无线传感器网络的研究，同时 许多大型企业也投入巨资进行无线传感器网络 的产业化开发。
1.3 传感网的核心技术
定位技术
传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在 什么位置或区域发生了特定事件”，实现对外部目标 的定位和追踪；另一方面，了解传感器节点位置信息 还可以提高路由效率，为网络提供命名空间，向部署 者报告网络的覆盖质量，实现网络的负载均衡以及网 络拓扑的自配置。
1.3 传感网的核心技术