无线传感器网络课件 第六章
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无线传感器网络ppt课件
布设时：可能通过飞机撒布，人员随机撒布 工作时：风吹、日晒、雨林、严寒、酷暑。
维护性 ：维护十分困难(几乎不可能)。 (2)网络结构可靠 自组织网、动态性保证基本的信息传输正常。 (3)软件可靠 (4)信息保密性强 5、以数据为中心
在互联网中终端、主机、路由器、服务器等设备都有自己的IP地址 。想访问互联网中资源，必须先知道存放资源的服务器的IP地址。所 以互联网是一个以地址为中心的网络。而无线传感器网络是任务型网 络。在WSN中，节点虽然也有编号。但是编号是否在整个WSN中统一取 决于具体需要。另外节点编号与节点位置之间也没有必然联系。用户 使用WSN查询事件时，将关心的事件报告给整个网络而不是某个节点 。许多时候只关心结果数据如何，而不关心是哪个节点发出的数据。
• 目前WSN尚处于研究阶段，为了加快其实用化进程，国外 建设了许多演示系统，相关的理论研究成果也很多。近年 来国，内一些科研院所和高校也开展WSN理论和应用的研 究。
传统的感知方法
WSN体系结构
• WSN是一种分布式网络系统，采用多跳的通信方式，其网 络拓扑结构动态变化，具有自组织、自控制以及自适应等 智能属性，有传感器节点、感知对象和观察者三者基本组 成。
WSN网络协议拓扑图 (1)时间同步和定位子协议
依赖于数据传输控制层进行定位和时间同步，同时又为 路由等几层协议提供支持。 (2)能量管理 在各个层次之中都要增加能量控制代码。
• 无线传感器网络是基于微电子技术、嵌入式计算技术、现 代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术实现的。 WSN典型工作如下：使用飞行器将大量节点抛撒到感兴趣 的区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既 是信息的采集者和发出者，也充当着信息的路由着，采集 的数据通过多跳路由到达网关。网关也是一类特殊的节点 ，可以通过lnternet、移动通信网络、卫星等与监控中心 通信。
维护性 ：维护十分困难(几乎不可能)。 (2)网络结构可靠 自组织网、动态性保证基本的信息传输正常。 (3)软件可靠 (4)信息保密性强 5、以数据为中心
在互联网中终端、主机、路由器、服务器等设备都有自己的IP地址 。想访问互联网中资源，必须先知道存放资源的服务器的IP地址。所 以互联网是一个以地址为中心的网络。而无线传感器网络是任务型网 络。在WSN中，节点虽然也有编号。但是编号是否在整个WSN中统一取 决于具体需要。另外节点编号与节点位置之间也没有必然联系。用户 使用WSN查询事件时，将关心的事件报告给整个网络而不是某个节点 。许多时候只关心结果数据如何，而不关心是哪个节点发出的数据。
• 目前WSN尚处于研究阶段，为了加快其实用化进程，国外 建设了许多演示系统，相关的理论研究成果也很多。近年 来国，内一些科研院所和高校也开展WSN理论和应用的研 究。
传统的感知方法
WSN体系结构
• WSN是一种分布式网络系统，采用多跳的通信方式，其网 络拓扑结构动态变化，具有自组织、自控制以及自适应等 智能属性，有传感器节点、感知对象和观察者三者基本组 成。
WSN网络协议拓扑图 (1)时间同步和定位子协议
依赖于数据传输控制层进行定位和时间同步，同时又为 路由等几层协议提供支持。 (2)能量管理 在各个层次之中都要增加能量控制代码。
• 无线传感器网络是基于微电子技术、嵌入式计算技术、现 代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术实现的。 WSN典型工作如下：使用飞行器将大量节点抛撒到感兴趣 的区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既 是信息的采集者和发出者，也充当着信息的路由着，采集 的数据通过多跳路由到达网关。网关也是一类特殊的节点 ，可以通过lnternet、移动通信网络、卫星等与监控中心 通信。
6.3-其他无线技术介绍 [Repaired]
![6.3-其他无线技术介绍 [Repaired]](https://img.taocdn.com/s3/m/81e00b361eb91a37f1115cf9.png)
传感器和无线传感网络
常用无线技术
第六章 目录
01 什么是无线通讯技术 02 无线通讯技术的发展影响 03 常用无线技术 04 基于GPRS技术实现温度数据采集任务
第六章
6.3 其它无线技术介绍
第3页
6.3.1 UWB
1. 简介
是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波
窄脉冲传输数据。有人称它为无线电领域的一次革命性进展， 认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。
无线手柄结合音、像设备营造出逼真的虚拟游戏空间。从前 面对UWB的技术特点来看，UWB技术无疑是一个很好的选择。
第六章
6.3 其它无线技术介绍
第 12 页
6.3.2 NFC
1. 简介
近场通信（Near Field Communication，NFC），又 称近距离无线通信，是一种短距离的高频无线通信 技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据 传输（在十厘米内）交换数据。 [1] 这个技术由免 接触式射频识别（RFID）演变而来，并向下兼容RFID，最早由Sony 和Philips 各自开发成功，主要用于手机等手持设备中提供 M2M(Machine to Machine)的通信。由于近场通讯具有天然的安全 性，因此，NFC技术被认为在手机支付等领域具有很大的应用前景。 NFC 芯片是具有相互通信功能，并具有计算能力，在Felica标准中 还含有加密逻辑 电路，MIFARE的后期标准也追加了加密/解密模块 (SAM)。
第六章
6.3 其它无线技术介绍
4.应用
第8页
1)应用概述 由于UWB具有强大的数据传输速率优势，同时受
发射功率的限制，在短距离范围内提供高速无线数据 传输将是UWB的重要应用领域，如当前WLAN和WPAN 的各种应用。总的说来，UWB主要分为军用和民用两 个方面。
常用无线技术
第六章 目录
01 什么是无线通讯技术 02 无线通讯技术的发展影响 03 常用无线技术 04 基于GPRS技术实现温度数据采集任务
第六章
6.3 其它无线技术介绍
第3页
6.3.1 UWB
1. 简介
是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波
窄脉冲传输数据。有人称它为无线电领域的一次革命性进展， 认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。
无线手柄结合音、像设备营造出逼真的虚拟游戏空间。从前 面对UWB的技术特点来看，UWB技术无疑是一个很好的选择。
第六章
6.3 其它无线技术介绍
第 12 页
6.3.2 NFC
1. 简介
近场通信（Near Field Communication，NFC），又 称近距离无线通信，是一种短距离的高频无线通信 技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据 传输（在十厘米内）交换数据。 [1] 这个技术由免 接触式射频识别（RFID）演变而来，并向下兼容RFID，最早由Sony 和Philips 各自开发成功，主要用于手机等手持设备中提供 M2M(Machine to Machine)的通信。由于近场通讯具有天然的安全 性，因此，NFC技术被认为在手机支付等领域具有很大的应用前景。 NFC 芯片是具有相互通信功能，并具有计算能力，在Felica标准中 还含有加密逻辑 电路，MIFARE的后期标准也追加了加密/解密模块 (SAM)。
第六章
6.3 其它无线技术介绍
4.应用
第8页
1)应用概述 由于UWB具有强大的数据传输速率优势，同时受
发射功率的限制，在短距离范围内提供高速无线数据 传输将是UWB的重要应用领域，如当前WLAN和WPAN 的各种应用。总的说来，UWB主要分为军用和民用两 个方面。
无线传感器网络技术原理及应用第6章ppt课件
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
22
3. MC1322X系列 MC13224是MC1322X系列的典型代表，是飞思卡尔公 司研发的第三代Zigbee解决方案。它集成了完整低功耗 2.4GHz无线电收发器，基于32位ARM7核的MCU，是高密 度低元件数IEEE802.15.4综合解决方案，能实现点对点连 接和完整的Zigbee网状网络。 MC13224支持国际802.15.4标准以及ZigBee、 ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE标准，提供了优秀的接收器灵 敏度和健壮的抗干扰性，具有多种供电模式，以及一套常 用的外设集(包括2个高速UART、12位ADC和64个通用 GPIO、4个定时器、I2C等)。
20
2) 时钟和电源管理 数字内核和外设由一个1.8V低差稳压器供电。另外， CC253X系列芯片包括一个电源管理功能，可以实现使用不 同供电模式，用于延长电池的寿命，有利于低功耗运行。 3) 外设 CC253X系列芯片有许多不同的外设，允许应用程序设 计者开发先进的应用。这些外设包括调试接口、I/O控制器、 两个8位的定时器、一个16位的定时器、一个MAC定时器、 ADC和AES协处理器、看门狗电路、两个串口和USB(仅限 于CC2531)。
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6.2 应用系统组成
Zigbee是一种短距离的无线通信技术，其应用系统由 硬件和软件组成。本节将详细讲解比较常见的Zigbee芯片 及Zigbee协议栈。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
无线传感器网络的理论及应用PPT教学课件
2020/12/11
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以数据为中心
在无线传感器网络中，人们通常只关心某 个区域内某个观测指标的数值，而不会去 具体关心单个节点的观测数据。 用户使用传感器网络查询事件时，直接将 所关心的事件通告给网络，而不是通告给 某个确定编号的节点。网络在获得指定事 件的信息后汇报给用户。
2020/12/11
网络的通信保密和安全性十分重要，信道 加密、抗干扰、用户认证和其他安全措施 都需要特别考虑。
2020/12/11
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无线传感器网络的特征
深入研究表明，无线传感器网络有着与无 线自组网络明显不同的技术要求和应用目 标。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。
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无线传感器网络的体系结构概述
应用服务接口
网络管理接口
安
全
/
拓 扑 控
服 务 质 量
移 动
/ 能
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无线传感器网络的特征
作为Internet在无线和移动范畴的扩展和延伸，无线自组网络 （Ad-hoc Network）由若干采用无线通信的节点动态地形成一个 多跳的移动性对等网络，从而不依赖于任何基础措施。
无线传感器网络与 无线自组网络的共 同特点：
分布式 自组织 拓扑变化 多跳路由 安全性差
2020/12/11
6
多跳路由
由于节点发射功率限制，节点的覆盖范围 有限，通常只能与它的邻居节点通信。
多跳路由是由普通网络节点协作完成，没 有专门的路由设备。每个节点既可以是信 息的发起者，也可以是转发者。
无线传感网教学课件PPT
6.1.1 基本概念和算法
（3）极大似然估计法：已知很多节点D的 相邻节点坐标以及他们到节点D的距离或 方位，使用最小均方差估计方法得到节点 D的坐标。
6.1.2 定位算法分类
(1)根据定位过程中实际测量节点间的距离 和角度与否
通过测量节点间点到点的距离 或角度等信息进行位置估计； 基于测距的定位
6.1.1 基本概念和算法
3.计算节点位置的基本方法 （1）三边（多变）计算法：已知平面上（空间 上）三（多）点的位置A,B,C，以及D点到 A,B,C的距离, 利用几何方法可求得D点的坐标。
6.1.1 基本概念和算法
（2）三角（多角）计算法：已知平面（空 间）三（多）点的位置A,B,C,以及D点为 角顶点，角边的端点为A,B,C的角度，可 求出D点的坐标。
6.1 定位技术简介
当前对节点定位问题的研究一般都基于以 下前提: (1)有一定比例的节点位置己知或具有GPS 定位功能，这些节点的位置可作为 定位参考点; (2)节点具有与邻近节点通信的能力; (3)节点不具有自主移动能力。
6.1 定位技术简介
人工配置每个节点的位置信息
(1)传感器网络通常部属于人类不可达的区域 (2)人工配置大量节点的位置，既容易造成人为错误，又影 响网络 的快速部署，并且还违背传感器网络的自组织原则 全球定位系统 GPS (1)成本考虑：传感器节点要求造价低廉以便于大量生产和 部署，而 GPS 接收设备成本较高 (2)传感器节点通常依靠电池供电，能量供给有限，GPS 接收设备能耗过高 (3)GPS 设备只能适用于无遮挡的室外环境，而传感器节 点可能部署于复杂环境，使得 GPS 设备难以工作。
无须测距技术的定位
无须距离和角度信息，仅根据 网络连通性等信息即可实现。
第六章 传感器网络常用的标准和无线协议.ppt
变送器逻辑 接口描述
应用软件
网
网 络
络
硬 件
NCAP模块
微处理 器硬件
变送器
变送器硬件接口 规范（比如 IEEE1451.2）
支持NCAP 的逻辑接口
6.2 IEEE802.15.4
两个名词： （personal area network, PAN） 个人区域网络 （wireless personal area network, WPAN） 无线个人区域网络
6 时延短 ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠状态转入工作状态只需15ms， 节点连接进入网络只需要30ms，进一步节约了能源。相对而言， Bluetooth需要3-10s，WiFi需要3s
7 安全高 提供了三级安全模式，包括无安全设定，使用接入控制清单（ACL） 防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES-128）的对称密码， 以灵活确定其安全性
使用Zigbee模块的星型连接
WSN—Zigbee的树状结构
ZigBee Coordinator（协调器） ZigBee Router（路由器） ZigBee End Device（终端）
使用Zigbee模块的树状连接
WSN—Mesh（网状）结构
Mesh网
ZigBee Coordinator（协调器） ZigBee Router（路由器） ZigBee End Device（终端）
IEEE 802.15： 专门从事WPAN标准化工作，共有4个。 目前，IEEE 802.15 WPAN共拥有4个工作组： ➢ 蓝牙WPAN工作组 蓝牙是无线个人局域网的先驱。 ➢ 802.15.4工作组为了满足低功耗、低成本的无线网络
要求
6.2
IEEE 802.15.4
无线传感器网络技术概论课件：无线传感器网络管理技术
相对应地，按照控制管理结构进行分类，无线传感器网 络管理系统的架构可分为以下三种：
(1) 集中式架构。Sink节点(汇聚节点)作为管理者，收集 所有节点信息并控制整个网络。
(2) 分布式架构。即在无线传感器网络中有多个管理者， 每个管理者控制一个子网，并与其他管理者直接通信，协同 工作以完成管理功能。
无线传感器网络管理技术
(3) 由于资源限制以及与应用环境的密切相关性，无线 传感器网络表现为动态网络，最为明显的就是网络拓扑变化 频繁，能量耗尽或者人为因素可以导致节点停止工作，同时 无线信道受环境影响很大，这些都让网络拓扑不断发生变化， 这些变化使得网络故障在无线传感器网络中是一种常态，这 在传统网络中是不可想象的。因此，无线传感器网络管理系 统应能及时收集并分析网络状态，并根据分析结果对网络资 源进行相应的协调和整合，从而保证网络的性能。
无线传感器网络管理技术
以上特征说明，无线传感器网络管理系统要根据网络的 变化动态调整当前运行参数的配置以优化性能；监视自身各 组成部分的状态，调整工作流程来实现系统预设的目标；具 备自我故障发现和恢复重建的功能，即使系统的一部分出现 故障，也不影响整个网络运行的连续性。
无线传感器网络管理技术
7.1.2 无线传感器网络管理系统设计要求 按照以上所述，在无线传感器网络管理系统的设计中，
无线传感器网络管理技术
集中式网络管理结构指的是网络的管理依赖于少量的中 心控制管理站点，这些管理站点负责收集网络中所有节点的 信息，并控制整个网络。集中式管理结构的优点是实现难度 较低。但是，它要求管理站点具有很强的处理能力。因此， 在大规模和动态网络中，管理站点往往成为网络性能和管理 的瓶颈，收集管理站点数据的开销很大，而且当管理站点出 现故障或者网络出现分裂时，网络就会完全或者部分失去控 制管理能力。此外，集中式管理结构中，“管理智能”只能 在管理站点中，网络中的绝大部分设备在出现问题时只能等 待管理站点的指示，而不能实现网络节点间通过局部直接协 商达到自适应调整的功能。
(1) 集中式架构。Sink节点(汇聚节点)作为管理者，收集 所有节点信息并控制整个网络。
(2) 分布式架构。即在无线传感器网络中有多个管理者， 每个管理者控制一个子网，并与其他管理者直接通信，协同 工作以完成管理功能。
无线传感器网络管理技术
(3) 由于资源限制以及与应用环境的密切相关性，无线 传感器网络表现为动态网络，最为明显的就是网络拓扑变化 频繁，能量耗尽或者人为因素可以导致节点停止工作，同时 无线信道受环境影响很大，这些都让网络拓扑不断发生变化， 这些变化使得网络故障在无线传感器网络中是一种常态，这 在传统网络中是不可想象的。因此，无线传感器网络管理系 统应能及时收集并分析网络状态，并根据分析结果对网络资 源进行相应的协调和整合，从而保证网络的性能。
无线传感器网络管理技术
以上特征说明，无线传感器网络管理系统要根据网络的 变化动态调整当前运行参数的配置以优化性能；监视自身各 组成部分的状态，调整工作流程来实现系统预设的目标；具 备自我故障发现和恢复重建的功能，即使系统的一部分出现 故障，也不影响整个网络运行的连续性。
无线传感器网络管理技术
7.1.2 无线传感器网络管理系统设计要求 按照以上所述，在无线传感器网络管理系统的设计中，
无线传感器网络管理技术
集中式网络管理结构指的是网络的管理依赖于少量的中 心控制管理站点，这些管理站点负责收集网络中所有节点的 信息，并控制整个网络。集中式管理结构的优点是实现难度 较低。但是，它要求管理站点具有很强的处理能力。因此， 在大规模和动态网络中，管理站点往往成为网络性能和管理 的瓶颈，收集管理站点数据的开销很大，而且当管理站点出 现故障或者网络出现分裂时，网络就会完全或者部分失去控 制管理能力。此外，集中式管理结构中，“管理智能”只能 在管理站点中，网络中的绝大部分设备在出现问题时只能等 待管理站点的指示，而不能实现网络节点间通过局部直接协 商达到自适应调整的功能。
无线传感器网络技术与应用课件
35
1、基于距离的定位
基于距离的定位机制（range-based）是通过测量相邻节点 间的实际距离或方位进行定位的。分为三个阶段
1）测距阶段。首先未知节点通过测量接收到信标节点发出 信号的某些参数，如强度、到达时间、达到角度等，计算 出未知节点到信标节点之间的距离，这个测量出来的距离 可能是未知节点到信标节点的直线距离，也可能是二者之 间的近似直线距离。
48
2、入侵检测技术 入侵检测可以被定义为识别出正在发生的入侵 企图或已经发生的入侵活动过程 分类 基于误用的检测 基于异常的检测 基于规范的检测
49
入侵检测框架
50
国内和国际有多项标准与无线传感器网络具有关联 性，其中明确提出其研究对象为无线传感器网络标 准的组织包括国内WGSN标准工作组和国际ISO/IEC JTC1 WG7工作组
39
3、查询处理技术 动态数据查询：数据仅在一个小的时间窗内有效 历史数据查询：对检测到的历史数据进行检测、 分析走势等，此类查询通常认为每个数据都是同 等重要的，是不可缺少的
40
四、目标跟踪技术 目标跟踪是指为了维持对目标当前状态的估计， 同时也是对传感器接收的量测进行处理的过程 基本原理：当有目标进入监测区域时，由于目标 的辐射特性（通常是红外辐射特征）、声传播特 征和目标运动过程中产生的地面震动特征，传感 器会探测到相应的信号
3
二、无线传感器网络的应用领域 军事 农业 医疗 建筑工程与建筑物 智能建筑与市政建设管理
4
三、无线传感器网络的特点 体积小、电源能力有限 计算和存储能力有限 分布式、多跳自组织 通信半径小、带宽低 动态性强 以数据为中心
5
四、无线传感器网络的关键技术 网络拓扑控制 网络协议 时间同步 定位技术 数据管理 网络安全
1、基于距离的定位
基于距离的定位机制（range-based）是通过测量相邻节点 间的实际距离或方位进行定位的。分为三个阶段
1）测距阶段。首先未知节点通过测量接收到信标节点发出 信号的某些参数，如强度、到达时间、达到角度等，计算 出未知节点到信标节点之间的距离，这个测量出来的距离 可能是未知节点到信标节点的直线距离，也可能是二者之 间的近似直线距离。
48
2、入侵检测技术 入侵检测可以被定义为识别出正在发生的入侵 企图或已经发生的入侵活动过程 分类 基于误用的检测 基于异常的检测 基于规范的检测
49
入侵检测框架
50
国内和国际有多项标准与无线传感器网络具有关联 性，其中明确提出其研究对象为无线传感器网络标 准的组织包括国内WGSN标准工作组和国际ISO/IEC JTC1 WG7工作组
39
3、查询处理技术 动态数据查询：数据仅在一个小的时间窗内有效 历史数据查询：对检测到的历史数据进行检测、 分析走势等，此类查询通常认为每个数据都是同 等重要的，是不可缺少的
40
四、目标跟踪技术 目标跟踪是指为了维持对目标当前状态的估计， 同时也是对传感器接收的量测进行处理的过程 基本原理：当有目标进入监测区域时，由于目标 的辐射特性（通常是红外辐射特征）、声传播特 征和目标运动过程中产生的地面震动特征，传感 器会探测到相应的信号
3
二、无线传感器网络的应用领域 军事 农业 医疗 建筑工程与建筑物 智能建筑与市政建设管理
4
三、无线传感器网络的特点 体积小、电源能力有限 计算和存储能力有限 分布式、多跳自组织 通信半径小、带宽低 动态性强 以数据为中心
5
四、无线传感器网络的关键技术 网络拓扑控制 网络协议 时间同步 定位技术 数据管理 网络安全
《物联网技术与应用(第2版)》第6章 无线传感器网络协议规范与通信技术
IEEE 802.15.4网络设备的数量以及它们之间关系是动 态变化的。
网络协 调器
网络协 调器
RFD FFD
信道
图6-1 IEEE 802.15.4网络组件及拓扑关系
IEEE802.15.4通信协议主要是描述和定义物理层和 MAC层的标准。
物理层：实现无线传感器网络的通信架构的基础
MAC层：用来处理所有对物理层的访问，并负责完 成信标的同步、支持个域网络关联和去关联、提供 MAC实体间的可靠连接、执行信道接入CSMA/CA机 制等任务。
信。RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通 信，或者通过一个FFD设备向外发送数据。这个与 RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器 （Coordinator）。
PAN网络协调器(PAN coordinator)，是LR-WPAN网络 中的主控制器。PAN网络协调器除了直接参与应用 外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以 及分组转发等任务。
(ksymbol 征
/s)
20
20 二进制
40
40 二进制
250
62.5
十六进 制
IEEE802.15.4标准定义了27个物理信道，信道编号从0 到26，每个具体的信道对应一个中心频率，这27个物 理信道覆盖了表1中的三个不同频段。
中心频率定义如下：
F 868.3MHz
F 906 2(k 1)MHz
6.2 IEEE 802.15.4网络结构
IEEE 802.15.4网络是指在一个个人操作空间（POS） 内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通 信的一组设备的集合。
全功能设备（Full Function Device，FFD） 精简功能设备（Reduced Function Device, RFD） FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通
网络协 调器
网络协 调器
RFD FFD
信道
图6-1 IEEE 802.15.4网络组件及拓扑关系
IEEE802.15.4通信协议主要是描述和定义物理层和 MAC层的标准。
物理层：实现无线传感器网络的通信架构的基础
MAC层：用来处理所有对物理层的访问，并负责完 成信标的同步、支持个域网络关联和去关联、提供 MAC实体间的可靠连接、执行信道接入CSMA/CA机 制等任务。
信。RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通 信，或者通过一个FFD设备向外发送数据。这个与 RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器 （Coordinator）。
PAN网络协调器(PAN coordinator)，是LR-WPAN网络 中的主控制器。PAN网络协调器除了直接参与应用 外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以 及分组转发等任务。
(ksymbol 征
/s)
20
20 二进制
40
40 二进制
250
62.5
十六进 制
IEEE802.15.4标准定义了27个物理信道，信道编号从0 到26，每个具体的信道对应一个中心频率，这27个物 理信道覆盖了表1中的三个不同频段。
中心频率定义如下：
F 868.3MHz
F 906 2(k 1)MHz
6.2 IEEE 802.15.4网络结构
IEEE 802.15.4网络是指在一个个人操作空间（POS） 内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通 信的一组设备的集合。
全功能设备（Full Function Device，FFD） 精简功能设备（Reduced Function Device, RFD） FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通
自考无线传感器网络简明教程PPT课件
无线传感器网络可以看成是由数据获取子网、数据 分布子网和控制管理中心三部分组成。它的主要组成部 分是集成了传感器、数据处理单元和通信模块的节点， 各节点通过协议自组织成一个分布式网络，将采集来的 数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。传感 器节点在实现各种网络协议和应用系统时，也存在一些 限制和约束。
1.2.2 传感器网络节点的结构
第1页/共14页
1.2.3 网络体系结构
1、节点的体 系组成
从无线联网 的角度来看， 传感器网络节 点的体系由分 层的网络通信 协议、网络管 理平台和应用 支撑平台三个 部分。
第2页/共14页
(1) 网络通信协议 类似于传统
Internet网络中 的TCP/IP协议体 系，它由物理层、 数据链路层、网 络层、传输层和 应用层组成。
应用业务、安全性 应用层
可靠性、流量控制、 传输层 吞吐量
连接/无连接、路由、 网络层 可达性
介质访问、功率管 理、帧格式
信道编码、无线传 输、调制解调
第3页/共14页
数据链路层
IEEE802.15.4
物理层
(2) 网络管理平台 网络管理平台主要是对传感器节点自身的管理和用户对传感器网 络的管理，包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、 移动管理、网络管理等。
第9页/共14页
1、电源能量有限
传感器节点消耗能量的模块 20
包括传感器模块、处理器模块
和无线通信模块。随着集成电 路工艺的进步，处理器和传感 15
器模块的功耗变得很低，绝大
功率/mW
部分能量主要消耗在无线通信 10
模块上。
从图中可知传感器节点的绝
大部分能量消耗在无线通信模 5 块。传感器节点传输信息时要
1.2.2 传感器网络节点的结构
第1页/共14页
1.2.3 网络体系结构
1、节点的体 系组成
从无线联网 的角度来看， 传感器网络节 点的体系由分 层的网络通信 协议、网络管 理平台和应用 支撑平台三个 部分。
第2页/共14页
(1) 网络通信协议 类似于传统
Internet网络中 的TCP/IP协议体 系，它由物理层、 数据链路层、网 络层、传输层和 应用层组成。
应用业务、安全性 应用层
可靠性、流量控制、 传输层 吞吐量
连接/无连接、路由、 网络层 可达性
介质访问、功率管 理、帧格式
信道编码、无线传 输、调制解调
第3页/共14页
数据链路层
IEEE802.15.4
物理层
(2) 网络管理平台 网络管理平台主要是对传感器节点自身的管理和用户对传感器网 络的管理，包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、 移动管理、网络管理等。
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1、电源能量有限
传感器节点消耗能量的模块 20
包括传感器模块、处理器模块
和无线通信模块。随着集成电 路工艺的进步，处理器和传感 15
器模块的功耗变得很低，绝大
功率/mW
部分能量主要消耗在无线通信 10
模块上。
从图中可知传感器节点的绝
大部分能量消耗在无线通信模 5 块。传感器节点传输信息时要
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字节长，用来设定 传输半径。 ⑤ 序列号域：必备，有一个8位字节长，在每次 发送帧时改为加1。
⑥ 帧负载域：该域长度可变，内容由具体情况 决定。
43
6.3.3 ZigBee协议栈
ZigBee系统软件的开发是在厂商提供的ZigBee 协议栈的MAC和物理层基础上进行的。 协议栈分有偿和无偿两种。
10
1、物理层服务规范
• 物理层(PHY)通过射频连接件和硬件提供MAC层和 无线物理信道之间的接口。 • 在概念上提供“物理层管理实体(PLME)”，该实 体提供用于调用物理层管理功能的管理服务接口。
11
物理层的组件和接口
物理层提供两种服务： 通过物理层数据服务接入点提供物理层的数据 服务； 通过PLME(物理层管理实体)服务接入点提供物 理层的管理服务。
8
802.15.4标准定义27个信道，编号为0-26；跨 越3个频段，包括： 1）2.4GHz频段16个信道 2）915MHz频段的10个信道 3）868MHz频段的1个信道。
9
信道的频段中心定义如下(k表示信道编号)： fc=868.3MHZ k= 0 fc=906+2×(k－1)MHz fc=2405+5×(k－11)MHz k=1，2，…，10 k=11，12，…，26
36
(3)工作频段灵活：使用频段分别为2.4GHz、 868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为无需申 请的ISM频段。 (4)省电：由于工作周期很短，收发信息功耗 较低，以及采用了休眠模式，ZigBee可确保两节 五号电池支持长达6个月至2年左右的使用时间， 当然不同应用的功耗有所不同。
37
12
物理层的组件和接口
物理层数据服务 接入点
物理层管理实 体服务访问点
物理层管理实体
物理层
物理层的个 域网信息库
无线射频服务访问点
13
2、物理层帧结构
4字节 1字节 1字节
帧长度 (7位) 保留位 (1位)
变 长
前导码
SFD
PSDU PHY负载
同步头
物理帧头
14
2、物理层帧结构
前导码由32个0组成，用于收发器进行码片或 者符号的同步。 帧起始定界符（SFD）域由8位组成，表示同 步结束，数据包开始传输。
为10～75m，具体数值取决于射频环境和特定应
用条件下的输出功耗。 ZigBee的通信速率在2.4GHz时为250kbps， 在915MHz时为40kbps，在868MHz时为20kbps。
27
传 输 距 离
相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee是 最低功耗和成本的技术。 ZigBee的低数据率和通信范围较小的特点， 适合于承载数据流量较小的通信业务。
MCPS-SAP
MLME-SAP
MAC通用部分 子层
MAC层管 理实体 MAC 层 的 个 域 网 信 息 库
PD-SAP
PLME-SAP
18
2、MAC层的帧结构
MAC层的通用帧结构由帧头、MAC负载和帧 尾构成。
帧头的域都以固定的顺序出现，不过寻址 域不一定要在所有帧都出现。
19
16位
1
0/2
0/2 源 地 址
变长
2
帧 控 制
序 列 号
目标 源 PAN 目标 PAN 地址 标识 标识 地址域 MHR
帧 负 载 MAC MFR 负载 20
FCS
帧控制域的长度是16位，包含帧类型定义、寻 址域和其它控制标志等。 序列号域的长度是8位，为每个帧提供唯一的 序列标识。
21
目标PAN标识域的长度是16位，内容是指定接 收方的唯一PAN标识。 根据寻址模式域中指定的寻址模式，目标地址 域的长度可以是16或者64位，内容是指定接收 方的地址。
SFD与前导码构成同步头。
15
2、物理层帧结构
帧长度由7位组成，表示物理服务数据单元 （PHY service data unit, PSDU）的字节数。其 中0～4和6～7位为保留值。帧长度域和1位的保留 位构成了物理头。 PSDU域是变长的，携带PHY数据包的数据，包 含介质访问控制协议数据单元。PSDU域是物理层 的载荷。
30
直接序列扩频技术可使物理层的模拟电路 设计变得简单； 且具有更高的容错性能，适合低端系统的 实现。
31
ZigBee界定 了网络、安全和 应用框架层，网 络层支持三种拓 扑结构：星型
(Star)结构、网
状(Mesh)结构和 簇树型(Cluster
Tree)结构。
32
星型网络最常见，可提供很长时间的电池使
(5) 支持确认机制，保证传输可靠性。
IEEE 802.15.4标准主要包括物理层和MAC层 的标准。
7
6.2.2 物理层
802.15.4标准规定物理层负责如下任务： ① 激活和去活无线收发器； ② 当前信道的能量检测； ③ 发送链路质量指示； ④ CSMA/CA的空闲信道评估； ⑤ 信道频率的选择； ⑥ 数据发送与接收。
28
2、ZigBee协议框架
完整的ZigBee协议 栈自上而下由应用层、 应用汇聚层、网络层、 数据链路层和物理层组 成。 数据链路层可分为 逻辑链路控制子层(LLC) 和介质访问控制子层 (MAC)。
应用层 应用汇聚层 网络层 数据链路层 物理层
29
LLC MAC
物理层采用直接序列扩频(DSSS)技术，定义了三种 流量等级： 采用2.4GHz时，使用16信道，传输速率250kbps； 采用915MHz时，使用10信道，传输速率40kbps的； 采用868MHz时，使用单信道，传输速率20kbps的。
为实现与应用层的接口，网络层从逻辑上
分为两个具备不同功能的服务实体，分别是数
据实体和管理实体。
40
ZigBee网络层的帧结构
16位 字节
2
目标 地址
2
源地 址
l
半径 路由域
l
序列 号
变长
帧负 载
帧控 制域
帧头
网络 负载
41
① 帧控制域：由16位组成，内容包括帧种类、 寻址、排序域和其它的控制标志位。 ② 目标地址域：必备，有两个8位字节长，用来 存放目标设备的16位网络地址或者广播地址 (0xffff)。 ③ 源地址域：必备，有两个8位字节长，用来存 放发送帧设备自己的16位网络地址。
5
802.15.4标准的特点：
(1) 在不同的载波频率下实现20kbps、40kbps 和250kbps三种不同的传输速率； (2) 支持星型和点对点两种网络拓扑结构； (3) 有16位和64位两种地址格式，其中64位地 址是全球惟一的扩展地址。
6
802.15.4标准的特点：
(4)支持冲突避免的载波多路侦听技术(CSMA-CA)；
信，一般接有线电源。
34
ZigBee的逻辑设备按其功能可分为协调器、路由器 和终端设备。 协调器的作用在于启动网络初始化、组织网络节点 和存储各节点信息。 路由器设备的作用是管理每对节点的路由信息。
终端设备相当于网络中的叶节点，可以是任意类型
的物理设备。
35
3、ZigBee的技术特点
(1) 数据传输速率低：数据率只有10kbps～ 250kbps，专注于低传输应用。 (2) 有效范围小：有效覆盖范围10～75m间， 具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用 模式而定。
用寿命。 网状网络可有多条传输路径，它具有较高的 可靠性。 树型网络结合了星型和网状型结构，既有较
高的可靠性，又节省电池能量。
33
功能简化型设备是网络中简单的发送接收 节点，它一般由电池供电，只与功能完备型设
备连接通信。
功能完备型设备是一种功能完备的设备， 可完成路由任务，充当网络协调器。它可与其 它的功能完备型设备或功能简化型设备连接通
22
源PAN标识域的长度是16位，内容是发送帧设 备的唯一PAN标识。 根据寻址模式域中指定的寻址模式，源地址域 的长度可以是16或者64位，内容是发送帧的设 备地址。
23
帧负载域长度可变，根据不同的帧类型其内容 各不相同。 FCS域的长度是16位。
24
6.3 ZigBee协议标准
6.3.1 ZigBee概述
1、ZigBee的由来
ZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的 低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。
25
ZigBee的通信速率要求低于蓝牙，由电池 供电设备提供无线通信功能； 并希望在不更换电池并且不充电的情况下 正常工作几个月甚至几年。
26
ZigBee无线设备工作在公共频段上(全球 2.4GHz、美国915MHz、欧洲868MHz)，传输距离
第6章 传感器网络协议的技术标准
1
6.1 技术标准的意义
无线传感器网络的价值就在于它的低成本 和可以大量部署。 为降低产品成本、扩大市场和实现规模效 益，传感器网络的某些特征和共性技术必须实 现标准化，使不同产商的产品能协同工作。
2
传感器网络的标准化工作受到国际标准组 织的普遍关注，已完成一些标准规范的制定。 IEEE 802.15.4/ZigBee规范，已经被一部 分研究及产业界人士视为传感器网络的标准。 IEEE 802.15.4定义了短距离无线通信的物 理层及链路层规范，ZigBee定义了网络互联、 传输和应用规范。
(5) 可靠：采用碰撞避免机制，避免了发送数据 时的竞争和冲突。 (6) 成本低：由于数据传输速率低，协议简单， 降低了成本，使用ZigBee协议可免专利费。 (7) 时延短：设备搜索时延的典型值为30ms，休
眠激活时延的典型值是15ms，活动设备信道接入时
延为15ms。
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⑥ 帧负载域：该域长度可变，内容由具体情况 决定。
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6.3.3 ZigBee协议栈
ZigBee系统软件的开发是在厂商提供的ZigBee 协议栈的MAC和物理层基础上进行的。 协议栈分有偿和无偿两种。
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1、物理层服务规范
• 物理层(PHY)通过射频连接件和硬件提供MAC层和 无线物理信道之间的接口。 • 在概念上提供“物理层管理实体(PLME)”，该实 体提供用于调用物理层管理功能的管理服务接口。
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物理层的组件和接口
物理层提供两种服务： 通过物理层数据服务接入点提供物理层的数据 服务； 通过PLME(物理层管理实体)服务接入点提供物 理层的管理服务。
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802.15.4标准定义27个信道，编号为0-26；跨 越3个频段，包括： 1）2.4GHz频段16个信道 2）915MHz频段的10个信道 3）868MHz频段的1个信道。
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信道的频段中心定义如下(k表示信道编号)： fc=868.3MHZ k= 0 fc=906+2×(k－1)MHz fc=2405+5×(k－11)MHz k=1，2，…，10 k=11，12，…，26
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(3)工作频段灵活：使用频段分别为2.4GHz、 868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为无需申 请的ISM频段。 (4)省电：由于工作周期很短，收发信息功耗 较低，以及采用了休眠模式，ZigBee可确保两节 五号电池支持长达6个月至2年左右的使用时间， 当然不同应用的功耗有所不同。
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12
物理层的组件和接口
物理层数据服务 接入点
物理层管理实 体服务访问点
物理层管理实体
物理层
物理层的个 域网信息库
无线射频服务访问点
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2、物理层帧结构
4字节 1字节 1字节
帧长度 (7位) 保留位 (1位)
变 长
前导码
SFD
PSDU PHY负载
同步头
物理帧头
14
2、物理层帧结构
前导码由32个0组成，用于收发器进行码片或 者符号的同步。 帧起始定界符（SFD）域由8位组成，表示同 步结束，数据包开始传输。
为10～75m，具体数值取决于射频环境和特定应
用条件下的输出功耗。 ZigBee的通信速率在2.4GHz时为250kbps， 在915MHz时为40kbps，在868MHz时为20kbps。
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传 输 距 离
相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee是 最低功耗和成本的技术。 ZigBee的低数据率和通信范围较小的特点， 适合于承载数据流量较小的通信业务。
MCPS-SAP
MLME-SAP
MAC通用部分 子层
MAC层管 理实体 MAC 层 的 个 域 网 信 息 库
PD-SAP
PLME-SAP
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2、MAC层的帧结构
MAC层的通用帧结构由帧头、MAC负载和帧 尾构成。
帧头的域都以固定的顺序出现，不过寻址 域不一定要在所有帧都出现。
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16位
1
0/2
0/2 源 地 址
变长
2
帧 控 制
序 列 号
目标 源 PAN 目标 PAN 地址 标识 标识 地址域 MHR
帧 负 载 MAC MFR 负载 20
FCS
帧控制域的长度是16位，包含帧类型定义、寻 址域和其它控制标志等。 序列号域的长度是8位，为每个帧提供唯一的 序列标识。
21
目标PAN标识域的长度是16位，内容是指定接 收方的唯一PAN标识。 根据寻址模式域中指定的寻址模式，目标地址 域的长度可以是16或者64位，内容是指定接收 方的地址。
SFD与前导码构成同步头。
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2、物理层帧结构
帧长度由7位组成，表示物理服务数据单元 （PHY service data unit, PSDU）的字节数。其 中0～4和6～7位为保留值。帧长度域和1位的保留 位构成了物理头。 PSDU域是变长的，携带PHY数据包的数据，包 含介质访问控制协议数据单元。PSDU域是物理层 的载荷。
30
直接序列扩频技术可使物理层的模拟电路 设计变得简单； 且具有更高的容错性能，适合低端系统的 实现。
31
ZigBee界定 了网络、安全和 应用框架层，网 络层支持三种拓 扑结构：星型
(Star)结构、网
状(Mesh)结构和 簇树型(Cluster
Tree)结构。
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星型网络最常见，可提供很长时间的电池使
(5) 支持确认机制，保证传输可靠性。
IEEE 802.15.4标准主要包括物理层和MAC层 的标准。
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6.2.2 物理层
802.15.4标准规定物理层负责如下任务： ① 激活和去活无线收发器； ② 当前信道的能量检测； ③ 发送链路质量指示； ④ CSMA/CA的空闲信道评估； ⑤ 信道频率的选择； ⑥ 数据发送与接收。
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2、ZigBee协议框架
完整的ZigBee协议 栈自上而下由应用层、 应用汇聚层、网络层、 数据链路层和物理层组 成。 数据链路层可分为 逻辑链路控制子层(LLC) 和介质访问控制子层 (MAC)。
应用层 应用汇聚层 网络层 数据链路层 物理层
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LLC MAC
物理层采用直接序列扩频(DSSS)技术，定义了三种 流量等级： 采用2.4GHz时，使用16信道，传输速率250kbps； 采用915MHz时，使用10信道，传输速率40kbps的； 采用868MHz时，使用单信道，传输速率20kbps的。
为实现与应用层的接口，网络层从逻辑上
分为两个具备不同功能的服务实体，分别是数
据实体和管理实体。
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ZigBee网络层的帧结构
16位 字节
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目标 地址
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源地 址
l
半径 路由域
l
序列 号
变长
帧负 载
帧控 制域
帧头
网络 负载
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① 帧控制域：由16位组成，内容包括帧种类、 寻址、排序域和其它的控制标志位。 ② 目标地址域：必备，有两个8位字节长，用来 存放目标设备的16位网络地址或者广播地址 (0xffff)。 ③ 源地址域：必备，有两个8位字节长，用来存 放发送帧设备自己的16位网络地址。
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802.15.4标准的特点：
(1) 在不同的载波频率下实现20kbps、40kbps 和250kbps三种不同的传输速率； (2) 支持星型和点对点两种网络拓扑结构； (3) 有16位和64位两种地址格式，其中64位地 址是全球惟一的扩展地址。
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802.15.4标准的特点：
(4)支持冲突避免的载波多路侦听技术(CSMA-CA)；
信，一般接有线电源。
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ZigBee的逻辑设备按其功能可分为协调器、路由器 和终端设备。 协调器的作用在于启动网络初始化、组织网络节点 和存储各节点信息。 路由器设备的作用是管理每对节点的路由信息。
终端设备相当于网络中的叶节点，可以是任意类型
的物理设备。
35
3、ZigBee的技术特点
(1) 数据传输速率低：数据率只有10kbps～ 250kbps，专注于低传输应用。 (2) 有效范围小：有效覆盖范围10～75m间， 具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用 模式而定。
用寿命。 网状网络可有多条传输路径，它具有较高的 可靠性。 树型网络结合了星型和网状型结构，既有较
高的可靠性，又节省电池能量。
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功能简化型设备是网络中简单的发送接收 节点，它一般由电池供电，只与功能完备型设
备连接通信。
功能完备型设备是一种功能完备的设备， 可完成路由任务，充当网络协调器。它可与其 它的功能完备型设备或功能简化型设备连接通
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源PAN标识域的长度是16位，内容是发送帧设 备的唯一PAN标识。 根据寻址模式域中指定的寻址模式，源地址域 的长度可以是16或者64位，内容是发送帧的设 备地址。
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帧负载域长度可变，根据不同的帧类型其内容 各不相同。 FCS域的长度是16位。
24
6.3 ZigBee协议标准
6.3.1 ZigBee概述
1、ZigBee的由来
ZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的 低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。
25
ZigBee的通信速率要求低于蓝牙，由电池 供电设备提供无线通信功能； 并希望在不更换电池并且不充电的情况下 正常工作几个月甚至几年。
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ZigBee无线设备工作在公共频段上(全球 2.4GHz、美国915MHz、欧洲868MHz)，传输距离
第6章 传感器网络协议的技术标准
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6.1 技术标准的意义
无线传感器网络的价值就在于它的低成本 和可以大量部署。 为降低产品成本、扩大市场和实现规模效 益，传感器网络的某些特征和共性技术必须实 现标准化，使不同产商的产品能协同工作。
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传感器网络的标准化工作受到国际标准组 织的普遍关注，已完成一些标准规范的制定。 IEEE 802.15.4/ZigBee规范，已经被一部 分研究及产业界人士视为传感器网络的标准。 IEEE 802.15.4定义了短距离无线通信的物 理层及链路层规范，ZigBee定义了网络互联、 传输和应用规范。
(5) 可靠：采用碰撞避免机制，避免了发送数据 时的竞争和冲突。 (6) 成本低：由于数据传输速率低，协议简单， 降低了成本，使用ZigBee协议可免专利费。 (7) 时延短：设备搜索时延的典型值为30ms，休
眠激活时延的典型值是15ms，活动设备信道接入时
延为15ms。
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