无线传感器网络PPT课件
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• 数据链路层（MAC层协议）
信号的传输要靠信道，因此信道也就成为了一种宝贵的资源。 怎样合理有效的分配信道，就是数据链路层中的MAC子层要解 决的问题了
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网络层（路由）
• 网络层（路由）
两个基本功能：确定最佳路径和通过网络传输信息 1 泛洪式路由 2 SPIN（SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协 议） 3 LEACH（LEACH是一种分层网络协议，它以循环的方式随机选择簇首节
三、无线传感器网络关键技 术
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3.1 无线传感器网络MAC协议
• 所谓的MAC协议，就是通过一组规则和过程来更有效、有序和公平地使用共享介质。它实现两大基本功能 目标：在密集散布的传感器现场能够有助于建立起一个基本网络基础设施所需的数据通信链路；协调共享 介质的访问
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管理平台
• 管理平台对整个网络进行检测、管理，它通常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终端设备
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4、2无线传感器网络硬件平台
• 目前传感器节点种类繁多，很多科研机构都开放自己的硬件平台，但是这些硬件平台之间主要区别在于所 采用的处理器、无线通信方式、传感器配置不同。下面具体介绍几家公司的硬件平台。
•
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图1 无线传感器网络体系结构图
第4页/共36页
无线传感器通信协议系统结构
• 物理层技术 为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做
物理层 在物理层面上，无线传感器网络遵从的主要是标准（Zigbee）
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数据链路层（MAC层协议）
• Intel 公司的intel mote2 • Chipcon 公司的cc2420ZDK • Ember公司的em250 Development kit • Freescale公司的 mc13191 • 中科院的minigains系列
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自行设计传感器节点
• 数据采集单元 负责监测区域内信息的采集和数据转换，本设计中数据采集
第32页/共36页
无线收发模块设计
• CC2420是Chipcon公司开发的首款符合Zigbee标准的2.4 GHz射频芯片，集成了所有Zigbee技术的优 点，可快速应用到Zigbee产品中。Zigbee是建立在定义的可靠的PHY(物理层)和MAC(媒体访问控制层) 之上的标准，它定义了网络层、安全层和应用层。Zigbee的协议架构如图2所示
单元包括了温度、湿度、光强度、加速度和大气压力传感器； 数据处理单元负责控制整 个节点的处理操作、路由协议、同步 定位、功耗管理、任务管理等；数据传输单元负责与其他节点 进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源管理单元 选通 所用到的传感器，节点电源由两节碱性电池组成，今后将 采用微型纽扣电池，以进一步减小体积。为了调试方便及可扩 展性，将数据采集单元独立出来，做成两块能相互套接的可扩 展主板
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动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS)
第16页/共36页
• 无线传感器网络QOS保证技术 • 无线传感器网络数据融合技术 • 无线传感器网络安全机制 • 无线传感器网络定位技术 • 无线传感器网络同步管理机制
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四、无线传感器网络硬件平 台
点，将全网络的能量负载平均分配到每个传感器节点，从而达到降低网络 能源消耗的目的。这里要解释一下簇，簇是分层路由协议的概念，根据分 层路由协议，网络被划分成不同簇，每一个簇由一个簇首和簇成员组成， 多个簇首形成高级的网络，簇首节点不仅负责其辖下簇内信息的收集和融 合处理，还负责簇之间数据的转发） 4 PEGASIS（PEGASIS可谓LEACH的升级版本。）
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数据处理单元
• 如设计中数据处理单元选用Atmel公司的ATmega128L微控制器，它是采用低功耗 COMS工艺生产的基于RISC结构的8位微控制器，是目前AVR系列中功能最强大的单片 机。
• ATmega128L具有丰富的资源和极低的功耗。它具有片内128KB的程序Flash，4KB 的数据SRAM，可外扩到64KB的E2PROM。此外，它还有8个10位ADC通道，2个8位 和2个16位硬件定时/计数器，并可在多种不同的模式下工作；8个PWM通道、可编程 看 门 狗 定 时 器 和 片 上 振 荡 器 、 片 上 模 拟 比 较 器 ； U A RT 、 S P I 、 I 2 C 总 线 接 口 ； J TA G 接 口。除了正常操作模式外，还具有六种不同等级的低功耗操作模式，每种模式具有不同 的功耗
无线传感器网络路由协议
主要完成两大功能：一是选择适合的优化路 径，一是沿着选定的路径正确转发数据
• 泛洪协议 • SPIN协议 • 定向扩散(Directed Diffusion)协议 • LEACH协议
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无线传感器能量管理机制
• 1) 动态功率管理(dynamic power management,简称DPM) • 2) 动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS)
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2、1无线传感网络拓扑结构
平面网络结构 分级网络结构 混合网络结构 Mesh网络结构
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2、2无线传感器网络覆盖问题
• 覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题，因为传感器节点可能任意分布在配置区域，它反映 了一个无线传感网络某区域被鉴测和跟踪的状况
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动态功率管理(dynamic power m• an在a多g数e传m感e器n网t络,简的称应用D中P,M监测) 事件具有很强的偶发性,
节点上所有的工作单元没有必要时刻保持在正常的工作状态.处 于沉寂状态,甚至完全关闭,必要时加以唤醒是一种有效的系统 节能方案.传感器网络节点的主要功耗器件有处理器、内存、带 A/D的传感器和无线收发单元.Sinhua等人根据它们的状态组合 的有效性,将整个节点分为5种工作状态,在嵌入式操作系统的支 持下进行切换,既满足了功能的需要,又节省了功耗.
1、1概述 • 科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最
重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息 获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展， 并将会带来一场信息革命 • 无线传感器网络（WirelessSensorNetwork）综合了微电子技术、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等先进技术， 能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的 信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳 的网络方式传送给观察者。
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图3 数据传输单元接口inyOS • MANTIS • OS • SOS • MagnetOS • PEEROS • AmbitentRT
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感谢您的观看！
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4、1硬件结构
• 传感器节点 • 汇聚节点 • 管理平台
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传感器节点 无线传感器网络微型节点由数据采集单元、数据处理单 元、数据传输单元和电源管理单元4部分组成
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汇聚节点
• 当节点作为汇聚节点时，其主要功能就足连接传感器网络与外 部网络(如Internet)，将传感器节点采集到的数据通过互联网或 卫星发送给用户。
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1．2无线传感器网络特点
• 1．传感器节点数目大，密度高，采用空间位置寻址。 • 2．传感器接点的能量、计算能力和存储能力有限（能量、
计算存储低、关键在有效简单的路由协议） • 3．无线传感网络的拓扑结构易变化，有自组织能力。
（与传统的有不同的特点和技术要求：它根据需要可以在 工作和休眠之间切换，因此网络的拓扑结构容易发生变化 于是运用了嵌入式系统。传统重在QOS和更大的宽带保 证，并且是静止的。无线的要节省能量，连通性和延长运 行寿命） • 4．传感器节点具有数据融合能力（与Mesh网络区别， 数据小，移动，重能源。 与无线Ad-hoc网络比数量多、 密度大、易受损、拓扑结构频繁、广播式点对多通信、节 点能量、计算能力受限。）
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传输层与应用层
• 传输层 传输层提供无线传感器网络内部以数据为基础的寻址方式变
换为外部网络的寻址方式，也就是完成数据格式的转换。 • 应用层
无线传感器网络也有一个属于自己的操作系统—TinyOS。 这个系统不同于传统意义上的操作系统，它更像一个编程构架， 在此构架下，搭配一组必要的组件，就能方便地编译出面向特 定应用的操作系统
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Crossbow(公司)
• Wireless Module
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Sensor Boards
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Gateways
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Mote(公司)的 Tmote Sky
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Tmote Connect
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其他的一些硬件平台
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1、3无线传感器网络系统及协议系统结构
• 1、3、1无线传感器网络系统 无线传感器网络体系结构[1]如图1所示,传感器网络通常包括传感器节点，
汇聚节点和管理节点。传感器节点任意的分布在某一监测区域内，节点以 自组织的形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传送到汇聚节点， 最后通过Internet或其他网络通讯方式将监测信息传送到管理节点。同样 的，用户可以通过管理节点进行命令的发布，告知传感器节点收集监测信 息。
信号的传输要靠信道，因此信道也就成为了一种宝贵的资源。 怎样合理有效的分配信道，就是数据链路层中的MAC子层要解 决的问题了
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网络层（路由）
• 网络层（路由）
两个基本功能：确定最佳路径和通过网络传输信息 1 泛洪式路由 2 SPIN（SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协 议） 3 LEACH（LEACH是一种分层网络协议，它以循环的方式随机选择簇首节
三、无线传感器网络关键技 术
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3.1 无线传感器网络MAC协议
• 所谓的MAC协议，就是通过一组规则和过程来更有效、有序和公平地使用共享介质。它实现两大基本功能 目标：在密集散布的传感器现场能够有助于建立起一个基本网络基础设施所需的数据通信链路；协调共享 介质的访问
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管理平台
• 管理平台对整个网络进行检测、管理，它通常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终端设备
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4、2无线传感器网络硬件平台
• 目前传感器节点种类繁多，很多科研机构都开放自己的硬件平台，但是这些硬件平台之间主要区别在于所 采用的处理器、无线通信方式、传感器配置不同。下面具体介绍几家公司的硬件平台。
•
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图1 无线传感器网络体系结构图
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无线传感器通信协议系统结构
• 物理层技术 为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做
物理层 在物理层面上，无线传感器网络遵从的主要是标准（Zigbee）
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数据链路层（MAC层协议）
• Intel 公司的intel mote2 • Chipcon 公司的cc2420ZDK • Ember公司的em250 Development kit • Freescale公司的 mc13191 • 中科院的minigains系列
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自行设计传感器节点
• 数据采集单元 负责监测区域内信息的采集和数据转换，本设计中数据采集
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无线收发模块设计
• CC2420是Chipcon公司开发的首款符合Zigbee标准的2.4 GHz射频芯片，集成了所有Zigbee技术的优 点，可快速应用到Zigbee产品中。Zigbee是建立在定义的可靠的PHY(物理层)和MAC(媒体访问控制层) 之上的标准，它定义了网络层、安全层和应用层。Zigbee的协议架构如图2所示
单元包括了温度、湿度、光强度、加速度和大气压力传感器； 数据处理单元负责控制整 个节点的处理操作、路由协议、同步 定位、功耗管理、任务管理等；数据传输单元负责与其他节点 进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源管理单元 选通 所用到的传感器，节点电源由两节碱性电池组成，今后将 采用微型纽扣电池，以进一步减小体积。为了调试方便及可扩 展性，将数据采集单元独立出来，做成两块能相互套接的可扩 展主板
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动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS)
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• 无线传感器网络QOS保证技术 • 无线传感器网络数据融合技术 • 无线传感器网络安全机制 • 无线传感器网络定位技术 • 无线传感器网络同步管理机制
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四、无线传感器网络硬件平 台
点，将全网络的能量负载平均分配到每个传感器节点，从而达到降低网络 能源消耗的目的。这里要解释一下簇，簇是分层路由协议的概念，根据分 层路由协议，网络被划分成不同簇，每一个簇由一个簇首和簇成员组成， 多个簇首形成高级的网络，簇首节点不仅负责其辖下簇内信息的收集和融 合处理，还负责簇之间数据的转发） 4 PEGASIS（PEGASIS可谓LEACH的升级版本。）
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数据处理单元
• 如设计中数据处理单元选用Atmel公司的ATmega128L微控制器，它是采用低功耗 COMS工艺生产的基于RISC结构的8位微控制器，是目前AVR系列中功能最强大的单片 机。
• ATmega128L具有丰富的资源和极低的功耗。它具有片内128KB的程序Flash，4KB 的数据SRAM，可外扩到64KB的E2PROM。此外，它还有8个10位ADC通道，2个8位 和2个16位硬件定时/计数器，并可在多种不同的模式下工作；8个PWM通道、可编程 看 门 狗 定 时 器 和 片 上 振 荡 器 、 片 上 模 拟 比 较 器 ； U A RT 、 S P I 、 I 2 C 总 线 接 口 ； J TA G 接 口。除了正常操作模式外，还具有六种不同等级的低功耗操作模式，每种模式具有不同 的功耗
无线传感器网络路由协议
主要完成两大功能：一是选择适合的优化路 径，一是沿着选定的路径正确转发数据
• 泛洪协议 • SPIN协议 • 定向扩散(Directed Diffusion)协议 • LEACH协议
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无线传感器能量管理机制
• 1) 动态功率管理(dynamic power management,简称DPM) • 2) 动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS)
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2、1无线传感网络拓扑结构
平面网络结构 分级网络结构 混合网络结构 Mesh网络结构
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2、2无线传感器网络覆盖问题
• 覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题，因为传感器节点可能任意分布在配置区域，它反映 了一个无线传感网络某区域被鉴测和跟踪的状况
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动态功率管理(dynamic power m• an在a多g数e传m感e器n网t络,简的称应用D中P,M监测) 事件具有很强的偶发性,
节点上所有的工作单元没有必要时刻保持在正常的工作状态.处 于沉寂状态,甚至完全关闭,必要时加以唤醒是一种有效的系统 节能方案.传感器网络节点的主要功耗器件有处理器、内存、带 A/D的传感器和无线收发单元.Sinhua等人根据它们的状态组合 的有效性,将整个节点分为5种工作状态,在嵌入式操作系统的支 持下进行切换,既满足了功能的需要,又节省了功耗.
1、1概述 • 科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最
重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息 获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展， 并将会带来一场信息革命 • 无线传感器网络（WirelessSensorNetwork）综合了微电子技术、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等先进技术， 能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的 信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳 的网络方式传送给观察者。
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图3 数据传输单元接口inyOS • MANTIS • OS • SOS • MagnetOS • PEEROS • AmbitentRT
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感谢您的观看！
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4、1硬件结构
• 传感器节点 • 汇聚节点 • 管理平台
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传感器节点 无线传感器网络微型节点由数据采集单元、数据处理单 元、数据传输单元和电源管理单元4部分组成
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汇聚节点
• 当节点作为汇聚节点时，其主要功能就足连接传感器网络与外 部网络(如Internet)，将传感器节点采集到的数据通过互联网或 卫星发送给用户。
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1．2无线传感器网络特点
• 1．传感器节点数目大，密度高，采用空间位置寻址。 • 2．传感器接点的能量、计算能力和存储能力有限（能量、
计算存储低、关键在有效简单的路由协议） • 3．无线传感网络的拓扑结构易变化，有自组织能力。
（与传统的有不同的特点和技术要求：它根据需要可以在 工作和休眠之间切换，因此网络的拓扑结构容易发生变化 于是运用了嵌入式系统。传统重在QOS和更大的宽带保 证，并且是静止的。无线的要节省能量，连通性和延长运 行寿命） • 4．传感器节点具有数据融合能力（与Mesh网络区别， 数据小，移动，重能源。 与无线Ad-hoc网络比数量多、 密度大、易受损、拓扑结构频繁、广播式点对多通信、节 点能量、计算能力受限。）
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传输层与应用层
• 传输层 传输层提供无线传感器网络内部以数据为基础的寻址方式变
换为外部网络的寻址方式，也就是完成数据格式的转换。 • 应用层
无线传感器网络也有一个属于自己的操作系统—TinyOS。 这个系统不同于传统意义上的操作系统，它更像一个编程构架， 在此构架下，搭配一组必要的组件，就能方便地编译出面向特 定应用的操作系统
第23页/共36页
Crossbow(公司)
• Wireless Module
第24页/共36页
Sensor Boards
第25页/共36页
Gateways
第26页/共36页
Mote(公司)的 Tmote Sky
第27页/共36页
Tmote Connect
第28页/共36页
其他的一些硬件平台
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1、3无线传感器网络系统及协议系统结构
• 1、3、1无线传感器网络系统 无线传感器网络体系结构[1]如图1所示,传感器网络通常包括传感器节点，
汇聚节点和管理节点。传感器节点任意的分布在某一监测区域内，节点以 自组织的形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传送到汇聚节点， 最后通过Internet或其他网络通讯方式将监测信息传送到管理节点。同样 的，用户可以通过管理节点进行命令的发布，告知传感器节点收集监测信 息。