无线传感器网络支撑技术第六章
无线传感器网络技术概论课件：无线传感器网络体系结构
无线传感器网络体系结构
2．通信能力的约束 传感器节点的通信能力关系到传感器网络监测区域内节
点部署数量，而制约其通信能力主要有两个参数，即能量损 耗和通信距离，二者之间的关系为
E = kdn
(2-1)
式中，E为传感器节点的通信能量损耗；k为一个常数，
与传感器节点的系统构成有关；d为传感器节点的通信距离；
分别接入TD-SCDMA、GSM核心网、Internet主干网及无线 局域网络等多种类型异构网络，再通过各网络下的基站或主 控设备将传感器信息分发至各终端，以实现针对无线传感器 网络的多网远程监控与调度。同时，处于TD-SCDMA、 GSM、Internet等多类型网络终端的各种应用与业务实体也 将通过各自网络连接相应的无线传感器网络网关，并由此对 相应无线传感器网络节点开展数据查询、任务派发、业务扩 展等多种功能，最终实现无线传感器网络与以移动通信网络、 Internet网络为主的各类型网络的无缝的、泛在的交互。
(2) 汇聚节点：用于连接传感器节点与Internet 等外部网 络的网关，可实现两种协议间的转换；同时能向传感器节点 发布来自管理节点的监测任务，并把WSN收集到的数据转 发到外部网络上。与传感器节点相比，汇聚节点的处理能力、 存储能力和通信能力相对较强。
(3) 管理节点：用于动态地管理整个无线传感器网络， 直接面向用户。所有者通过管理节点访问无线传感器网络的 资源，配置和管理网络，发布监测任务以及收集监测数据。
锁相回路(PLL)、解调器和功率放大器组成，所有的这些组
件都会消耗能量。对于一对收发机来说，数据通信带来的功
耗PC的组成部分可简单地用模型描述为
PC = PO + PTX + PRX
(2-2)
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。
无线传感器网络课后习题答案
1-2、什么就是无线传感器网络?无线传感器网络就是大量的静止或移动的传感器以自组织与多跳的方式构成的无线网络。
目的就是协作地探测、处理与传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息,并报告给用户。
1-4、图示说明无线传感器网络的系统架构。
1-5、传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别就是什么?(1)传感模块(传感器、数模转换)、计算模块、通信模块、存储模块电源模块与嵌入式软件系统(2)传感模块负责探测目标的物理特征与现象,计算模块负责处理数据与系统管理,存储模块负责存放程序与数据,通信模块负责网络管理信息与探测数据两种信息的发送与接收。
另外,电源模块负责结点供电,结点由嵌入式软件系统支撑,运行网络的五层协议。
1-8、传感器网络的体系结构包括哪些部分?各部分的功能分别就是什么?(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、传输层与应用层组成。
(2)网络管理平台:主要就是对传感器结点自身的管理与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。
(3)应用支撑平台:建立在网络通信协议与网络管理技术的基础之上。
包括一系列基于监测任务的应用层软件,通过应用服务接口与网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。
1-9、传感器网络的结构有哪些类型?分别说明各种网络结构的特征及优缺点。
(1)根据结点数目的多少,传感器网络的结构可以分为平面结构与分级结构。
如果网络的规模较小,一般采用平面结构;如果网络规模很大,则必须采用分级网络结构。
(2)平面结构:特征:平面结构的网络比较简单,所有结点的地位平等,所以又可以称为对等式结构。
优点:源结点与目的结点之间一般存在多条路径,网络负荷由这些路径共同承担。
一般情况下不存在瓶颈,网络比较健壮。
缺点:①影响网络数据的传输速率,甚至造成网络崩溃。
②整个系统宏观上会损耗巨大能量。
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。
《物联网技术及应用》最新版教学大纲课程简介
《物联网技术及应用》课程教学大纲课程名称：物联网技术及应用课程编码：暂不填写学分： 2.0 总学时：32理论学时： 32 实验学时： 0 上机学时： 0 实践学时：0开设实验（上机）项目总数 0 个，其中，必修（0）个，选修（0）个开课单位：物联网工程学院自动化系适用专业：自动化一、课程的性质、目的该课程是物联网学院自动化专业的专业选修课，旨在帮助学生对物联网有一个整体认识，掌握其体系结构和相关技术。
通过对自动识别技术与RFID、传感技术、定位系统、智能信息设备的学习，掌握感知识别层的基本知识；通过对无线宽带网、无限低速网、移动通信网的学习，掌握网络构建层的基本知识；通过对大数据与海量信息存储、数据库系统、物联网中的信息安全与隐私保护的学习，掌握管理服务层的基本知识；通过对智能交通、智能物流、智能建筑等系统的学习，了解物联网技术在多个领域中的应用；最后还应将物联网前沿状况介绍给学生。
在这个过程中强调掌握物联网涉及的基本概念和知识，提高自身对不断变化的物联网的适应能力。
二、课程培养目标1.立德树人通过课程学习了解物联网技术的发展历史以及其应用成果，明确科技进步和科技创新对国民经济的发展、国家军事力量的进步所发挥的作用，引领学生树立为中华民族伟大复兴的中国梦努力奋斗的信念。
通过介绍国家在物联网领域所取得的进步和发展，培养学生的民族自豪感和民族自信心。
通过介绍我国物联网领域的前沿发展，引导学生树立家国情怀、民族精神以及敢为人先、开拓创新、追究卓越的科学精神。
同时要意识到我国在一些领域与国外还存在较大差距，激发学生承担社会责任，以国家富强、民族复兴为己任，努力学习。
2.课程目标通过本课程的学习，学生所具备的素质、掌握的技能、知识和能力如下：课程目标1. 使学生了解一定的物联网相关技术。
掌握低频、高频、超高频和2.4G 有源RFID 读写器的原理及应用；了解低功耗WiFi、ZigBee、Bluetooth 4.0 BLE等多种无线传感网络。
江苏自考 30451 无线传感器网络
高纲1353江苏省高等教育自学考试大纲30451 无线传感器网络南京理工大学编江苏省高等教育自学考试委员会办公室Ⅰ课程性质与课程目标一、课程性质和特点《无线传感器网络》是江苏省高等教育自学考试电子工程专业的必修课，是为了培养和检验自学应考者的通信工程、信息工程基本知识和基本技能而设置的一门专业课程。
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网络管理技术，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基础。
二、课程目标本课程主要讲授传感器网络的基本概念、基本原理与基本方法，并介绍国内外的最新技术发展和当前的研究热点。
课程设置的目标是：1.通过本课程让学生了解无线传感器网络的体系结构和网络管理技术。
2.掌握无线传感器网络中的物理层协议、MAC协议、路由协议、拓扑控制协议以及无线网络协议IEEE802.15.4等通信协议。
3.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。
4.掌握基于无线传感器网络的智能应用的基本设计方法，掌握其软硬件开发平台和仿真环境的使用。
三、与相关课程的联系与区别本课程的先修课程为《通信原理》、《计算机网络技术》Ⅱ考核目标用学科化的语言对三个或四个认知层次予以表述。
以《物理（工）》课程为例：本大纲在考核目标中，按照识记、领会、简单应用和综合应用四个层次规定其应达到的能力层次要求。
四个能力层次是递升的关系，后者必须建立在前者的基础上。
各能力层次的含义是：识记（Ⅰ）：要求考生能够识别和记忆本课程中有关物理概念及规律的主要内容（如定义、定理、定律、表达式、公式、原理、重要结论、方法及特征、特点等），并能够根据考核的不同要求，做正确的表述、选择和判断。
无线传感器网络复习资料
第一章概述1、什么是无线传感器网络无线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。
2、传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成这些组成模块的功能分别是什么（1）传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块、电源模块和嵌入式软件系统（2）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，存储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，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。
3、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（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。
（2）网络管理平台：主要是对传感器结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。
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。
（3）应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。
包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。
第二章微型传感器的基本知识1、传感器由哪些部分组成各部分的功能是什么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。
2、集成传感器的特点是什么体积小、重量轻、功能强、性能好。
3、如何进行传感器的正确选型（1）测量对象与环境：分析被测量的特点和传感器的使用条件选择何种原理的传感器。
无线传感器网络课后习题-答案
1-2.什么是无线传感器网络?无线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。
目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息,并报告给用户。
1-4.图示说明无线传感器网络的系统架构。
1-5.传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别是什么?(1)传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块电源模块和嵌入式软件系统(2)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，存储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，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。
1-8.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?(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。
(2)网络管理平台：主要是对传感器结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。
(3)应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。
包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。
1-9.传感器网络的结构有哪些类型?分别说明各种网络结构的特征及优缺点。
（1）根据结点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。
如果网络的规模较小，一般采用平面结构；如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。
（2）平面结构：特征：平面结构的网络比较简单，所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。
优点：源结点和目的结点之间一般存在多条路径，网络负荷由这些路径共同承担。
一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。
缺点：①影响网络数据的传输速率，甚至造成网络崩溃。
②整个系统宏观上会损耗巨大能量。
无线传感器网络技术与应用 第2版 教学大纲[3页]
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《无线传感器网络技术与应用》课程教学大纲一、基本信息课程中文名称无线传感器网络技术与应用课程英文名称Wireless sensor network technology and application课程类别通识教育（）大类基础（√）专业核心（）专业方向（）课程性质必修（）任选（√）总学时24（其中理论教学20学时，实验4学时）本课程对毕业要求的贡献培养学生计算思维能力，使学生能够综合应用结构化程序设计的基本方法编写简单应用程序。
二、教学目的与任务无线传感器网络是信息科学领域的一个全新发展方向，是物联网的支撑技术之一。
传感器技术在遥控、监测、传感和智能化等高科技应用领域中发挥着重要作用。
课程主要内容包括：无线传感器网络的网络与通信技术，及以时间同步、定位技术、数据管理、目标跟踪、拓扑控制、覆盖技术、安全技术等为支撑的无线传感器网络技术与应用；无线传感器网络的软硬件设计，新型的人工智能物联网，以及无线传感器网络在智能家居、智能温室系统和远程医疗监护系统中的应用；最后是工程实践指导，且给出了完整的实现细节。
本课程适用于物联网工程、通信工程、计算机应用、人工智能等专业的高年级本科生教材，也可以适用于建筑电气、网络管理等领域的工程技术人员和从事智能物联网等工作的技术人员学习用。
三、教学内容与要求基本教学内容（一）概述 2学时无线传感器网络（WSN）概述，主要内容：WSN的发展历程、基本概念、应用领域、特点、关键技术。
（二）网络与通信技术2学时1、物理层概述、链路特性、物理层设计、低俗物理层、中高速物理层；2、MAC概述、基于竞争的MAC协议、基于时分复用的MAC协议、其它MAC协议；3、路由协议概述、平面路由协议、分簇路由协议、其它路由协议、路由协议自主切换；4、传输协议概述、拥塞控制协议、可靠保证协议；5、ZigBee与IEEE 802.15.4的区分、ZigBee协议框架和特点、网络层规范、应用层规范。
无线传感器网络技术的原理与应用资料
无线传感器网络技术的原理与应用资料无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是一种由大量分散的、具有自主感知、通信和计算能力的传感器节点组成的网络。
这些传感器节点通常通过无线通信方式相互连接，协同工作来获取、处理和传输感知信息。
WSN 自问世以来，得到了广泛的应用和研究。
本文将介绍无线传感器网络技术的原理和应用，并提供相关资料。
一、无线传感器网络技术的原理无线传感器网络技术的原理主要包括传感器节点的工作原理、通信协议和网络拓扑结构。
1. 传感器节点的工作原理传感器节点是无线传感器网络的基本组成单元，它通常由感知模块、处理模块、通信模块和能量模块组成。
感知模块用于感知环境中的物理量或事件，如温度、湿度、光照等；处理模块负责对感知数据进行处理和分析；通信模块用于传输感知数据和接收网络中其他节点的数据；能量模块提供供电功能，常见的供电方式包括电池、太阳能等。
传感器节点通过感知和处理模块的协同工作，将感知数据进行采集和分析，并通过通信模块将数据传输给其他节点或基站。
2. 通信协议无线传感器网络的通信协议是保证节点之间进行有效通信的基础。
常见的通信协议包括路由协议、传输协议和网络协议等。
路由协议用于确定数据在网络中的传输路径，常见的路由协议有LEACH、AODV等；传输协议负责传输数据包，常见的传输协议有TCP、UDP等；网络协议定义了节点之间通信的规则和标准，常见的网络协议有IPv6、6LoWPAN等。
这些协议的设计旨在提高网络的可靠性、稳定性和能耗效率。
3. 网络拓扑结构无线传感器网络的网络拓扑结构决定了节点之间通信的方式和效率。
常见的网络拓扑结构包括星型、树形、网状等。
星型拓扑结构中，所有的传感器节点都直接连接到一个中心节点，中心节点负责接收和处理来自其他节点的数据；树形拓扑结构中，节点之间形成父子关系，数据从根节点通过树状结构向下传输；网状拓扑结构中，节点之间可以直接相互通信，数据传输路径更加灵活。
无线传感器网络技术与应用课件
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。
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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
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入侵检测框架
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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
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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
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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
无线传感器网络-第4章-传感器网络的支撑技术
• Tiny-Sync和Mini-Sync是两种简单的时间同步机制。 • TPSN时间同步协议采用层次结构，实现整个网络节点的
26
4.2.1 传感器网络节点定位问题
设节点i的估计坐标与真实坐标在二维情况下的距离差值
为Δdi，则N个未知位置节点的网络平均定位误差为：
1 N
N i 1
d
i
覆盖范围和位置精度是一对矛盾性的指标。
刷新速度是指提供位置信息的频率。
功耗作为传感器网络设计的一项重要指标，对于定位这项
服务功能，人们需要计算为此所消耗的能量。
20
4.2.1 传感器网络节点定位问题
位置信息有多种分类方法。位置信息有物理位置和符号位 置两大类。
物理位置指目标在特定坐标系下的位置数值，表示目标的 相对或者绝对位置。
符号位置指在目标与一个基站或者多个基站接近程度的信 息，表示目标与基站之间的连通关系，提供目标大致的所在 范围。
21
4.2.1 传感器网络节点定位问题
定位实时性更多的是体现在对动态目标的位置跟踪。
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4.2.1 传感器网络节点定位问题 4、定位系统的设计要点
在设计定位系统的时候，要根据预定的性能指标，在众多 方案之中选择能够满足要求的最优算法，采取最适宜的技术 手段来完成定位系统的实现。通常设计一个定位系统需要考 虑两个主要因素，即定位机制的物理特性和定位算法。
• 缺点
• 没有考虑根节点失效问题。 • 新的节点加入时，需要初始化层次发现阶段，级
无线传感器网络支撑技术
• 利用测量节点间实际距离或方位计算未知节点位 置；
– 测距无关的（range-free）定位
• 利用节点间的估计距离计算未知节点位置 ； • 利用特征进行位置关联 • 不需要直接测量节点间距离
内容提要
1. WSN定位概述 2. 基于测距（range-based）的定位技术 3. 无需测距（range-free）的定位技术 4. 典型定位系统 5. 展望
14
三边测量算法（Trilateration）
• 已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到
节点D的距离，确定节点D的坐标为；
d1 (x1 x)2 ( y1 y)2 d2 (x2 x)2 ( y2 y)2 d3 (x3 x)2 ( y3 y)2
A (x1, y1)
D d1 (x, y)
• 原理
– 发射节点同时发射两种不同传播速度的无线 信号，接收节点根据两种信号到达的时间差 以及已知这两种信号的传播速度，计算两个 节点之间的距离，再通过已有基本的定位算 法计算出节点的位置 ；
2. 基于测距的定位技术-接收信号角 度定位
利用角度关系定位
A1 N
α1 A1
α2 A2
x y
( y2 (x2
覆盖范围 十多米 100米 公里级
1. WSN定位概述-定位的技术指标(1)
代价
✓ 定位系统或算法的代价包括时间代价、空间代价和成 本代价等方面。
✓ 时间代价主要考虑一个定位系统或算法的安装、 配置或定位时间等因素；
✓ 空间代价主要考虑一个定位系统或算法所需的基 础设施、网络节点数量或系统硬件尺寸等因素；
T1 ) (T2
T0
)]
*
课件--4.2无线传感网络支撑技术
⑤ 容错性和自适应性。定位系统和算法都需要比较理想的无线通信环境和可靠的网络节点设备。而真 实环境往往比较复杂，会出现节点失效或节点硬件受精度限制而造成距离或角度测量误差过大等 问题，因此，定位系统和算法必须有很强的容错性和自适应性，对无线传感器网络进行故障管理， 减小各种误差的影响。
《物联网技术》
定位技术
（3）基于测距的定位技术
不基于测距的技术虽然精度较低，但是对大多数应用已经足够，因为其拥有造价低、低功耗的 显著优势，所以在WSN中备受关注。
② 基于锚节点的定位技术和无锚节点的定位技术 基于锚节点的定位技术在定位过程中，以锚节点作为参考点，各节点定位后产生整体的绝对坐
标系统。无锚节点的定位技术只关心节点间的相对位置，在定位过程中各节点先以自身作为 参考点，将邻近的节点纳入自己定义的坐标系中，相邻的坐标系统依次转换合并，最后产生 整体相对坐标系统。 ③ 粗粒度定位技术和细粒度定位技术根据计算所需信息的力度划分。 细粒度定位计算所需的信息包括信号强度、时间等，而基于跳数和与锚节点的接近度来度量的， 则是粗粒度定位。
《物联网技术》
定位技术
（2） 定位性能评价标准
无线传感器网络定位性能的评价标准主要有定位精度、覆盖范围、锚节点密度、网络的容错性和鲁 棒性以及功耗位置精度指标以外，还有刷新速度、功耗和定位实时性等指标。
① 定位精度。定位精度是定位系统最重要的指标，精度越高，则技术要求越严，成本也越高。定位 精度指提供的位置信息的精确程度，它分为相对精度和绝对精度。绝对精度是测量的坐标与真实 坐标的偏差，一般用长度计量单位表示。相对误差一般用误差值与节点无线射程的比例表示，定 位误差越小，定位精确度越高。
第四章 无线传感器网络的支撑技术
2
4.1 时间同步机制
4.1.1 时间同步的意义和特点
1、传感器网络时间同步的意义 无线传感器网络的同步管理主要是指时间上的同步管理。时 间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。 在分布式系统中，时间同步涉及 在分布式系统中 时间同步涉及“物理时间”和“逻辑时 物理时间 和 逻辑时 间”两个不同的概念。 分布式系统通常需要一个表示整个系统时间的全局时间。全 局时间根据需要可以是物理时间或逻辑时间。 无线传感器网络时间同步机制的意义和作用主要体现在如下 两方面： 首先，传感器节点通常需要彼此协作，去完成复杂的监测 和感知任务。 其次，传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现 其次 传感 络的 些节能方案 利 时间 步来实 的。
5
4.1.2 TPSN时间同步协议
传感器网络TPSN时间同步协议类似于传统网络的NTP协议，目的是提 供传感器网络全网范围内节点间的时间同步。 供传感器网络全网范围内节点间的时间同步 TPSN协议采用层次型网络结构。
1 TPSN协议的操作过程 1、TPSN协议的操作过程
TPSN协议包括两个阶段： 第一个阶段生成层次结构，每个节点赋予一个级别，根节点赋予最高级别 第0级，第i级的节点至少能够与一个第（i－1）级的节点通信； 第二个阶段实现所有树节点的时间同步，第1级节点同步到根节点，第i级 的节点同步到第（i－1）级的一个节点，最终所有节点都同步到根节点，实 现整个网络的时间同步。
6
2、相邻级别节点间的同步机制
邻近级别的两个节点对间通过交换两个消息实现时间同步。
7
2、相邻级别节点间的同步机制
边节点S在T1时间发送同步请求分 组给节点R 分组中包含S的级别和 组给节点R，分组中包含S的级别和 T1时间。节点R在T2时间收到分
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，简称WSN）是由大量被布置在感兴趣区域内的微型传感器节点组成的自组织和协同工作的网络系统。
这些传感器节点能够通过自身之间的无线通信与协作，实现对环境的感知、数据采集、处理与传输，以及对感兴趣事件的监测和响应。
随着无线传感器网络技术的不断发展和应用的广泛推广，它在军事、环境监测、智能交通、智能家居、物联网等诸多领域都展现出了巨大的潜力。
一、无线传感器网络技术的基本原理和组成无线传感器网络技术的核心是传感器节点的设计与实现。
传感器节点一般由传感器、微处理器、无线通信模块和电池等组成。
传感器负责感知环境信息，并将其转化为数字信号；微处理器负责采集、处理和分析传感器数据，并进行本地节点的控制；无线通信模块实现传感器节点之间的数据传输和通信；电池为传感器节点提供能源。
二、无线传感器网络技术的特点1. 自组织和自适应：无线传感器网络具有自组织和自适应的特点。
传感器节点能够根据网络的变化自主地重新组织，形成新的网络拓扑结构，并能够根据环境和任务需求自适应地调整节点的行为与功能。
2. 分布式采集与处理：无线传感器网络中的传感器节点分布在感兴趣区域的各个位置，通过对环境进行多点采集，能够获取更全面、更准确的信息。
同时，节点之间还可以通过数据处理和传输的协作，实现对数据的融合和提炼，降低数据冗余和信息丢失。
3. 节能与延长网络寿命：由于传感器节点一般工作在无线通信和数据处理的模式下，为了延长节点的寿命，需要考虑节能策略。
一方面，可以通过低功耗电子器件、省电的工作模式和能量收集技术来减少能耗；另一方面，还可以通过自适应的能源分配、动态的休眠与唤醒机制来实现能耗的均衡和节约。
三、无线传感器网络技术的应用领域1. 环境监测：无线传感器网络在环境监测领域具有广泛的应用前景。
通过布置在监测区域内的传感器节点，可以对气温、湿度、大气污染物等环境参数进行监测和分析，为环境保护和资源管理提供实时数据和决策支持。
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可编辑版计算机网络》课件 制作人：
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谢希仁
主要内容
时间同步机制 定位技术 数据融合 能量管理 安全机制
可编辑版计算机网络》课件 制作人：
2
谢希仁
虽然传感器网络用户的使用目的千变万化，但是作为网 络终端节点的功能归根结底就是传感、探测、感知，用来 收集应用相关的数据信号。为了实现用户的功能，要实现 保证网络用户功能的正常运行所需的其它基础性技术。
如果给出的是图像就是源图像。源信息是信息系统处理
的对象。
源信息、传感器与环境之间的关系：
目标
源 数 据
杂波
输 入
环 境
传 感 器
输 出 源 信 息源 图 像
干扰
源 波 形
噪声
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消除噪声与干扰，实现对观测目标的连续跟踪和测量 等一系列问题的处理方法，就是传感器数据融合技术， 它是对传感器信息进行处理的最关键技术，在军事和非 军事领域的应用都非常广泛。
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2、基本术语
(1) 锚点：指通过其它方式预先获得位置坐标的节点，有时也
称作信标节点。网络中相应的其余节点称为非锚点。
(2) 测距：指两个相互通信的节点通过测量方式来估计出彼此
之间的距离或角度。
(3) 连接度：包括节点连接度和网络连接度两种含义。
节点连接度是指节点可探测发现的邻居节点个数。网络连接
(7) 到达时间：信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时 间，称为信号的到达时间。
(8) 视线关系(Line of Sight, LoS)：如果传感器网络的两个节 点之间没有障碍物，能够实现直接通信，则这两个节点间存在视 线关系。
(9) 非视线关系：传感器网络的两个节点之间存在障碍物，影 响了它们直接的无线通信。
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定位技术
1、定位的含义
在传感器网络的很多应用问题中，没有节点位置信息的监
测数据往往是没有意义的。无线传感器网络定位问题的含义
是指自组织的网络通过特定方法提供节点的位置信息。
分为节点自身定位和目标定位。节点自身定位是确定网络
节点的坐标位置的过程。目标定位是确定网络覆盖区域内一
个事件或者一个目标的坐标位置。
节点自身定位可以通过人工标定或者各种节点自定位算法
完成。目标定位是以位置已知的网络节点作为参考，确定事
件或者目标在网络覆盖范围内所在的位置。
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位置信息有多种分类方法。位置信息有物理位置和 符号位置两大类。
物理位置指目标在特定坐标系下的位置数值，表示 目标的相对或者绝对位置。
符号位置指在目标与一个基站或者多个基站接近程 度的信息，表示目标与基站之间的连通关系，提供目 标大致的所在范围。
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3、定位性能的评价指标
衡量定位性能有多个指标： 位置精度 覆盖范围 刷新速度 功耗等。 覆盖范围和位置精度是一对矛盾性的指标。 刷新速度是指提供位置信息的频率。
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数据融合
多传感器数据融合概述
我们将各种传感器直接给出的信息称作源信息，如果
传感器给出的信息是已经数字化的信息，就称作源数据，
数据，因而是面向数据的融合。
（2）特征级融合
特征级融合通过一些特征提取手段将数据表示为一系列的特
征向量，来反映事物的属性。
这些应用层的基础性技术是支撑传感器网络完成任务的 关键，包括时间同步机制、定位技术、数据融合、能量管 理和安全机制等。
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时间同步机制
1、传感器网络时间同步的意义
无线传感器网络的同步管理主要是指时间上的同步管理。 在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有自 己的本地时钟。网络节点之间存在运行时间偏差。 有时传感器网络的单个节点的能力有限，或者某些应用的需 要，使得整个系统所要实现的功能要求网络内所有节点相互配 合来共同完成，分布式系统的协同工作需要节点间的时间同步， 因此，时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。
数据融合也被人们称作信息融合，是一种多源信息处 理技术，它通过对来自同一目标的多源数据进行优化合 成，获得比单一信息源更精确、完整的估计或判决。
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“多传感器数据融合是一种多层次、多方面的处理过程， 这个过程是对多源数据进行检测（detection）、互联 （association）、相关（correlation）、估计 （estimation）和组合（combination），以更高的精 度、较高的置信度得到目标的状态估计和身份识别，以及 完整的态势估计和威胁评估，为指挥员提供有用的决策信 息”。
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在分布式系统中，时间同步涉及“物理时间”和“逻 辑时间”两个不同的概念。
“物理时间”用来表示人类社会使用的绝对时间；“逻 辑时间”体现了事件发生的顺序关系，是一个相对概念。
分布式系统通常需要一个表示整个系统时间的全局时 间。全局时间根据需要可以是物理时间或逻辑时间。
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目前已有几种成熟的传感器网络时间同步协议， 其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被认为是 三种最基本的传感器网络时间同步机制。
数据融合的基本目的是通过融合得到比单独的各个输入 数据更多的信息。这一点是协同作用的结果，即由于多传 感器的共同作用，使系统的有效性得以增强。
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传感器网络中数据融合的作用
数据融合的主要作用可归纳为以下几点： (1) 提高信息的准确性和全面性。 (2) 降低信息的不确定性。 (3) 提高系统的可靠性。 (4) 增加系统的实时性。 (5) 节省整个网络的能量；
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数据融合技术的分类
传感器网络的数据融合技术可以从不同的角度进行 分类，这里介绍三种分类方法： (1) 依据融合前后数据的信息含量分类； (2) 依据数据融合与应用层数据语义的关系分类； (3) 依据融合操作的级别分类。
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根据融合操作的级别分类
（1）数据级融合
数据级融合是最底层的融合，操作对象是传感器采集得到的
度是所有节点的邻居数目的平均值，它反映了传感器配置的密
集程度。
(4) 邻居节点：传感器节点通信半径范围以内的所有其它节点，
称为该节点的邻居节点。
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(5) 跳数：两个节点之间间隔的跳段总数，称为这两个节点间 的跳数。
(6) 基础设施：协助传感器节点定位的已知自身位置的固定设 备，如卫星、基站等。