第5章 无线传感器网络(WSN)
无线传感器网络
无线传感器网络无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）是一种由众多装备了传感器和通信设备的节点组成的、可以进行数据采集、处理和传输的网络系统。
这些节点可以相互通信，共同完成特定的监测、控制或者数据传输任务。
无线传感器网络广泛应用于环境监测、医疗健康、物联网等领域。
一、无线传感器网络的组成无线传感器网络由多个节点组成，每个节点都有独立的处理能力、通信能力和传感能力。
节点之间通过无线通信进行数据的传递和交换。
每个节点可以采集周围环境的信息，并将数据传输给其他节点，或者通过无线信号传输给数据收集中心。
在无线传感器网络中，节点可以分为三个类型：传感器节点、中心节点和路由节点。
传感器节点用于收集环境信息，如温度、湿度、光照等。
中心节点负责数据的存储和处理，是整个网络的核心。
路由节点用于传输数据，将各个传感器节点采集到的数据传输给中心节点。
二、无线传感器网络的应用无线传感器网络在各个领域都有广泛的应用。
1. 环境监测无线传感器网络可以用于环境的监测和数据的采集。
通过部署传感器节点，可以实时监测空气质量、水质状况、土壤湿度等环境因素，并将数据传输给监测站点。
这对于环境保护和资源管理非常重要。
2. 健康医疗无线传感器网络可以应用于健康监测和医疗领域。
通过佩戴传感器设备，可以实时监测人体的生理参数，如心率、血压、体温等，并将数据传输给医生或者云平台，以便于监护和诊断。
3. 物联网无线传感器网络是物联网的基础技术之一。
通过无线传感器网络，不同的物体和设备可以相互连接和通信，实现信息的交换和共享。
无线传感器网络在智能家居、智能城市等方面有着重要的应用。
三、无线传感器网络的挑战与未来发展尽管无线传感器网络在各个领域都有广泛的应用，但也面临一些挑战。
1. 能源管理由于无线传感器网络中的节点通常是由电池供电，能源管理是一个重要的问题。
如何延长节点的寿命，提高能源利用效率是当前的研究重点之一。
无线传感网络
无线传感网络无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络。
是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。
WSN中的传感器节点通过无线方式通信，网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。
且在科技水平大幅度提高的基础上传感器节点的成本和能耗也逐渐降低，使得WSN在很多领域得到应用。
最早现代意义上的传感器是1879年德国科学家霍尔在研究金属的导电机制时制作的磁场传感器。
经过100多年的发展，传感器的功能不再单一，可以采集温度、湿度、位置、光强、压力、生化等标量数据。
1996年，美国军方资助加州大学洛杉矶分校（UCLA）等单位开展低功耗无线传感器网络（Low-power Wireless Integrated Microsensors，LWIM）的研究。
LWIM III型无线传感器节点将传感器、控制电路与电源电路集成为一体。
两年之后，UCLA与Rockwell合作，开发了Rockwell WINS（Wireless Integrated Network Sensor）无线传感器节点。
该节点使用32位微处理器Strong ARM、1MB的内存与4MB的闪存，数据传输速率是100kbps，工作时的功耗为200mw，睡眠时的功耗是0.8mw。
与此同时，加州大学伯克利分校（UCB）也开展了“Smart Dust”（智能尘埃）项目的研究。
“智能尘埃”意指传感器节点的体积非常小，如尘埃一般。
该项目研究的目标是通过MEMS技术，实现传感、计算与通信能力的集成，用智能传感器技术增强微型机器人的环境感知与智慧处理能力。
其研究任务是开发一系列低功耗、自组织、可重构的无线传感器节点。
1998年研制的WeC智能传感器节点使用的是8位、主频为4MHz的AT90LS8535微处理器芯片，内存是512B，闪存为8kB，数据传输速率为10kbps，工作时的功耗为15mw，睡眠时的功耗是45μw。
无线传感器网络(WSN)的技术与应用
无线传感器网络（WSN）的技术与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是一种由若干个无线传感器节点构成的网络。
每个传感器节点都具有感知、处理和通信功能，能够通过无线信号进行数据的传输和交流。
WSN技术在近年来得到了广泛的应用和研究，其在环境监测、智能家居、农业、工业控制等领域具有重要的意义。
一、WSN技术的基本原理和特点WSN技术的核心是无线传感器节点，它是由微处理器、传感器、无线通信模块和能量供应装置等组成。
传感器节点可以感知周围环境的不同参数，例如温度、湿度、光照强度等，并将这些数据进行处理和存储。
节点之间通过无线通信进行数据的传输，形成一个自组织的网络结构。
WSN具有以下几个主要特点：1. 无线通信：WSN采用无线通信方式，节点之间可以通过无线信号传输数据，不受布线限制，能够灵活部署在不同的环境中。
2. 自组织性：WSN的节点具有自组织能力，可以根据网络拓扑结构和节点的状态进行自动组网，形成一个动态的网络结构。
3. 分布式处理：WSN中的每个节点都具有数据处理和存储的能力，可以进行分布式的数据处理，实现网络的协同工作。
4. 能量有限：WSN中的节点能量有限，需要通过能量管理或是能量收集技术来延长节点的寿命。
二、WSN的应用领域与案例分析1. 环境监测：WSN可以用于环境参数的实时监测和采集。
例如，在自然灾害预警系统中，通过部署大量的传感器节点，可以实时监测地震、洪水等灾害情况，为应急救援提供及时的信息。
2. 智能家居：WSN可以实现智能家居的自动化控制。
通过部署传感器节点，可以实时感知室内温度、湿度等信息，并进行智能控制，实现温度调节、灯光控制等功能。
3. 农业领域：WSN可以用于农业生产的智能化管理。
通过在农田、温室等地部署传感器节点，可以实时监测土壤湿度、温度等参数，并为农民提供农作物的生长状态和病虫害预警等信息。
4. 工业控制：WSN可以应用于工业生产过程的实时监测和控制。
无线传感器网络(WSN)的特点与应用
无线传感器网络（WSN）的特点与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是一种由大量的分布式无线传感器节点组成的网络系统。
每个节点都具备感知、处理、存储和通信等能力，用于采集、传输和处理环境中的各种信息。
WSN的特点及其广泛应用使其成为了当代信息技术领域的研究热点。
一、特点1. 分布式自组织：WSN中的节点可以自组织地构建网络，无需人工干预。
节点通过相互通信和协调来共同完成任务，具备较强的自适应性和冗余容错能力。
2. 节点资源受限：WSN中的节点通常具备较小的计算、存储和能量资源。
为了降低成本和延长网络寿命，节点的硬件资源通常被设计为低功耗、低成本的微型设备。
3. 多传感器融合：WSN中的节点通常配备多种类型的传感器，如温度、湿度、光线、声音等。
通过对不同传感器数据的融合分析，可以提供更全面和准确的环境监测和信息获取。
4. 无线通信：WSN中的节点通过无线通信方式进行数据传输和网络连接。
无线通信不受地理位置限制，节点之间可以自由通信，提供了较大范围的网络覆盖。
二、应用1. 环境监测与物联网：WSN可以应用于环境监测领域，如气象、水质、土壤等。
通过部署大量节点，能够实时、精确地获取环境参数，为环境保护和资源管理提供科学依据。
2. 智能交通系统：WSN可用于智能交通系统中，通过节点部署在道路、交叉口等位置，实现车流量、车速等交通信息的实时监测和分析，并通过数据传输实现交通信号的智能控制。
3. 农业生产与精准农业：WSN可以用于农业领域，通过节点在田地中的布置，实时监测农田土壤湿度、温度以及农作物的生长情况，提供数据支持，实现农业生产的科学化和精细化管理。
4. 工业自动化与智能制造：WSN在工业自动化中的应用十分广泛，例如在工厂生产线上布置节点进行生产过程监控、设备状态检测和故障预警等，提高生产效率和质量。
5. 灾害监测与救援：WSN可以用于灾害监测和救援领域，如地震、火灾、洪水等。
无线传感器网络
无线传感器网络无线传感器网络（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网络。
每个节点都配备有传感器和通信设备，能够感知环境中的各种物理信息，并将数据通过通信模块传送给其他节点。
WSN可以广泛应用于农业、环境监测、智能交通、医疗保健、安全监控等领域。
它们能够实时监测环境参数、收集数据、进行信息处理和传输，为人们提供及时准确的信息以及决策支持。
一、无线传感器网络的基本组成无线传感器网络由三大组成部分组成：传感器节点、基站和通信链路。
1. 传感器节点传感器节点是WSN的基本构建单元，由处理器、传感器、存储器和无线通信模块组成。
它们能够感知周围环境的变化，并将采集到的数据进行处理和传输。
2. 基站基站是无线传感器网络的控制中心，用于收集节点传输的数据和协调网络的运行。
基站通常具有更高的处理能力和通信能力，可以与传感器节点进行双向通信，并向用户提供服务接口。
3. 通信链路通信链路是传感器节点与基站之间的无线通信通道，用于传送数据和控制信息。
通信链路通常采用低功耗、低数据传输速率的无线技术，以延长网络寿命并降低能耗。
二、无线传感器网络的关键技术与挑战1. 能源管理如何合理管理无线传感器节点的能源，是WSN中的一个重要问题。
节点的能耗直接关系到网络的寿命和性能。
研究者们正在努力开发低能耗芯片、优化通信协议和能量收集技术，以延长传感器节点的寿命。
2. 数据传输与处理WSN需要高效的数据传输和处理算法，以应对大量的数据流。
数据压缩、数据聚合和数据处理技术能够减少传输量，并提高网络的能效。
3. 路由与拓扑控制WSN中的节点分布较为密集，传输链路的选择和拓扑控制是保证网络性能和可靠性的关键。
研究者们正在研究多跳路由协议、拓扑控制算法和信号处理技术，以优化网络性能。
4. 安全与隐私保护WSN中的节点通常部署在无人地区，容易受到攻击和破坏。
同时，由于节点传输的数据往往包含用户的隐私信息，如何保证网络的安全性和隐私保护也是一个重要问题。
简述无线传感器网络(WSN)技术
简述无线传感器网络（WSN）技术在物联网中的应用孔祥金摘要：物联网是一种对物品信息进行采集，传输和应用的新型网络技术，实现了对物品的智能化实时监控。
而无线传感器网络技术正是物联网的核心技术之一，可做到实时、多点、高速及智能信息采集，广泛应用于对监控交通、重要货物、工业监测等方面。
本文从物联网的技术及应用两方面入手，概略阐述了无线传感器网络技术在物联网中的应用及其重要作用。
关键词：物联网；无线传感器网络；传感器；物联网（Internet of Things，IOT）是近几年迅速崛起，并被高度关注的一项物与物相连接的互联网技术。
物联网的发展极大地促进了全球一体化的进程，缩短了世界的距离。
我国也十分重视物联网技术的开发与应用，将物联网产业列为了我国重点发展的五大战略性新兴产业之一。
一、物联网技术1、关键技术物联网技术是集射频识别技术（RFID）、无线传感器网络技术（WSN）和互联网技术于一体的一种新型网络技术。
它可以实现物品的识别、定位、监控和管理等功能。
（1）射频识别技术（RFID）射频识别技术是一种利用射频信号空间耦合实现信息传递并进行识别的技术。
该技术的优点是可实现无接触信息传递，识别过程无需人工干预，可在恶劣环境下工作，可识别高速运动物体及同时识别多个物体。
RFID标签因其存储量大和可反复读写的特点，被誉为即传统条形码标签后的下一代标签。
（2）无线传感器网络技术（WSN）无线传感器网络技术是综合了包括传感器技术、现代网络技术及无线通信技术在内的多种技术于一体的感知及传输系统。
能够实时监测、感知并采集对象信息。
无线传感器网络是由数据获取网络、数据分布网络以及管理控制中心三大部分组成。
主要组成部分是由传感器、数据处理单元和通信模块组成的无线传感器节点。
各节点对数据进行采集和优化后再经分布式网络将数据传送给信息处理中心。
（如图1）图 1 无线传感器节点无线传感器网络与传统监控系统相比具有明显优势。
如无线传感器网络技术可采用点对多点的无线网络连接，节点具有自检功能，单个节点集成大量功能的优点，大大提高了系统的安全性与可靠性，并减少了系统成本。
什么是无线传感器网络(WSN)？
・ ９到 ３ Ｖ外部 电源供 电 ０
可编程网关
・ ａ ＶｌＷ 实 时目标 Ｌ ｂ Ｅ
・５３ ３Ｍ Ｈｚ处理器
每 个 网关 在 不 同的无 线通 道 中进 行 通信 。 你 可 以连 接 ８个 Ｗ Ｓ 终端 节点 （ Ｎ 在星 形
拓 扑 中 ）或 者 多达 ３ ６个 Ｗ Ｓ 节点 （ Ｎ 在 网状拓扑 中）至 Ｗ Ｓ 网关 。你可 以为 Ｎ Ｎ ｌ Ｗ Ｓ 选择两种 网关。 Ｎ
面 故 事
是无线传 感器 网络 （ ） ＷＳ ？ Ｎ
无线传感器 网络主要 由三个部分组成 ：节点 、网关和软件 ，空间分布的测 量节点通 过与传感器连接列 周围环境进
行 监控 ，监测 到的数据无 线发送 至网关 ．网关可 以与有线 系统 相连接 ，这样 就能使 用软件对 数据 进行采集 １ １ 、加 Ｉ Ｉ 、分析和显示。路 由器是一种特别的测 量节点 ．你可 以使用它在ＷＳ Ｎ中延长距离以及增 加可 靠性 ，
还要了解供应 商所选定的某种基于文本
的 编 程 语 言。 但 有 了 Ｌ ｂ ＩＷ Ｗ Ｓ ａ ＶＥ Ｎ
・ 持Ｊ 支 、Ｋ、Ｒ、Ｓ、Ｔ 、Ｎ、Ｂ Ｅ 电 和 热 偶 类型
Ｐｏ ｅ ｒ 你 只需 要 使 用 同一 种 图 形 化 ｉｎ ｅ，
编 程 方法 就可 以 为 Ｎ 的 无线 传 感 器节点 Ｉ
ＷＳ Ｎ架构
你可以使 用 ＮＩ Ｓ Ｎ平台灵活的创建 简单而独立的无线监 控 Ｗ 网络， 也可 以创建 一个 集成 了有线和 无线 测量 的完 整测 试 系统，
而且 只需要用 Ｌ ｂ ｌｗ 开发环境就 可以访 问所 有的 ＮＩ ａ ＶＥ 平台。
基本 的 ＷＳ Ｎ架构
对于 大 多数 的 Ｗ Ｓ Ｎ应 用 来说 ，你 只需 要创 建一 个基 本 的
第5章无线传感器网络传输层协议
（1）基本思想
PSFQ协议要求：用户节点将数据分割成多个报文传输，每个报文被单独 当做一个分组，每个报文包含一些基本的消息，如剩余跳数TTL（TimeTo-live）、报告位、当前报文序号、文件所在报文的序号等。每一个用个 节点按照报文分割后的顺序，每隔一段固定的时间广播一个新的报文分组， 直到所有的报文都发送出去为止。
第五章 无线传感器网络传输层协议
无线传感器网络传输层协议概述 无线传感器网络传输层关键问题 无线传感器网络传输层协议分类 典型无线传感器网络传输层协议 无线传感器网格体系
第五章 无线传感器网络传输层协议
无线传感器网络传输层协议概述
➢传输层是是最靠近用户数据的一层，主要负责在源和 目标之间提供可靠的、性价比合理的数据传输功能。为 了实现传输层对上层透明，可靠的数据传输服务，传输 层主要研究端到端的流量控制和拥塞的避免，保证数据 能够有效无差错地传输到目的节点。
典型无线传感器网络传输层协议—— ESRT的ES局R限T性：
ESRT要求Sink节点通信范围必须能够覆盖整个网络，对Sink节点 的硬件要求非常高，对于大规模的无线传感器网络来说，实现比 较困难。
Sink节点没有考虑到各个节点的优先级信息，对所有节点采取统 一的调配方案，假设节点在某个局部地区任务突然增加，ESRT 就不适用了。
➢检测下一跳节点拥塞度是为了使分流之后形成的链路不会形成新的拥 塞，从而浪费时间和能量。检测下一跳节点的剩余能量值是为了避免新 链路形成以后节点因为能量耗尽而导致链路失效的情况发生。
第五章 无线传感器网络传输层协议
无线传感器网络(WSN)
无线传感器网络（WSN）摘要：无限传感器是一种以通信为中心无线网络。
通过使用无线传感器网络人们可以实现信息的快递、大范围、自动化的采集和传输。
它可以广泛的应用于国防军事、环境监测、物流领域、高效农业、智能交通、医疗保健、制造业等领域。
关键词：1.无线传感器网络的简介随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微机电系统制造技术的飞速发展，具有感知、计算存储和通信能力的微型传感器应用于军事、工业、农业和宇航各领域。
无线网络传感器是集传感器执行器、控制器和通信装置于一体，集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源（计算、存储和能源）受限的嵌入式设备。
由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息，并对这些信息进行处理，传送给需要这些信息的用户。
无线传感器网络（WSN）是由大量的具有通信和计算能力的微笑传感器节点，以无线的方式连接构成的自治测控网络。
一种普遍被接受的无线传感器网络的定义为：大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络，其中节点是同构的，成本较低、体积较小，大部分节点不移动，被随意散布在工作区域，要求网络系统有尽可能长的工作时间。
一个典型的无线传感器网络的系统架构包括分布式无线传感器节点（群）、接受发送器汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点等。
无线传感器具有价格低廉、体积小、组网方便、灵活等特点。
从21世纪开始，无线传感器网络成为多学科交叉前沿研究热点，引起了世界各国的极大关注。
WSN由具有传感器模块、数据处理模块、交换路由模块和无线通信模块等大量传感器节点，通过交换传输组成多跳的自组织、自学习无线通信网络系统，把感知对象的信息发送给控制着。
WSN已成为一种全新的信息获取、处理、传输和控制系统，并在军事、工业、商业、医疗、灾害预报等领域有着广阔应用前景。
WSN经历了从智能传感器、无线智能传感器到无线传感器网络的3个发展阶段。
无线传感器网络(WSN)技术
3.GPRS网络
这是一种基于GSM系统的无线分组交换技术,提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗的讲,GPRS是一项高速数据处理的科技,方法是以“分组”的形式传送资料到用户手上。虽然GPRS是作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术,但是它在许多方面都具有显著的优势。
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无线传感器网络（WSN）技术
无线传感器网络（Wireless Sensor Network,简称WSN）的基本功能是将一系列空间分散的传感器单元通过自组织的无线网络进行连接,从而将各自采集的数据通过无线网络进行传输汇总,以实现对空间分散范围内的物理或环境状况的协作监控,并根据这些信息进行相应的分析和处理。
无线传感器网络(WSN)的设计与部署
无线传感器网络（WSN）的设计与部署无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是指由大量分布在监测区域的低功耗无线传感器节点组成的网络系统，用于感知、采集、处理并传输环境中的各种信息。
WSN被广泛应用于环境监测、智能农业、工业控制、智能交通等领域。
本文将探讨WSN的设计与部署的关键要点。
一、网络拓扑结构的选择在设计WSN时，选择适合的网络拓扑结构是至关重要的。
常见的拓扑结构包括星型、树型、网状和混合型。
星型拓扑结构简单明了，适用于小范围监测；树型拓扑结构适用于具有层次结构的监测区域；网状拓扑结构适用于大范围监测需求；而混合型拓扑结构则是以上结构的组合。
根据具体需求和监测区域的特点，选择合适的拓扑结构是设计WSN的首要任务。
二、能量管理与优化WSN中的传感器节点通常由电池供电，能量管理与优化是延长网络寿命的关键。
首先，对传感器节点的能耗进行评估，了解节点在不同操作模式下的能耗情况，从而制定合理的能量管理策略。
其次，选择低功耗的传感器节点和无线通信模块，降低每个节点的能耗。
此外，优化数据传输协议，减少无效数据传输和通信冲突，以提高能源利用效率。
综合考虑这些因素，能量管理与优化是设计与部署WSN的重要考虑因素。
三、传感器节点的部署策略传感器节点的部署策略直接影响到整个网络的性能和覆盖范围。
在进行节点部署时，需要考虑以下几个因素。
首先，根据监测区域的大小和形状，确定节点的空间布局方式。
其次，考虑传感器节点的部署密度，以满足监测要求。
此外，节点的布置应避免障碍物和信号干扰，以保证数据的准确传输。
通过科学合理的部署策略，可以充分利用有限的资源，提高网络的监测效果和覆盖范围。
四、数据传输与处理WSN的数据传输与处理是实现监测目标的关键环节。
首先，需要确定数据传输的方式，根据实际需求选择无线传输或有线传输。
其次，设计合理的数据采集与处理算法，确保数据的准确性和实时性。
对于大规模的监测数据，可以采用数据压缩与聚合技术，减少数据传输量，降低网络负载。
无线传感器网络
无线传感器网络无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）指采用无线通信技术将大量分布式的无线传感器节点进行网络互联，并通过节点之间的协同工作实现对环境信息的采集、处理、传输和应用的一种网络系统。
它具有低成本、低功耗、分布式、自组织等特点，在环境监测、智能交通、物流管理等领域有着广泛的应用前景。
一、无线传感器网络的概念与组成无线传感器网络是由大量的无线传感器节点组成的分布式网络系统。
每个节点都具有感知环境、处理数据和进行通信的能力，可以通过无线通信方式与其他节点进行数据交换和协同工作。
节点之间通过无线信道进行数据传输，形成了一个覆盖范围广、布局灵活的网络。
无线传感器网络的组成主要包括以下几个要素：1. 无线传感器节点：每个节点包含感知器、处理器、无线通信模块和电源等组件。
它们能够感知环境中的各种物理量，如温度、湿度、压力等，并将采集到的数据进行处理和传输。
2. 网络拓扑结构：是指无线传感器节点之间的连接方式。
常见的拓扑结构有星型、多跳、分簇等，不同的拓扑结构适用于不同的应用场景和需求。
3. 路由协议：用于节点之间的数据传输和通信，实现节点之间的协作和信息交换。
常见的路由协议有LEACH、TBRPF等，选择合适的路由协议对于网络性能和能耗有着重要的影响。
4. 数据处理与存储：无线传感器网络中的节点通常会对采集到的数据进行处理和存储，以便后续分析和应用。
节点可以通过数据压缩、聚合等方式减少数据的传输量，并采用存储技术将数据保存在本地或云端。
二、无线传感器网络的应用领域无线传感器网络在许多领域都有着广泛的应用，下面列举了一些典型的应用领域：1. 环境监测：无线传感器网络可以用于实时监测环境中的温度、湿度、气体浓度等参数，对环境变化进行监测和预警。
这在农业、气象、能源等领域都有着重要的应用价值。
2. 智能交通：无线传感器网络可以用于交通状况的实时监测和智能调度，提高交通效率和安全性。
无线传感器网络(WSN)技术
无线传感器网络(WSN)技术无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是由大量分布式传感器节点组成的自组织、具备自动感知、处理、通信和控制功能的无线网络系统。
其特点是智能化、自组织、自适应和自愈合等，可以应用于环境监测、智能交通、灾害预警等领域，是物联网技术的重要组成部分。
一、WSN技术的概念与特点1、WSN技术的概念WSN技术是指将大量的分布式传感器节点组成的自组织、具备自动感知、处理、通信和控制功能的无线网络系统。
WSN 中的每个节点都具备感知环境信息和自我组织的能力，通过互相通信完成数据收集和处理，以实现对环境的全面感知和有效控制。
2、WSN技术的特点（1）智能化：WSN中的节点都具备感知和处理环境信息的能力，通过自适应和自我组织的算法实现智能化的数据处理和控制。
（2）自组织：WSN的节点通过互相通信、相互协作，自组织形成一种分布式网络结构，实现自我管理和自我调节的能力。
（3）自适应：WSN通过自适应算法实现网络拓扑结构的自动调整，保证网络稳定性和可靠性。
（4）自愈合：WSN中的节点可以根据网络拓扑结构的变化自我调整，保证网络的稳定性和可靠性。
二、WSN技术的应用场景WSN技术可以应用于如下领域：1、智能交通系统WSN可以应用于智能交通系统中，通过无线传感器节点对车辆、路况等进行监测和控制，实现智能化的交通管理和调度。
2、环境监测WSN可以应用于环境监测中，通过无线传感器节点对环境因素进行感知和数据采集，掌握环境变化情况，及时预警并采取相应措施。
3、智能医疗系统WSN可以应用于智能医疗系统中，通过无线传感器节点对病人体征进行实时监测和记录，实现智能化的医疗管理和控制。
4、灾害预警WSN可以应用于灾害预警中，通过无线传感器节点对地震、火灾等灾害进行实时监测和预警，及时采取措施，减轻灾害损失。
三、WSN技术的实现方法和算法1、WSN技术的实现方法WSN技术的实现方法包括节点硬件设计、节点软件设计和网络协议设计三个方面。
无线传感器网络 Wireless Sensor Networks(WSNs)
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（3）人居环境监视[3]
在一个标准的电源插线板上扩充了各种传感 器和无线收发器，一个微处理器控制所有的 部件，成为一个plug节点。
利用plug节点的多模式感知能力，可以较 准确地推断发生的事件。
所有plug节点构成普适计算环境中的骨干 网，可以了解到plug网络所在环境的活动 情况
三角测量法（triangulation）：使用三角函数 来计算节点位置。
最大似然估计法（Maximum Likelihood estimation）：通过最小化测量距离和估计距 离之间的差异来估计节点位置
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距离（角度）融合的图示
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三角测量转化为多边测量
知道参考节点A、B的位 置及未知节点D到AB的 角度，则D位于以O为圆 心的圆周上，其中∠AOB = 2∠ADB。
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几何约束法（续）
计算包含重叠区域的最小矩形，矩形的中心作为节点 的位置估计值。
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（3）基于DV的定位算法[8]
如何在参考节点稀疏的网络中进行节点定位？ 基本思想：
参考节点附近的节点通过直接测量 的方法获得到 参考节点的距离，传播给其邻居节点；
邻居节点据此估计自己到参考节点的距离，再传播 给其邻居；依次类推。
手工为每个节点设定位置不可能， GPS定位系统 无法大规模应用到传感器节点上。
传感器节点依靠相互之间的协作来确定各自物理 位置的过程，称为节点定位。
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节点定位算法的分类
绝对定位和相对定位：
绝对定位：网络中存在已知位置的参考节点 （锚节点），所有节点根据参考节点确定自己 的位置，所有节点使用同一个坐标系。
统
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第5章 WSN无线传感器网络安全
2021/10/10
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5.1 无线传感器网络安全概述
2. 链路层的攻击和防御
• 数据链路层为邻居节点提供可靠的通信通道,在 MAC协议中,节点通过监测邻居节点是否发送数据 来确定自身是否能访问通信信道。
• 恶意节点会有计划的重复占用信道，造成载波冲 突，消耗正常节点的能量。载波冲突是一种有效 的DOS攻击方法。
路由以保证网络的安全。 • 当节点的安全等级达不到要求时，就会自动从路
由选择中退出以保证整个网络的路由安全。 • 可通过多路径路由算法改善系统的稳健性。 • 可通过前向纠错技术重建数据。
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5.1 无线传感器网络安全概述
（2）把着重点放在安全协议方面。假定基站总是正常 工作的,并且总是安全的, 通过端到端的加密保证数 据传输的安全性。
H(Pi+1) H(Pi+2)
MAC
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5.1 无线传感器网络安全概述
5.1.3 无线传感器网络的安全分析
1. 物理层的攻击和防御 • 物理层中安全的主要问题就是如何建立有效的数
据加密机制,由于传感器节点的限制,其有限计算 能力和存储空间使基于公钥的密码体制难以应用 于无线传感器网络中。 • 尽量要采用轻量级的对称加密算法，性能最优的 对称加密算法是RC4。
证K0=F(F(K2))，并得到K1=F(K2)，这时可用K1来
验证P1和P2的完整性，利用K2来验证P3的完整性。
2021/10/10
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5.1 无线传感器网络安全概述
• 基本的流认证协议
P1
P2
Pn
Pn+1
M1
M2
Mn
H(P n)
H(P1)
移动通信的无线传感器网络
移动通信的无线传感器网络无线传感器网络（WSN）是一种基于无线通信技术的分布式网络系统，其中包含大量的无线传感器节点。
这些传感器节点能够感知、采集和传输环境中的各种信息，并通过无线通信进行数据交换和协作。
移动通信的无线传感器网络（Wireless Sensor Network for Mobile Communications，简称WSNMC）则是将传感器网络与移动通信技术相结合的一种创新形式。
I. WSNMC的概述移动通信的无线传感器网络利用无线传感器节点与移动通信技术相结合，具备了传感器网络和移动通信的双重优势。
传感器节点的布设范围更广泛，可以覆盖大面积的区域，并能够灵活地进行部署和移动。
同时，移动通信技术的引入使得传感器节点之间可以进行更为高效的数据交换和协作，实现实时监测、数据传输和资源共享等功能。
II. WSNMC的关键技术1. 无线传感器节点技术移动通信的无线传感器网络的关键组成部分是无线传感器节点。
这些节点具备数据采集、数据处理和无线通信等功能，通常由感知单元、处理单元、无线通信单元和电源单元等部分构成。
传感器节点的设计需要考虑功耗控制、通信距离、传感器选择以及数据处理能力等因素。
2. 移动通信技术移动通信技术在无线传感器网络中的应用为传感器节点之间提供了高效的数据交换和协作的能力。
常见的移动通信技术包括蜂窝网络、Wi-Fi、蓝牙和ZigBee等。
通过与传感器节点的集成，传感器网络可以通过移动通信技术实现更远距离的数据传输、数据共享和资源管理等功能。
III. WSNMC的应用领域移动通信的无线传感器网络在许多领域都有广泛的应用前景。
以下是几个典型的应用领域：1. 环境监测移动通信的无线传感器网络可以用于环境监测领域，用于测量和监控环境参数，如温度、湿度、气体浓度等。
传感器节点可以通过移动通信技术，将所采集到的环境数据实时传输到中心节点，进而实现对环境的监测和预警。
2. 物流与仓储管理移动通信的无线传感器网络可以在物流与仓储管理领域发挥重要作用。
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一、节点结构
图5.1 传感器节点体系结构
一、节点结构
传感器模块负责监测区域内针对特定观测对象 和物理信号的采集和数据转换。 处理器模块负责控制整个传感器的硬件，存储 和处理本身采集的或其它节点发来的数据。 无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线 通信，交换应用数据和网络管理控制数据。 能量供应模块为传感器节点提供运行所需要的 能量，通常采用微型电池供电。
五、协议结构
传输层
在多种类型数据传输任务的前提下保障各种数据的 端到端的传输质量。
应用层
包括一系列基于监测任务的应用层软件。应用层的 传感器管理协议、任务分配和数据广播管理协议以及传感 器查询和数据传播管理协议是传感器网络应用层需要解决 的三个潜在问题。
五、协议结构
特点：
网络协议结构是网络的协议分层以及网络协 议的集合, 是对网络及其部件所应完成功能的定 义和描述。对无线传感器网络来说, 其网络协议 结构不同于传统的计算机网络和通信网络。相对 已有的有线网络协议栈和自组织网络协议栈，需 要更为精巧和灵活的结构，用于支持节点的低功 耗，高密度，提高网络的自组织能力、自动配置 能力、可扩展能力和传感器数据的实时性保证。
四、WSN发展历史
④ 加州大学伯克利分校（UC Berkeley）于1999年在 DARPA的资助下开始进行Smart Dust项目的研究。 ⑤ 无线传感器网络技术最先在空间探索领域和军事领域 上得到展开，如2000年被美国国防部定为国防部科学 技术五个尖端项目之一Smart Sensor Web项目。 ⑥ 在民用方面，2002年10月24日，Intel公司发布了“基于 微型传感器网络的新型计算发展规划”。 ⑦ 日本总务省在2004年3月成立了泛在传感器网络调查 研究会，该研究会的主要目的就是对无线传感器网络 的研究开发课题、标准化课题、社会的认知性和该技 术推进政策等进行探讨。
五、协议结构
(a) 图 5.8 无线传感器网络协议结构
(b)
五、协议结构
物理层
无线传感器网络的传输介质可以是无线、红外或者 光介质。
数据链路层
数据链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测、 媒体接入和差错控制。数据链路层保证了传感器网络内点 到点和点到多点的连接。
五、协议结构
网络层
传感器网络节点高密度地分布于待测环境内或周围。 在传感器网络节点和接收器节点之间需要特殊的多跳无线 路由协议。无线传感器网络的路由算法在设计时需要特别 考虑能耗的问题，传感器网络的网络层设计的设计特色还 体现在以数据为中心。
二、环境观测与预报领域
三、空间、海洋探索
借助于航天器布撒的传感器节点实现对星球表面大范围、 长时期和近距离的监测和探索，是一种经济可行的方案。
图5.11 美国宇航局空间探索计划中无线传感 器网络应用模式示意图
图5.12水下无线传感器网络技术示意图
四、工业领域
无线传感器网络可用于煤矿、石化、冶金行业等工业领 域中的危险环境。
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。
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5.3 无线传感器平面网络结构
① 平面网络结构
特点：
拓扑结构简单，易维护，具有较好的健壮 性，事实上就是一种Ad Hoc网络结构形式。由于 没有中心管理节点，故采用自组织协同算法形成 网络，其组网算法比较复杂。
② 分级网络结构
分级网络结构（也称层次网络结构）是平面网 络结构的一种扩展拓扑结构，网络分为上层和 下层两个部分：上层为中心骨干节点；下层为 一般传感器节点。
图5.5 无线传感器网络混合网络结构
③ 混合网络结构
特点： 拓扑结构和分级网络结构不同的是一 般传感器节点之间可以直接通信，可不需 要通过汇聚骨干节点来转发数据。这种结 构同分级网络结构相比较，支持的功能更 加强大，但所需硬件成本更高。
④ Mesh网络结构
Mesh网络结构是一种新型的无线传感器网络结 构，从结构来看，Mesh网络是规则分布的网络 ，不同于完全连接的网络结构，该结构中通常 只允许和节点最近的邻居通信，网络内部的节 点一般都是相同的，因此Mesh网络也称为对等 网。
二、什么是无线传感器技术？
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ss Sensor Network，WSN）是由一组稠密布置、随 机散布的传感器节点构成的无线自组织 网络，其目的是协作地感知、采集和处 理网络覆盖的地理区域内感知对象的信 息,并将其提供给用户。 构成无线传感器网络的三个要素：传感 器节点、感知对象、观察者
三、拓扑结构
通常将网络中的主机、终端和其他通信 控制与处理设备抽象为结点；将通信线 路抽象为线路，而将结点和线路连接而 成的几何图形称为网络的拓扑结构。 常用的拓扑结构有平面网络结构、分级 网络结构、混合网络结构和Mesh网络结 构。
① 平面网络结构
平面网络结构是无线传感器网络中最简 单的一种拓扑结构，所有节点为对等结 构，具有完全一致的功能。
五、WSN的特点和优点
③ 节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的 性能指标； ④ 多节点联合，可形成覆盖面积较大的实时探测区 域。借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑 结构的调整能力，可以有效地消除探测区域内的 阴影和盲点。
六、发展趋势
未来研究方向
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ 节点进一步微型化 寻求更好的系统节能策略 进一步降低节点成本 提高传感器网络安全性和抗干扰能力 提高节点的自动配置能力 完善高效的跨层网络协议栈 网络的多应用和异构化 进一步与其他网络的融合
四、WSN发展历史
国外
① 最早的传感器网络出现在上世纪七十年代，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，我们称之为第一代传感器网络。 ② 1993年，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）联合 rockwell研究中心在 DARPA的资助下开始进行了 WINS（Wireless Integrated Network Sensors）的项目 研究。 ③ 1996年起麻省理工学院(MIT)进行了 µ AMPS(Micro.Adaptive Multi.domain Power.aware Sensors)项目的研究。
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。
五、WSN的特点和优点
特点
① 网络规模大 ② 节点微型化 ③ 动态性 ④ 自组织 ⑤ 可靠性 ⑥ 时效性 ⑦ 以数据为中心 ⑧ 应用相关性强
五、WSN的特点和优点
优点
① 分布节点中多角度和多方位信息的综合，有效地 提高了对被监测区域的观测的准确度和信息的全 面性； ② 传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系 统提供了较强的容错能力。即使在极为恶劣的应 用环境中，监控系统也可以正常工作；
图5.17 基于无线传感器网络技术的人体行为监测系统
七、建筑领域
无线传感器可用于建筑施工及后期使用过程的安全监测， 包括对珍贵文物的保护。
图5.18 基于无线传感器网络的桥梁结构监测系统
图5.19 将无线传感器网络应用在珍贵文物的保护场地
八、其他领域
智能交通控制管理 安防系统 仓储物流管理 智能家居系统
图5.4 无线传感器分级网络结构
② 分级网络结构
特点：
结构扩展性好，便于集中管理，可以降低 系统建设成本，提高网络覆盖率和可靠性，但是 集中管理开销大，硬件成本高，一般传感器节点 之间可能不能够直接通信。
③ 混合网络结构
混合网络结构是无线传感器网络中平面结构和 分级结构的一种混合拓扑结构，网络骨干节点 之间及一般传感器节点之间都采用平面网络结 构，而网络骨干节点和一般传感器节点之间采 用分级网络结构。
四、WSN发展历史
国内
① 无线传感器网络及其应用研究被记录在1999年发表的 中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信 息与自动化领域研究报告中。 ② 2001年，微系统研究与发展中心成立。 ③ 2002年~2008年，中国国家自然基金共支持传感器网 络相关的面上项目111项，重点项目3项；国家 “863”重点项目发展计划共支持面上项目30余项， 国家重点基础研究发展计划“973”也设立2项与传感 器网络直接相关的项目。