概述 《无线传感器网络技术》

管理系统
• 高效、高质量的智慧医疗解决现在城乡医疗资源不平衡，和大医院的拥 挤情况，政府付出更少的成本去提高对于医疗行业的监督，提高国民的 生活质量，促进社会和谐发展
26
传感器网络的应用-家居
27
当前家居环境存在的问题
• 家居能耗过高 • 家庭安防手段落后 • 家用电器使用不便
28
海尔“物联之家”
19
传感器网络的应用——军事
20
传感器网络的应用——军事
——短距感知、抵近侦察
• 大量传感节点对目标进行短距协同感知, 将是传统侦察手段的有益补充。
无线传感网是对雷达和卫星等远 程侦察手段的有益补充，为部 侦用户提供有力的技术手段。
21
军用无线传感网战场感知系统的优点
•
ຫໍສະໝຸດ Baidu• •
多传感器节点中多角度和多方位信息的综合有 效地提高了信噪比；
29
传感器网络的应用-智能楼宇
30
传感器网络的应用-商用
31
传感器网络的应用-智能交通
32
传感器网络的应用-电力输送
• 在电度表上装上传感器，供电部门随时都可知道 用户的用电情况。 • 江西省电网对分布在全省范围内的2万台配电变 压器的运行状态进行实时监测，实现用电检查、 电能质量监测、负荷管理、线损管理、需求侧管 理等高效一体化管理，一年降低电损1.2亿千瓦 时。
如上图所示：位于城市的地震传感器当接收到距城市120km外 的震中地区传递过来的P-Wave时，将从P-Wave中提取的地震信 息传递给城市的地震预警中心。由于P-Wave和S-Wave之间的速 率差，因此地震预警能在S-Wave到达前40秒对城市进行地震警 报。
日本、墨西哥、台湾等地震预警系统的应用
(b) 改变后的Ad hoc的物理结构与拓扑结构
13
无线传感网络
LWLM Smart Dust
无线传感器网络 WSN
微型智能传感器 微机电技术 MEMS UGS 无线自组网 Ad hoc 无线分组网 PRNET
无线传感器
无线通信技术
传感器 Sensor
14
我们为什么要学习传感网？ 传感网是物联网的感知技术
– 学术研究：
• 国际会议
• 中国期刊网
– ACM SIGCOMM, Mobicom, Mobihoc – IEEE INFOCOM、ICNP、Sensys, SECON, MASS，IPSN、ICC、 GLOBECOM、ICCCN， WCNC、VTC – 通信学报、电子学报、软件学报、计算机学报等
37
WSN在地震监测中的应用
两者的不同之处: 内涵不同 传感网更多的强调的是通过传感器实现感知、自治互联、数据上报； 物联网则是传感网、RFID与互联网、蜂窝网以及现有其它通信网络 设施高效融合的产物；物联网实现的是物与物、人与物、人与自然之 间的对话与交互，是连接虚拟信息世界与物理世界的网络系统。 体系架构不同 物联网从宏观上看在网络架构上可以分为三层：感知层、网络层和应 用层；传感网只是其中的一层。 发展阶段不同 传感网是物联网的初级阶段，物联网是由传感网泛在化发展的高级阶 段，而传感网与互联网、蜂窝网等的融合是物联网发展的必经阶段 物联网的发展大致需要经历独立的传感网、传感网泛在化和物联网融 合深化发展三个过程，最终形成一个融合传感网、互联网、移动蜂窝 网等现有主要通信网络的全面感知高度智能网络 17
36
WSN在地震监测中的应用
地震预警
台湾（ Taiwan Railway System ）） 墨西哥（ Seismic Alarm System 土耳其 (Istanbul Earthquake Rapid
地震预警系统
Response and Early Warning System) 1991年8月投入使用， 2005年发明了一种新型
9
无线传感器网络
无线网络： 有基础设施网（无线分组网） 无基础设施网 ad hoc网络 WSN 无线网络的发展历程： 无线分组网 -> 无线自组网 ->无线传感器网络
10
无线分组网
•
• • • •
分组无线网是一种利用无线信道进行分组交换的 通信网络，即网络中传送的信息要以“分组”或者 称“信包”为基本单元。 分组是由若干比特组成的信息段。通常包含“包 头”和“正文”两部分。 包头中含有该分组的源地址、宿地址和有关路由 等信息等。正文是真正需要传送的信息。 适用特点：分组无线网特别适用于实时性要求不 严和短消息比较多的数据通信。 网络结构：星形结构 分布式结构
4
参考网址
• • • • www.google.com scholar.google.com http://ieeexplore.ieee.org http://portal.acm.org/dl.cfm http://lib.nuaa.edu.cn/
5
第一章 无线传感器网络综述
•
• • •
WSN定义
2
课程内容
32课时
• • • • •
第一部分 无线传感器网络综述 第二部分 无线传感器网络体系架构 第三部分 通信和组网技术 第四部分 支撑技术 第五章 通用技术等
3
参考文献
• 国际杂志 – 综述性质
• IEEE Communications Magazine – Ad Hoc and Sensor Network Series • IEEE Network Magazine • IEEE Wireless Communications • • • • • • • IEEE/ACM Transactions on networking, Computer networks IEEE Transactions on Wireless Communications IEICE Transactions on Communications (ACM/Springer) Wireless Networks Ad Hoc networks IEEE Transactions on Mobile Computing
12
N1
无线自组网的基本概念
• Ad hoc网络 物理结构与 拓扑结构
N3 N2
N1
N2
N3
• • • • •
自组织与独立组网 无中心 多跳路由 动态拓扑 无线传输的局限与节点能量的 限制性 • 网络生存时间的限制
N4 N4 N5
N5
(a) Ad hoc的物理结构与拓扑结构
N2 N2 N1 N3 N3 N4 N4 N5 N5 N1
第一章 无线传感器网络综述
•
• • •
WSN定义
WSN应用和行业现状 WSN国内外标准化 WSN发展趋势
18
传感器网络的各种应用
• 无线传感器网络（WSN, Wireless Sensor Network）将大量各种传感器节 点组成网络，形成实现对物理世界感知的综合信息系统。 • 雷达、卫星等：宏观远程侦察； 传感网： 微观近距侦察 • 移动通信网络：人人互联； 传感网： 人与物、物与物互联 • 互联网：虚拟信息空间； 传感网： 现实物理世界 • 物联网：连接； 传感网：感知
无线传感器网络
郝洁
南京航空航天大学 办公室：计算机学院104 电子邮件: haojie@nuaa.edu.cn
1
课程目标
通过本课程的学习，了解无线传感器网络的关键 技术、现状及前景。 课程将讲授无线传感器网络典型应用、体系结构、
组网、软件、支撑技术的基本原理、关键技术、
设计方案及其应用。通过本课程的学习，要求学 生理解无线传感器网络中的主要问题和核心技术， 结合实验课程学习无线传感网应用开发为以后的 学习和工作打下基础。
WSN国内外现状 WSN国内外标准化 WSN发展趋势
6
1.1 WSN定义
什么是无线传感器网络（WSN, Wireless Sensor Network）？ 你知道的应用有哪些？ 我们为什么需要WSN？
7
MICA 2 MOTE
Ref:http://www.xbow.com/Products/Product_p df_files/Wireless_pdf/MICA2_Datasheet.pdf
11
无线自组网
•
• • •
IEEE将无线自组网定义为一种特殊的自组织、 对等式、多跳、无线移动网络（MANET）， 它是在无线分组网的基础上发展起来的 无线自组网有多个英文名称，如Ad hoc network 、Self-organizing network、 Infrastructureless network 与Multi-hop network 1991年5月，IEEE正式采用“Ad hoc网络”术语 Ad hoc在英语中的含义是“for the specific purpose only”，即“专门为某个特定目的、即 兴的、事先未准备的”意思
24
25
病人 医生
智慧医疗意义
• 可以随时掌握自己的健康状况
• 通过电子病历对患者病源的判断进行治一致性治疗，提升诊断的准确性
医疗研究人员
• 通过系统获得大量准确的医疗信息和大量高质量的有效案例，既可以对 大规模的疾病爆发做出准确的预测，更能够推进国家医疗行业的发展
药物供应商
• 实现及时和准确的药品配送而节省大量成本
地震
• 组成
– NCSN在加州北部和中部布设了412座站点，另外有其 它4个机构的100座站点 ，分别装备以下四类节点
• • • • 短周期模拟 宽频带 强震动 井下
35
WSN在地震监测中的应用
地震预警
震源 距离：120km
地震传感器检 测到P-Wave
城市
P-Wave 6.5km/s
S-Wave 3.5km/s
15
传感网与物联网的关系(续)
综合信息 服务：集 感知、计 算、传输 为一体 管道： 仅仅只是 带宽的增 加（信息 的传输） 未来“U社 会”与“e 社会”的 根本差别
16
应用层
核心网 络
感知层
16 ITU提出：传感网是物联网的底层支撑，IEEE、ISO、IEC 等标准化组织认可
传感网与物联网的关系(续)
能源输送
33
传感器网络的应用-桥梁监控
桥梁监控
34
WSN在地震监测中的应用
地震预测 • 美国国家地震系统 1.大量、长期、自动化采集数据 北加州地震网络 （ Northern California (Advanced National Seismic System) 分布及未来 Seismic Network，NCSN） • 布设由 2.大范围，低成本，高准确 • 7000个地震传感器系统组成的国家范围网络，为全国提供地震 • 目的： 灾害服务，密集覆盖26个危险城市地区 • 3. 实时性，连续获取地震前兆数据 – NCSN 用来监测所有的信号强度在微弱震动以上的本地
sink Network Sensor node Internet/ Satellite sink
Management Center
8
定义
• 无线传感器网络（Wireless sensor networks） 是由大量静止／移动的传感器以自组织和 多跳的方式构成无线网络，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。 • 传感器技术、计算机技术和通信技术是现 代信息技术的三大基础技术
23
传感器网络的应用-健康
• 远程监控人体的生理数据（心脏速率、血压）
– 采集的数据通过网络送到负责病人的主管医生 – 病人获得极大的行动自由度
• • • •
跟踪和监督医院内的病人和医生 医院的药物管理 正确地识别病人的敏感反应避免误诊 老人家庭环境下的护理 (tele-care)
– 随着社会老龄化的加剧而日趋重要
传感网低成本、高冗余的设计与部署原则为系 统提供较强的容错能力； 传感器对目标的抵近探测大大消除了环境噪声 对感知性能的影响；
•
•
传感网中多传感器的联合应用与融合决策有利 于提高探测准确度；
多节点协同感知，可以加大实时探测区域；
22
传感器网络的应用——环境
• 森林火险监测 • 洪水监测 • 精确农耕 • 大气监测 • 环境的生物复杂性地图
• 学术界、产业界对“物联网”尚未形成一个统一的定义 • 物联网(IoT, Internet of Things)指的是将各种信息传感设 备,如射频识别(RFID)装置、传感器等种种装置与互联网、 移动通信网结合起来而形成的一个巨大“物—物”互联网 络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起,方便识 别和管理 • 物联网感知物理世界! – 强调的是“感”和“知”两个层面