无线传感器网络技术原理及应用-ppt课件-第1章
合集下载
无线传感器网络技术概论(施云波)第1-4章章 (4)
有了硬件的低功耗模式，还需要搭配软件节能策略来 实现节能。软件节能策略的核心就是尽量使节点在不需要工作 的时候进入低功耗模式，仅在需要工作的时候进入正常状态。 除了单个节点要进行节能外，整个网络也需要均衡不同节点间 的能量消耗，以保证系统的整体生命周期足够长。一方面，
第4章 无线传感器网络感知节点技术
纳起来主要有硬件平台和软件程序两大类。因此，在设计感知 节点的硬件平台和软件程序时应考虑以下四个方面：
1．低成本与微型化 低成本的节点才能被大规模部署，微型化的节点才能使
第4章 无线传感器网络感知节点技术
部署更加容易。低成本与微型化是实现传感器网络大规模部署 的前提。通常，一个传感系统的成本是有预算的。在给定预算 的前提下，部署更多的节点、采集更多的数据能大大提高系统 的整体性能。因此，降低单个节点的成本十分重要。节点的大 小对系统的部署也会产生极大的影响。就目标跟踪系统(如 VigiNet)而言，微型化的节点能以更高的密度部署，从而提高 跟踪的精度；就医疗监控(如Mercury)而言，微型化的节点更 容易使用。
第4章 无线传感器网络感知节点技术
但是，传感器节点的性能并没有达到摩尔定律给出的 发展速度。1999年，WeC传感器节点采用8位4 MHz主频的处理 器，2002年Mica节点采用8位7.37 MHz的处理器，2004年Telos 节点采用16位4 MHz的处理器，Telos节点仍然是目前最广泛采 用的传感器节点。
第4章 无线传感器网络感知节点技术
1．太阳能电源 太阳能电源发电有两种方式，一种是光—热—电转换方 式，另一种是光—电直接转换方式。光—热—电转换方式利用 太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的 热能转换成蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转 换过程，后一个过程是热—电转换过程，转换过程与普通的火 力发电一样。光—电直接转换方式的太阳能电源是根据特定材 料的光电性质制成的，这种转换方式的电源也称为太阳能电池， 其原理是利用半导体的光生伏特效应或者光化学效应直接把光 能转化成电能，如图4-3所示。
第4章 无线传感器网络感知节点技术
纳起来主要有硬件平台和软件程序两大类。因此，在设计感知 节点的硬件平台和软件程序时应考虑以下四个方面：
1．低成本与微型化 低成本的节点才能被大规模部署，微型化的节点才能使
第4章 无线传感器网络感知节点技术
部署更加容易。低成本与微型化是实现传感器网络大规模部署 的前提。通常，一个传感系统的成本是有预算的。在给定预算 的前提下，部署更多的节点、采集更多的数据能大大提高系统 的整体性能。因此，降低单个节点的成本十分重要。节点的大 小对系统的部署也会产生极大的影响。就目标跟踪系统(如 VigiNet)而言，微型化的节点能以更高的密度部署，从而提高 跟踪的精度；就医疗监控(如Mercury)而言，微型化的节点更 容易使用。
第4章 无线传感器网络感知节点技术
但是，传感器节点的性能并没有达到摩尔定律给出的 发展速度。1999年，WeC传感器节点采用8位4 MHz主频的处理 器，2002年Mica节点采用8位7.37 MHz的处理器，2004年Telos 节点采用16位4 MHz的处理器，Telos节点仍然是目前最广泛采 用的传感器节点。
第4章 无线传感器网络感知节点技术
1．太阳能电源 太阳能电源发电有两种方式，一种是光—热—电转换方 式，另一种是光—电直接转换方式。光—热—电转换方式利用 太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的 热能转换成蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转 换过程，后一个过程是热—电转换过程，转换过程与普通的火 力发电一样。光—电直接转换方式的太阳能电源是根据特定材 料的光电性质制成的，这种转换方式的电源也称为太阳能电池， 其原理是利用半导体的光生伏特效应或者光化学效应直接把光 能转化成电能，如图4-3所示。
无线传感器网络PPT课件
• 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
第6页/共36页
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
第11页/共36页
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
第12页/共36页
第21页/共36页
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
第22页/共36页
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。
•
第3页/共36页
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）
第5页/共36页
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
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
第6页/共36页
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
第11页/共36页
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
第12页/共36页
第21页/共36页
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
第22页/共36页
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。
•
第3页/共36页
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）
第5页/共36页
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
无线传感器网络的理论及应用PPT教学课件
2020/12/11
13
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
8
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。
2020/12/11
22
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
2020/12/11
3
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。
第1章无线传感器网络概述
第1章 无线传感器网络概述
1.2.2 传感器节点的限制
传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以 下一些实现的约束。 1．电源能量有限 传感器节点体积微小，通常只能携带能量十分有限的电 池。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广， 而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以 传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如 何高效地使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临 的首要挑战。
第1章 无线传感器网络概述
4．可靠性高
传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的 区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒 或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点 往往采取随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域 进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，能 适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感 器节点数目巨大，不可能人工“照顾”到每一个传感器节点， 因此网络的维护十分困难，甚至不可能。传感器网络的通信 保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取 伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒
第1章 无线传感器网络概述
2．通信能力有限
无线通信的能量消耗与通信距离的关系为 E = k· dn 其中，参数n满足关系2 < n < 4。n的取值与很多因素有关， 例如传感器节点部署贴近地面时，障碍物多、干扰大，n的 取值就大；天线质量对信号发射的影响也很大。考虑诸多因 素，通常n取3，即通信消耗与距离的三次方成正比。随着通 信距离的增加，能耗将急剧增加，因此，在满足通信连通度 的前提下应尽量减少通信距离。一般而言，传感器节点的无 线通信半径在100 m以内比较合适。
第1章 无线传感器网络概述
无线传感器网络技术第1章基础PPT课件
设置了高频通讯的若干寄存器，将高频通讯的处理，
简化为对寄存器的简单读、写操作处理。
对这些寄存器进行读、写操作，就可以轻松完成无线 通讯功能。
2020/10/31
江苏大学 机械学院 仪器系
8
无线数据通讯和无线单片机发展背景
➢ 未来嵌入式无线技术市场
短距离/嵌入式无线通讯正在加速产品化，进入我们生活
采用“蓝牙”无线耳机，在美国使用得非常广泛，几乎人手一个 无线键盘和无线鼠标，基本占领了键盘鼠标市场 儿童玩游戏的手柄，已经基本无线化 日本任天堂最新的游戏机采用了带有无线加速度传感器的新手柄。
➢ 短距离无线通讯，目前向两个方面发展：
一是高速度，每秒数据传输量几十/几百M 位。
二是低功耗，一个小小电池，可以用5-10年，象ZIGBEE网络。
➢ 这些发展又在不断地孵化出崭新的应用和产品。
➢ 新标准，新技术，每时每刻都在涌现，我们必须注意跟踪。
2020/10/31
江苏大学 机械学院 仪器系
18
2020/10/31
江苏大学 机械学院 仪器系
14
➢ 学习敢于创新
尝试用学到的单片机和无线通讯的知识，结合各种无 线应用，设计一些自己感兴趣的应用项目。无线单片机应 用范围非常广泛。
用在无线家庭设备，报警设备，遥控设备等。 依据课程的相关电路和软件代码程序，根据自己的应用对象修改设计，
形成新的功能、新的产品。在这个修改、动手设计过程中，会遇到很 多困难，需要解决很多意想不到的难题，克复这些困难，就理解了这 些基本内容的实质。 通过不断地思考-动手-再思考-再创新的循环，就能精通掌握。 也可以通过参加各种竞赛和设计项目，来丰富自己的知识面，加深 对这门课程的理解。
课程重点
传感器_智能传感器与无线传感器网络技术课件
PPT学习交流
6
身边的传感器
PPT学习交流
7
图像传感器
• iPhone7的主摄 像头为1200万 像素，传感器 尺寸为1/2.6， f/1.9光圈以及 1.3μm 的像素 尺寸。。
PPT学习交流
8
声音传感器
• 俗名麦克风。手 机上常用的是驻 极体话筒（电容 式），通过声音 的振动，引起电 容量的改变，来 得到声音的电量。
PPT学习交流
32
流速传感器
• 空气流量传感器，是电喷发动机的重要传感器之 一。它将吸入的空气流量转换成电信号送至电控 单元(ECU），作为决定喷油的基本信号之一，是 测定吸入发动机的空气流量的传感器。
• 卡曼涡旋式空气流量计，是在进气道中安装涡旋 发生管，流经的空气速度不同，在管的出口端附 近产生频率不同的涡旋，在涡旋附近安装一金属 薄片。薄片随涡旋发生振动。薄片上涂有反光材 料，对发光二极管发出的光线进行反射，当反射 光线经过光电晶体管时产生电脉冲信号。通过计 算脉冲的频率可以知道涡旋的频率，从而得到空 气的流速。
PPT学习交流
18
光学指纹传感器
• 当你把手指放上去的时候， 采集端发出来的光线会被 你的手指挡回来。由于指 纹上有脊（凸起的部分） 有谷（凹下的部分），光 线遇到它们后会发生不同 的反射原理，导致返回的 光线有明暗之分。反射回 来的光线再经过三棱镜的 折射，打在感光元件上， 就可以成像。
PPT学习交流
PPT学习交流
27
（1）力传感器
• 力传感器是能感受外力并将其转换成可用输出信 号的传感器。
• 力传感器的种类繁多，常用的力与压力传感器有 电阻应变式、半导体应变式、压阻式、电感式、 电容式、谐振式压力传感器，以及光纤压力传感 器等
无线传感器网络课件-第一章
用 移优 能 动化 管 量 理 分
配
传感器节点实物示例
1.1传感器网络的常用逻辑结构图 传感器1 传感器2
传感器N
…
无线链路 无线接口 模块
监控主机
基本工作过程
(1) 传感器节点的处理器模块完成计算与控制功能，射频模块完成无线通信传输功能，传感 器探测模块完成数据采集功能，通常由电池供电，封装成完整的低功耗无线传感器网络。 (2) 网关节点只需要具有处理器模块和射频模块，通过无线方式接收探测终端发送来的数据 信息，再传输给有线网络的PC机或服务器。
1.4传感器节点的限制条件 传感器网络由数据获取子网、数据分布子网和控制管理中心三部分组成。
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，节点通过协议自组织成一个 分布式网络，将采集的数据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，存在一些限制和约束。
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。
应用支撑平台包括如下内容：
① 时间同步 ② 定位 ③ 应用服务接口 ④ 网络管理接口
2、传感器网络的结构 根据节点数目的多少，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。
二
传感器网络的发展历史
三
传感器网络的应用情况
四
传感器网络的关键技术
❖ 教学目的：掌握传感器网络的基本情况 ❖ 本章重点：基本概念、应用情况
一、什么是无线传感器网络
有基础设施网
无 线 网 络
无基础设施网
移动Ad hoc网络 无线传感器网络
有基础设施的网络
需要固定基站,如使用的手机，属于无线蜂窝网，需要高大的天线和大功率基站来支持，基 站就是最重要的基础设施； 使用无线网卡上网的无线局域网，由于采用了接入点这种固定设备，也属于有基础设施网。
配
传感器节点实物示例
1.1传感器网络的常用逻辑结构图 传感器1 传感器2
传感器N
…
无线链路 无线接口 模块
监控主机
基本工作过程
(1) 传感器节点的处理器模块完成计算与控制功能，射频模块完成无线通信传输功能，传感 器探测模块完成数据采集功能，通常由电池供电，封装成完整的低功耗无线传感器网络。 (2) 网关节点只需要具有处理器模块和射频模块，通过无线方式接收探测终端发送来的数据 信息，再传输给有线网络的PC机或服务器。
1.4传感器节点的限制条件 传感器网络由数据获取子网、数据分布子网和控制管理中心三部分组成。
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，节点通过协议自组织成一个 分布式网络，将采集的数据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，存在一些限制和约束。
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。
应用支撑平台包括如下内容：
① 时间同步 ② 定位 ③ 应用服务接口 ④ 网络管理接口
2、传感器网络的结构 根据节点数目的多少，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。
二
传感器网络的发展历史
三
传感器网络的应用情况
四
传感器网络的关键技术
❖ 教学目的：掌握传感器网络的基本情况 ❖ 本章重点：基本概念、应用情况
一、什么是无线传感器网络
有基础设施网
无 线 网 络
无基础设施网
移动Ad hoc网络 无线传感器网络
有基础设施的网络
需要固定基站,如使用的手机，属于无线蜂窝网，需要高大的天线和大功率基站来支持，基 站就是最重要的基础设施； 使用无线网卡上网的无线局域网，由于采用了接入点这种固定设备，也属于有基础设施网。
无线传感器网络技术及其应用课件(PPT 110页)
跨层的安全框架
3
27
5.1.3
跨层的安全框架
4
28
5.1.3
跨层的安全框架
5
29
5.1.3
跨层的安全框架
6
30
课程目录
5.1 无线传感器网络安全问题概述 5.2 无线传感器网络中的密码学理论 5.3 无线传感器网络安全防护技术
5.4 无线传感器网络的发展与安全趋势
31
5.2 无线传感器网络中的密码学理论
2
5
5.1.1
安全需求
3
6
5.1.1
安全需求
4
7
5.1.1
安全需求
5
8
5.1.1
安全需求
6
9
5.1.1
安全需求
7
10
5.1.1
安全需求
8
11
5.1.1
安全需求
12
5.1 无线传感器网络安全问题概述
13
5.1.2
攻击与威胁
1
14
5.1.2
攻击与威胁
2
15
5.1.2
攻击与威胁
16
5.1.2
如果路由被误导，整个网络可 能陷于瘫痪。无线传感器网络 中主要的路由协议容易遭受的 攻击，如表5-3所示。
80
5.3.3 安全通信与路由技术
3
81
5.3.3 安全通信与路由技术
3
82
5.3 无线传感器网络安全防护技术
83
5.3.4 安全定位与时钟同步技术
1
84
5.3.4 安全定位与时钟同步技术
34
5.2.1
密码算法的选择
2
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
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
网络。现场总线是连接智能化现场设备和控制室之间的全
数字、开放式的双向通信网络。现场总线技术的发展最终 导致现场总线控制系统取代第二代传感器网络。
21世纪，微机电系统(Misro-Electro-Mecchanical
Systems，MEMS)技术、低功耗的模拟和数字电路技术、 低能耗的无线射频技术的发展使得开发小体积、低成本、
感器网络项目，开启了现代无线传感器网络研究的先例。
此项目由美国国防部高级研究计划局信息处理技术办公室 主任Robert Kahn主导，
20 并由卡耐基· 梅隆大学、匹兹堡大学和麻省理工学院等大学 研究人员配合，建立一个由空间分布的低功耗传感器节点 构成网络，这些节点之间相互协作并自主运行，将信息送 达处理的节点。 20世纪80～90年代，无线传感器网络的研究依旧主要 应用于军事领域方面，并成为网络中心站思想中的关键技 术。1994年，加州大学洛杉矶分校的Willian J· Kaiser教授 向DARPA提交了研究建议书“Low Power Wireless Integrated Microsensors”。1998年，G· J· Pottie从网络的研究 角度重新阐释了无线传感器网络的科学意义。同年，美国 国防部高级研究计划局投入巨资使用启动SensIT项目，目 标是实现“超视距”战场监测。
微波的电视和雷达多采用空间波方式传播。
9 2. 信道
信道可以从狭义和广义两方面理解，狭义信道即信号
传输的媒质，分为有线信道和无线信道；广义信道除包括 传输媒质外还包括有关的转换器，如：发送设备、接收设
备、馈线与天线、调制器、解调器等。本小节将详细讲解
广义信道。 广义信道按功能可以分为模拟信道(即调制信道)和数
19 1.1.2 产生和定义
1. 无线传感器网络的产生
无线传感器网络(简称无线传感网)的研究起源于20世 纪70年代，是一种特殊的无线网络，最早应用于美国军方，
例如空中预警控制系统。这种原始的传感器网络只能捕获
单一信号，传感器节点进行简单的点对点通信。 1980年，美国国防部高级研究计划局提出了分布式传
线通信传输的质量不是很好，数据安全性相对于蓝牙差一 些，传输质量也有待于改善。
Zigbee是一种新兴的短距离、低复杂度、低数据速率、
低成本的无线网络技术，同样工作在2.4G频段。Zigbee联 盟于2001年8月成立。Zigbee联盟认为Zigbee和蓝牙的关系 互为补充，而不是相互竞争。
17 Zigbee技术的特点是可靠、时延短、网络容量大、安全保
热敏型红外探测仪，从此掀起红外热潮。红外应用产品种
类繁多，有红外热像、红外通信、红外光谱仪、红外传感 器，且应用范围广泛，应用于工业、农业、军事、医疗与 人们生活息息相关的各方面。
15 但是红外对指向性要求较高，要求点对点通信且中间不能 有阻碍物的阻挡，并且红外无线传输对于发射功率要求较 高，使得红外应用有一些局限性。但是在某些应用场合， 红外技术仍然占据着主导地位，例如家电的遥控器。 蓝牙通信是一种基于2.4G技术的无线传输协议通信方 式，由于采用的协议不同于其他2.4G技术协议，而称为蓝 牙技术。就目前来说，蓝牙技术较广泛的应用是手机的蓝 牙通信和蓝牙耳机，由于大部分的手机和音频设备都集成 蓝牙功能，并且蓝牙设备不需要设置发射机，仅需要蓝牙 耳机这个接收机就可以工作，从而降低了成本。蓝牙相对 于WIFI的缺点是它的传输数据量小，仅能达到每秒1M左 右，并且没有实现真正意义的组网。
体，并采集数据。传感器不仅数量多，品种也比较复杂， 是无线传感器网络的重要组成部分。
低功耗的微传感器成为可能，将成千上万个体积小、重量
轻的传感器协同工作，就构成了第四代无线传感器网络。
27
1.2 传感器与WSN
传感器是一种装置或器件，国家标准GB 7665—87对
传感器的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定的 规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件
和转换元件组成。”无线传感器网络通过传感器来识别物
的。
12 3. 调制与解调
调制/解调主要通过调制/解调器使模拟信号与数字信
号相互转换。调制就是把数字信号转换成有线设备传输的 模拟信号；解调则是把模拟信号转换为数字信号。两者合
称调制/解调。
调制/解调的分类有多种方式，按照调制方式可分为： 模拟调制：包括三种调制方法，即模拟调制、脉冲
调制和复合调制。
了解传感器的分类。
了解传感器与传感器网络之间的关系。 掌握无线传感器网络的体系结构。
了解无线传感器网络的特点及应用。
了解无线传感器网络操作系统。 了解与无线传感器网络相关的技术。
3 学习导航
4
1.1 概
述
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是一 种全新的信息获取和处理技术，是集微机电技术、传感器
模拟调制：调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)。
13 脉冲调制：脉冲幅度(PAM)、脉冲相位(PWM)、脉
冲编码(PCM)。
复合调制：正交幅度调制(QAM)。 数字调制：包括通断键控(ASK)、频移键控(FSK)、
相移键控(PSK)。
调制/解调按照解调方式可分为： 检波法：适合调幅(AM)。
密、高度的灵活性和低成本，可以形成星形、树形、网状
及其共同组成的复合结构，可通过互联网或者移动网相连。 蓝牙、WIFI、Zigbee三种技术比较如表1I、Zigbee三种技术的比较
种类 特点 单点传输距离 网络扩展性 复杂性 传输速率 频段 网络节点数 集成度和可靠度 使用成本 安装使用难易 蓝牙 10 m 无 高 1 Mb/s 2.4 GHz 8 高 高 一般 WIFI 50 m 无 高 >11 Mb/s 2.4 GHz 50 一般 高 难 Zigbee 50-200m 自动扩展 低 250 kb/s 868/915/2.4G(Hz) 65536 高 低 简单
同步解调：适合大部分调制。
14 4. 短距离无线通信技术
随着通信技术的发展，出现了许多短距离无线通信技
术，而它们往往带有自己的通信协议，不同的通信协议有 着不同的应用。目前最常见的短距离无线通信技术有
IrDA/红外、蓝牙、WIFI(802.11标准)和Zigbee技术。
IrDA/红外技术最早应用于红外探测仪。1800年， F· W· 赫歇尔使用水银温度计发现红外辐射，这是最原始的
21 1999年9月，美国《商业周刊》将无线传感器网络列
入21世纪最重要的21项技术之一，被预见为21世纪人类信
息研究领域所面临的重要挑战之一。 进入21世纪后，随着无线通信技术、计算机技术和传
感器技术的发展，对无线传感器网络有了更明确的定义。
22 2. 无线传感器网络的定义
无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组
络研究计划，并在加州大学洛杉矶分校成立了无线传感器
网络研究中心，联合周边的康奈尔大学伯克利分校、南加 州大学等，开展“嵌入式智能传感器”的研究项目。
目前，美国大多数知名院校几乎都有课题组在从事传
感器网络相关技术的研究，日本、英国、加拿大等国家的 科研机构也加入了传感器网络的研究。这表明无线传感器 网络开始深入人们生活的各方面。
存在，后由赫兹用实验证明了电磁波的存在。
6 俄国的波波夫和意大利业余无线电家马克尼同时独立地发
明了天地线制(当把发射电磁波的天线与接收机的天线及地
线相互连接时，电磁波将转化为脉冲电流)，至此无线电通 信开始进入实用阶段。无线电波的频率范围为3 Hz～300
GHz，对应的波长为1000 km～1 mm。电磁波波段的划分
技术和无线通信技术为一体的技术，而无线通信技术是无
线传感器网络的支撑技术之一。
5 1.1.1 无线通信技术
本小节将介绍无线通信技术几个重要的概念：电磁波
与信道、调制解调以及几种短距离无线通信技术。 1. 电磁波
电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场和磁场在空间
以波的形式传递能量和动量，其传播方向垂直于电场与磁 场构成的平面。18世纪物理学家麦克斯韦预言了电磁波的
如表1-1所示。
7 表1-1 电磁波波段划分
波段 超长波 长波 中波 短波 米波 分米波 厘米波 毫米波 波长 1000 km~100 km 10000 m～1000 m 1000 m～100 m 100 m～10 m 10 m～1 m 1 m～0.1 m 10 cm～1 cm 10 mm～1 mm 频率 3 Hz～30 Hz 30 Hz～300 kHz 300 kHz～3 MHz 3 MHz～30 MHz 30 MHz～300 MHz 300 MHz～3000 MHz 3 GHz～30 GHz 30 GHz～300 GHz 空间波 电视、雷达、导航 传播方式 空间波 对潜通信 地波 地波或天波 调幅无线电广播 天波 空间波 调频无线电广播 主要用途
字信道(即编码信道)。广义信道模型如图1-1所示。
10
图1- 1广义信道模型
11 调制信道(模拟信道)：传输模拟信号的信道称为模
拟信道，模拟信号的电平随时间连续变化，语音信号是典
型的模拟信号。 编码信道(数字信道)：数字信道是一种离散信道，
它只能传送离散的数字信号。
另外，模拟信道传送数字信号必须经过数字信号和模 拟信号之间的A/D转换器，调制/解调器就是完成此项工作
23 1.1.3 WSN的发展
2000年以后，无线传感器网络的出现引起了全世界范
围的广泛关注，被誉为是全球未来的四大高新技术产业之 一。2001年，美国陆军提出了“灵巧传感器网络通信计
划”，并在2001～2005财政年度期间批准实施，其基本思
想是：在战场上布设大量的传感器用于收集和传输信息， 并对相关的原始数据进行过滤，把重要的信息传送到各数
织和多跳的方式构成的无线网络。其目的是协作地感知、 采集和处理传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，