无线传感器网络第一章详解
无线传感器网络技术在智能电网中的应用
无线传感器网络技术在智能电网中的应用第一章简介无线传感器网络技术（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量分布式的、微型的、可配置的无线传感器节点构成的网络。
在WSN中，每个节点都具有一定的感知能力、通讯能力和计算能力。
同时，这些节点还能够自组织，形成一个全局的网络结构。
WSN在国防、环境监测、智能建筑等领域中有着广泛的应用，而在智能电网中的应用也越来越受到关注。
第二章智能电网的概念及其特点智能电网是一种在电力生产、输电、配电和终端使用等环节中应用新技术、新设备、新管理方法，以提高电网运行效率、安全性、可靠性和灵活性为目的的高级电力供应系统。
具体来说，智能电网的特点包括：（1）单向供电转向双向供电；（2）包括分布式发电、储能和用电等多个方面；（3）细粒度调度，以达到最佳的能源利用效率；（4）网络化架构，使各个设备之间能够实现信息共享。
第三章无线传感器网络技术在智能电网中的应用3.1 监测和控制在智能电网中，将大量无线传感器节点部署在电力生产、输电、配电环节中，可以实时地对电力设备的状态进行监测，并采用自动控制方法，对设备进行故障诊断、预警和控制，从而提高电网运行的安全性和可靠性。
例如，在太阳能光伏电站和风力发电场中，可以通过WSN实现对发电效率、电量以及组件状态等方面的监测和控制。
3.2 能源管理WSN在智能电网中还可以用于能源管理。
通过部署大量的无线传感器节点，对能源消耗情况、能源生产情况以及能源分配情况进行实时监测和控制，从而实现对电力资源的高效利用。
此外，WSN还可以用于能源优化调度，在电力供需不平衡的情况下，通过对能源消耗和生产情况进行精细调度，保证电力供应的稳定性和可靠性。
3.3 市场化交易智能电网的发展不仅仅是一种技术革新，还伴随着能源市场的变革。
WSN在智能电网中的应用可以促进能源市场的有效运行。
通过WSN的实时监测和控制，能够更加准确地了解能源消费和生产情况，以便进行市场化交易，并从中获得更多的经济效益。
第一章无线传感器网络WSNs概述
传感器网络的用户是感知信息的接收者和使用者，可以是 人也可以是计算机或其他设备。
发送
接收
空闲
通信
睡眠
图1-1传感器节点能量消耗情况
1.2.3传感器节点的限制
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 × d n
其中k是系数，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 射质量的影响也很大。考虑诸多因素，通常取n为3，即通信能耗与距离的三 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 尽量减少单跳通信距离。一般而言，传感器节点的无线通信半径在100m以内 比较合适。
第1 章
概述
1.1无线传感器网络的基本概念
目前无线网络可分为两种 ：一种是有基础设施的网络；另一种是无基础 设施网，又称为无线Ad Hoc网络，结点是分布式的，没有专门的固定基站。 无线Ad Hoc网络又可分为两类：一类是移动Ad Hoc网络，它的终端是快速移 动的。另一类就是无线传感器网络，它的结点是静止的或者移动很慢。
1.2.1与现有无线网络的区别
另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力 等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效 带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源 的高效使用，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。
无线传感器网络复习资料
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。
无线传感器网络技术及其应用第一章 无线传感器网络概述
第一章
1.1 无线传感器网络的基本概念 1.2 无线传感器网络的体系结构 1.3 无线传感器网络的基本特点
1.4 无线传感器网络的发展现状与趋势 1.5 无线传感器网络面临的挑战 1.6 无线传感器网络的应用领域
1.2 无线传感器网络的体系结构
簇头节点 监控接入
簇头节点
无线或有线 网络
监控终端
1.5
无线传感器网络面临的挑战
由于单个传感器节点的能力有限，往往不能单独完成对 目标的测量、跟踪和识别工作，而需要多个传感器节点采用 一定的算法通过交换信息，对所获得的数据进行加工、汇总 和过滤，并以事件的形式得到最终结果。数据的协作传递过 程中涉及网络协议的设计和节点பைடு நூலகம்能量消耗问题，也是目前 研究热点之一。
1.5
无线传感器网络面临的挑战
无线传感器网络系统具有严格的资源限制，需要设计低开销 的通信协议，同时也会带来严重的安全问题。由于传感器节点有 些会设置在屋内，也有许多会设置在户外，会在各种环境下部署 节点，所以节点必须具备良好的抗干扰能力，现场环境可能极寒 冷、极炎热、极干或极湿等恶劣条件，这些都不能对节点的感知 产生影响，也不能对节点内的电路运作产生影响，同时也不能对 节点间的信息传递产生影响。关于这些就相当考验节点的设计， 不仅要考虑节点的外壳设计，还要考虑内部电路的设计。因此， 如何使用较少的能量完成数据加密、身份认证、入侵检测及在破 坏或受干扰的情况下可靠地完成任务，也是无线传感器网络研究 与设计面临的一个重要挑战。
1.4 无线传感器网络的发展现状与趋势 1.5 无线传感器网络面临的挑战 1.6 无线传感器网络的应用领域
1.5
无线传感器网络面临的挑战
1
1.5
无线传感器网络面临的挑战
无线传感网教学课件PPT
6.1.1 基本概念和算法
（3）极大似然估计法：已知很多节点D的 相邻节点坐标以及他们到节点D的距离或 方位，使用最小均方差估计方法得到节点 D的坐标。
6.1.2 定位算法分类
(1)根据定位过程中实际测量节点间的距离 和角度与否
通过测量节点间点到点的距离 或角度等信息进行位置估计； 基于测距的定位
6.1.1 基本概念和算法
3.计算节点位置的基本方法 （1）三边（多变）计算法：已知平面上（空间 上）三（多）点的位置A,B,C，以及D点到 A,B,C的距离, 利用几何方法可求得D点的坐标。
6.1.1 基本概念和算法
（2）三角（多角）计算法：已知平面（空 间）三（多）点的位置A,B,C,以及D点为 角顶点，角边的端点为A,B,C的角度，可 求出D点的坐标。
6.1 定位技术简介
当前对节点定位问题的研究一般都基于以 下前提: (1)有一定比例的节点位置己知或具有GPS 定位功能，这些节点的位置可作为 定位参考点; (2)节点具有与邻近节点通信的能力; (3)节点不具有自主移动能力。
6.1 定位技术简介
人工配置每个节点的位置信息
(1)传感器网络通常部属于人类不可达的区域 (2)人工配置大量节点的位置，既容易造成人为错误，又影 响网络 的快速部署，并且还违背传感器网络的自组织原则 全球定位系统 GPS (1)成本考虑：传感器节点要求造价低廉以便于大量生产和 部署，而 GPS 接收设备成本较高 (2)传感器节点通常依靠电池供电，能量供给有限，GPS 接收设备能耗过高 (3)GPS 设备只能适用于无遮挡的室外环境，而传感器节 点可能部署于复杂环境，使得 GPS 设备难以工作。
无须测距技术的定位
无须距离和角度信息，仅根据 网络连通性等信息即可实现。
无线传感器网络的理论及应用
传感器节点的结构
传感器节点的结构
传感器节点由传感单元、处理单元、 传感器节点由传感单元、处理单元、无线收发单元和电源 单元等几部分组成。 单元等几部分组成。 传感单元用于感知、获取监测区域内的信息， 传感单元用于感知、获取监测区域内的信息，并将其转换 为数字信号。 为数字信号。 处理单元负责控制和协调节点各部分工作， 处理单元负责控制和协调节点各部分工作，存储和处理自 身采集的数据以及其他节点发来的数据。 身采集的数据以及其他节点发来的数据。 无线收发单元负责与其他传感器节点进行通信， 无线收发单元负责与其他传感器节点进行通信，交换控制 信息和收发采集数据。 信息和收发采集数据。 电源单元能够为传感器节点提供正常工作所必须的能源。 电源单元能够为传感器节点提供正常工作所必须的能源。 此外，传感器节点还可以包括其他辅助单元，如移动系统、 此外，传感器节点还可以包括其他辅助单元，如移动系统、 定位系统和自供电系统等。 定位系统和自供电系统等。
以数据为中心
在无线传感器网络中， 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， 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。 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， 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， 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。 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。 件的信息后汇报给用户。
分布式 自组织
无线传感器网络与 无线自组网络的共 同特点： 同特点：
拓扑变化 多跳路由 安全性差
分布式
网络没有严格的控制中心， 网络没有严格的控制中心，所有节点地位 平等， 平等，节点之间通过分布式的算法来协调 彼此行为，是一个对等网络。 彼此行为，是一个对等网络。 节点可以随时加入或离开网络，任何节点 节点可以随时加入或离开网络， 的故障不会影响整个网络的运行， 的故障不会影响整个网络的运行，具有很 强的抗毁性。 强的抗毁性。
《无线传感器网络》PPT课件
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2
• 现代微型传感器
–感知能力＋计算能力＋通信能力 –体积小 –能耗小 –由六部分组成
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3
传感器节点
• 传感器模块：信息采集、数据转换 • 处理器模块：控制、数据处理、网络协议 • 无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发
采集数据 • 能量供应模块：提供能量
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4
传感器网络的三要素
– 每个传感器仅具有有限的存储器和 计算资源，难以处理巨大的实时数 据流
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传感器节点的限制
• 以数据为中心
– 传感器网络不是通常的网络
• 用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件
– 用户很少询问“A节点到B节点的连接是如何实现的？” – 用户经常询问“网络覆盖区域中那些地区出现毒气？”
– 传感器网络中传感器节点密集，数量 巨大，可能达到几百、几千万，甚至 更多
– 传感器网络可以分布在很大区域，也 可以分布在险恶环境下
– 传感器数量大、分布广的特点使得网 络的维护十分困难甚至不可维护
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传感器节点的限制
• 感知数据流无限
– 传感器网络每个传感器都产生无限 的流式数据，并具有实时性
• 传感器传输1位信息需要的电能足以执行 3000条计算指令
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传感器节点的限制
• 计算能力有限
– 传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处 理器和存储器，具有计算能力
– 但是，处理器性能、存储器容量和能源都 很有限，导致传感器的计算能力十分有限
精传感器数量大、分布范围广
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传感器节点的限制 • 需要多种多样的感知 器
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
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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。
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江苏大学 机械学院 仪器系
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2020/10/31
江苏大学 机械学院 仪器系
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➢ 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
无线传感器网络期末复习考点总结
第一章概述1.无线传感器的概念：一种由大量的微型传感器节点组成的面向任务的无线自组织网络系统。
2.与传统的无线自组织网络（特征）类似：自组织性、分布式控制、拓扑动态性；区别：网络规模大、节点能力受限、节点可靠性差、以数据为中心、多对一传输模式、冗余度高、面向任务。
3.开发用的硬件平台——嵌入式个人计算机：PDA；专用传感器节点：Berkeley Motes （广泛）、UCLA Medusa、MIT uAMP；片上系统节点：Smart Dust、BWRC PicoNode4.软件平台：TinyOS（最早）、nesC、TinyGALS、Mote等5.设计目标：体积小、成本低、功耗低、自组织、可扩展、自适应、可靠、安全、（带宽）资源利用率高、服务质量高。
第二章体系结构1.节点组成（4）：感知、处理、通信、电池模块2.汇聚节点的作用：（1）向传感器节点发送查询消息或命令（2）作为联接外部网络的网关3.多跳网络分为——平面结构：所有传感器节点地位相同、互为中继；分层结构：按簇组织，簇成员将数据发给簇头，簇头发给汇聚节点；好处：（1）降低通信能耗（2）平衡节点间的负载，并提高可拓展性（3）在簇头进行数据融合，减少数据发送量，提高能亮效率4.协议栈——应用层：负责提供各种无线传感器网络应用，包括查询发送、节点定位、时间同步、网络安全；传输层：负责节点间端到端的可靠、透明传输，包括拥塞控制和差错控制；网络层：为传感器节点向汇聚节点发数据提供路由；数据链路层：数据量的复用、数据帧的创建与检测、媒体接入、差错校验，提供点到点或多点的可靠传输，其中主要的是媒体访问控制（MAC）和差错控制（前向纠错FEC、自动重传请求ARQ）；物理层：将数据链路层形成的数据流转换成适合在传输媒体上传送的信号，并进行收发。
5.设计准则：可扩展、可互通、抗毁、可靠、安全、能量高效性。
第三章 MAC协议（数据链路层）1.作用：决定局部范围内无线信道的使用方式，用来在传感器节点之间分配信道频谱资源，建立数据传输所需的基础通信链路2.特点：尽量节省节点能量、可扩展性、公平性（均衡节点能量消耗）、传输效率高。
《无线传感器网络技术概论》课程标准
《无线传感器网络技术概论》课程标准无线传感器网络技术概论课程标准课程简介本课程旨在为学生提供有关无线传感器网络的技术基础知识，包括它们的设计、实现和应用。
学生将了解无线传感器网络的特点和应用领域，熟悉无线传感器网络的硬件和软件设计，并研究如何在实际问题中应用无线传感器网络。
研究目标本课程主要目标是让学生熟悉无线传感器网络技术的基本概念和应用，包括：- 理解无线传感器网络的特点、工作原理以及基本组成部分；- 熟悉无线传感器网络的硬件设计、软件设计和通信协议；- 掌握无线传感器网络应用的基本方法和实践技巧；- 能够针对特定需求设计无线传感器网络应用，并具备实际应用能力。
课程内容第一章无线传感器网络的概述1.1 无线传感器网络的概念和特点1.2 无线传感器网络的应用领域1.3 无线传感器网络的组成部分第二章无线传感器网络的硬件设计2.1 无线传感器网络的节点2.2 无线传感器网络的传感器2.3 无线传感器网络的能量管理第三章无线传感器网络的软件设计3.1 无线传感器网络的操作系统3.2 无线传感器网络的编程语言3.3 无线传感器网络的仿真软件第四章无线传感器网络的通信协议4.1 无线传感器网络的协议栈4.2 无线传感器网络的MAC协议4.3 无线传感器网络的路由协议第五章无线传感器网络应用的基本方法和实践技巧5.1 无线传感器网络应用的实验平台5.2 无线传感器网络应用的程序设计5.3 无线传感器网络应用的实际应用案例教学方式本课程采用课堂讲授、实验、讨论等多种教学方式，强调理论与实践相结合，注重学生的探究与实践能力培养。
考核方式学生的考核将包括课堂表现、实验报告、设计案例报告以及课程论文等形式。
其中，实验和设计部分的考核占主要比重。
参考书目- 《无线传感器网络技术》- 《无线传感器网络与物联网》- 《无线传感器网络的设计与实现》。
无线传感器网络概论第1章 绪论
1.1 物联网与无线传感器网络 1.1.2 无线传感器网络
1. 定义
无线传感器网络综合了计算技术、通信技术及传感 器技术，其任务是利用传感器节点来监测节点周围的环 境，收集相关数据，然后通过无线收发装置采用多跳路 由的方式将数据发送给汇聚节点，再通过汇聚节点将数 据传送到用户端，从而达到对目标区域的监测。
1.3 无线传感器网络关键技术分析 1.3.1 基础服务
5. 定位技术
无线传感器网络在信息获取和处理技术方面的突破， 使其在目标跟踪、入侵监测及一些定位相关领域的应用 前景广阔。然而无论是在军事侦察或地理环境监测，还 是交通路况监测或医疗卫生中对病人的跟踪等应用场合， 很多获取的监测信息需要与位置信息相对应，因此，获 取传感器节点的位置信息是无线传感器网络领域大多数 应用的基础。
简而言之，物联网就是“物物相连的互联网”。
2. 应用领域
物联网最为明显的特征就是将物与物连接起来，在 不需要人的干预下，就可以自动对信息进行采集与处理， 具有较高的效率，降低了由于人为因素造成的不稳定性。 因此，物联网在各个行业中的应用潜力非常巨大，应用 领域也非常广泛，如智能家居、智能医疗、智能城市、 智能环保、智能交通、智能司法等等。
1.2 物联网与无线传感器网络 1.2.1 无线传感器网络的结构
3. 节点拓扑结构
无线传感器网络主要特点之一就是不需要底层的基 础设施。当在监测区域内部署传感器节点后，传感器节 点将自行组织并构成网络。
其基本节点拓扑结构可分为基于簇的分层结构和基 于平面的拓扑结构两种。
1.2 物联网与无线传感器网络 1.2.1 无线传感器网络的结构
1.3 无线传感器网络关键技术分析 1.3.1 基础服务
3. 数据融合技术
无线传感器网络
⽆线传感器⽹络第⼀章⽆线传感器⽹络概述1.⽆线传感器⽹络的基本概念⽆线传感器⽹络是由部署在监测区域内⼤量的成本很低、微型传感器节点组成，通过⽆线通信⽅式形成的⼀种多跳⾃组织⽹络系统，其⽬的是协作地感知、采集和处理覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观察者或者⽤户。
2.典型的⽆线传感器⽹络结构包括哪⼏部分？传感节点、汇聚节点以及互联⽹或通信卫星和管理节点。
3.⽆线传感器⽹络的体系结构（协议栈）描述⽆线传感器⽹络的协议栈，并简述各层的功能。
⽆线传感器⽹络的协议栈包括物理层、数据链路层、⽹络层、传输层和应⽤层，与互联⽹协议的五层相对应。
另外还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。
各层的功能：物理层：负责数据传输的介质规范，如规定了传感器⼯作频率、⼯作温度、数据调制、信道编码、定时、同步等标准。
研究⽬标是设计低成本、低功耗和⼩体积，简单但健壮的传感器节点。
数据链路层：负责数据成帧、帧检测、介质访问和差错控制。
⽹络层：主要实现数据融合，负责路由⽣成和路由选择；主要功能包括分组路由、路由互联、阻塞控制。
传输层：负责数据流的传输控制。
应⽤层：获取数据并进⾏初步处理，包括⼀系列⽤于检测任务的应⽤层软件。
4.⽆线传感器⽹络的基本特点传感器节点体积⼩，能量有限传感器节点计算和存储能⼒有限通信半径⼩，带宽低传感器节点数量⼤且具有⾃适应性⽆中⼼和⾃组织⽹络动态性强以数据为中⼼第⼆章物理层及信道介⼊技术1.频率分配：1W以下⽆线电波是⽬前WSN的主流传输⽅式。
对于⽆线传感器⽹络来说，频段的选择必须根据应⽤场合来选择。
因为频率的选择直接决定⽆线传感器⽹络节点的⽆线尺⼨、电感的集成度以及节点功耗。
ISM波段是⾸要的选择。
频率的选择是影响⽆线传感器⽹络性能、成本的重要参数。
基于竞争的MAC协议。
即节点在需要发送数据时采⽤某种机制随机地使⽤⽆线信道，基于固定分配的MAC协议。
即节点发送数据的时刻和持续时间是按照协议规定的标准来执⾏，这样以来就避免了冲突，基于按需分配的MAC协议。
无线传感器网络(完整课件)
第1章 无线传感器网络概述
与当前流行的短距离无线通信技术相比，UWB具有抗干扰能力强、传输速 率高、带宽极宽、发射功率小等优点，具有广阔的应用前景，在室内通信、 高速无线LAN、家庭网络等场合才能得到充分应用。
当然，UWB技术也存在自身的弱点。主要是占用的带宽过大，可能会干扰 其他无线通信系统，因此其频率许可问题一直在争论之中。另外，有学者认 为，尽管UWB系统发射的平均功率很低，但由于其脉冲持续时间很短，瞬时 功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。但是学 术界的种种争论并不影响UWB的开发和使用，2002年2月美国通信协会(FCC) 批准了UWB用于短距离无线通信的申请。
第1章 无线传感器网络概述
短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，它是指集信息采集、信 息传输、信息处理于一体的综合性智能信息系统，并且其传输距离限制在一 个较短的范围内（通常是几米以内）。通过各类集成化的微型传感器协作进 行实时感知、采集和监测各类感兴趣的研究和应用信息。
低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优 势。
第1章 无线传感器网络概述
1.2 无线传感器网络发展历程
早在20世纪70年代就出现了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雏形，人们把它归结为第一代传感器网络。随着相关学 科的不断发展，传感器网络同时还具有获取多种信息信号的综合能力，采用 串/并接口（如RS-232、RS-485）与传感控制器相连，构成了有信息综合和处 理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。在20世纪90年代后期和21世 纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制 器，构成局域网络，成为智能化传感器网络，这是第三代传感器网络。第四 代传感器网络正在研究开发，用大量的具有多功能、多信息信号获取能力的 传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传 感器网络。
无线传感器网络简明教程_第一章(1)。
二、传感器网络的发展历史
传 70 最 统年早 的代可 传越以 感战追 器时溯 系期二 统使十 。用世
的纪
第一阶段
胡胡志志明明小小道道
热带树
轰炸机
传统感知方法的特征
信号分析
有线/无线连接
Object
Sensors
•传感器仅产生探测数据流 • 传感器无计算能力 • 传感器之间不能相互通信
至二 90 十 年世 代纪 之 80 间年
6
6
传感器网络协议的技术标准
4
7
传感器网络技术的应用
4
8
无线传感器网络设计与实验
2+6*
注：*为实验课时，总学时数为40。
本章小结
本章主要介绍传感器网络的概念、发 展历史、应用情况和关键技术。
习题：
[1] 什么是无线传感器网络？ [2] 传感器节点的组成及其功能是什么？ [3] 列举几种常用的战场传感器。
传感器节点的物理操纵 传感信息的窃听 拒绝服务攻击 私有信息的泄露 ……
关键之六
安全性是传感网络设计的重要问题。如何保护 机密数据和防御网络攻击是第六项关键技术！
本课章节与课时安排
章节
内容
学时
1
绪论
2
2
常用微型传感器
4
3
传感器网络的通信技术
6
4
传感器网络的支撑技术
6
5
传感器网络的应用开发基础
韩北 国京 济大 州兴 岛区 智菊 能花 渔基 场地
克尔斯博公司
沈阳玫瑰园 浙江温州的奶牛牧场
讨论题
请大家思考和组织课堂讨论： 传感器网络还可以有哪些用途？
地日二 震汶零
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1.2.1与现有无线网络的区别
另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等 都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带 宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源的 高效使用，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。
1.2.2 与现场总线的区别
1. 无线多媒体传感器网络 2. 泛在传感器网络 3. 具有认知功能的传感器网络 4. 基于超宽带(UWB)技术的无线传感器网络 5. 基于协作通信技术的无线传感器网络
发送
接收
空闲
睡眠
通信
图1-1传感器节点能量消耗情况
1.2.3传感器节点的限制
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 kdn
其中k是系数，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 发射质量的影响也很大。考虑诸多因素，通常取n为3，即通信能耗与距离的 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 尽量减少单跳通信距离。一般而言，传感器节点的无线通信半径在100m以 内比较合适。
传感器结点由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信 部件和软件这几部分构成。电源为传感器提供正常工作所必需 的能源。感知部件用于感知、获取外界的信息，并将其转换为 数字信号。处理部件负责协调结点各部分的工作。通信部件负 责与其他传感器或用户的通信。软件是为传感器提供必要的软 件支持。
传感器网络的用户是感知信息的接收者和使用者，可以是人也 可以是计算机或其他设备。
1.2无线传感器网络的特征
1.2.1与现有无线网络的区别
传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大的 差别。传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点 数目更为庞大(上千甚至上万)，节点分布更为密集；由于环境影响和能 量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结 构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。
第1章
概述
1.1无线传感器网络的基本概念
目前无线网络可分为两种 ：一种是有基础设施的网络；另一种是无基础设 施网，又称为无线Ad Hoc网络，结点是分布式的，没有专门的固定基站。无 线Ad Hoc网络又可分为两类：一类是移动Ad Hoc网络，它的终端是快速移 动的。另一类就是无线传感器网络，它的结点是静止的或者移动很慢。
无线传感器网络的标准定义是这样的：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。它的英文是 Wireless Sensor Network，简称WSN。
1.1无线传感器网络的基本概念
从上述定义可以看出，传感器、感知对象和用户是传感器网络 的三个基本要素。无线网络是传感器之间、传感器与用户之间 最常用的通信方式，用于在传感器与用户之间建立通信路径。 协作式的感知、采集、处理和发布感知信息是传感器网络的基 本功能。
传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps的速率。
1.2.3传感器节点的限制
3．计算和存储能力有限
传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然 导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。
除了降低处理器的绝对功耗以外，现代处理器还支持模块化供电和动 态频率调节功能。利用这些处理器的特性，传感器节点操作系统设计了动 态能量管理和动态电压调节模块，可以更有效地利用节点的各种资源。
1.5.1计算设备的演化历史
图1-2直观描述了计算设备的演化历史.
巨型机
小型机
工作站
PC PDA WSN 节点等
图1-2计算设备的演化历史
生物芯片
1.5.2无线传感器网络发展的三个阶段
1．第一阶段：传统的传感器系统 2．第二阶段：传感器网络结点集成化 3．第三阶段：多跳自组网
1.5.3无线传感器网络的发展趋势
1.3无线传感器网络的关键性能指标
1．网络的工作寿命 2. 网络覆盖范围 3. 网络搭建成本和难易程度 4. 网络响应时间
1.4无线传感器网络的应用
1．军事应用 2．环境科学 3．空间探索 4．医疗健康 5．智能家居 6．建筑物和大型设备安全状态的监控 7．紧急援救 8．其他商业应用
1.5无线传感器网络的研究历史
现场总线是应用在生产现场和微机化测量通信的底 层控制网络。现场总线作为一种网络形式，专门为实现在严格的实时约 束条件下工作而特别设计的。
1.2.2 与现场总线的区别
由于现场总线通过报告传感数据从而控制物理环境，所以从某种程 度上说它与传感器网络非常相似。我们甚至可以将无线传感器网络看作 是无线现场总线的实例。但是两者的区别是明显的，无线传感器网络关 注的焦点不是数十毫秒范围内的实时性，而是具体的业务应用，这些应 用能够容许较长时间的延迟和抖动。另外，基于传感器网络的一些自适 应协议在现场总线中并不需要，如多跳、自组织的特点，而且现场总线 及其协议也不考虑节约能源问题。
1.2.3传感器节点的限制
1．电源能量有限
传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。传感器节点消耗 能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块
图1-1表示传感器节点各部分能量消耗的情况，从图中可知传感器节点的绝 大部分能量20 消耗在无线通信模块。
15
功率/mW
10
5
0
传感器 处理器
动态能量管理是当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空 闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的睡眠状态。动态电压调节是当 计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率来降低处理能力， 从而节约微处理器的能耗。
1.2.4传感器组网的特点
1. 自组织性 2. 以数据为中心 3．应用相关性 4．动态性 5．网络规模大 6．可靠性