无线传感器网络系
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网络攻击无处不在：传感器节点的物理操纵、传感器信息的窃听、拒绝服务攻击、私有信息 泄密等等，需要保护机密数据和防御网络攻击。
WSN的热点与难点问题：
利用MEMS技术设计小型化的节点设备和对网络本身的研究。 电池无线充电技术、太阳能和节点供电相结合。 无线传感器网络的安全问题：低开销协议设计完成数据加密、认证、入
困难。
与应用相关：不同的网络，不同的硬件平台、软件系统、网络协议 资源有限：功耗、节点的硬件资源、计算能力和处理能力
以数据为中心：用户以数据为中心进行数据的收集，不依赖于节点
标识。
与传统传感器系统相比其优点如下：
精确高：实现单一的传感器无法实现的密集空间采样及近距离监测。 灵活性强：一经部署无需人为干预。 可靠性高：可以避免单点失效问题 性价比高：降低有线传输成本，随着技术的发展，传感器成本低
用 WSN 探测工作现场的一些重要信息。 Intel 公司曾在芯片制造设备上安装过
200个传感器节点来监控设备的震动情况，并在测量结果超出规定时提供监测报 告。 （6）其他方面 WSN在城市交通、安全、空间搜索以及商业领域也有广阔的应用前景。
• 谢谢各位老师！
移动系统
传感器硬件结构框架示意图
常见的网络拓扑结构
链型 星型
终端节点 路由器
网络型
基站节点
Zigbee协调器节点
WSN体系结构
分布式网络服务接口 分布式网络管理接口
WSN的体系
结构分为三部分：
分层的网络通信协 议、传感器网络管 理和应用支撑技术。
应用层 传输层 网络层
时间同步
定位
传输控制
路由
能 量 管 理
WSN的关键技术及研究热点
低功耗技术
电源能量有限：通常电池供电、工作环境恶劣，一次部署终生使用，难于更换。
无线通信技术
通信能力有限：速率小，覆盖范围小几十米到几百米，需在有限的通信能力条件下完成
探测数据传输。
嵌入式系统设计
计算处理能力有限：节点体积小，处理器能力弱、存储容量小，不允许进行复杂算法运
传感器网络管理技术主要对传感器节点自身的管理以及用户对传
感器网络的管理，如能量管理、拓扑管理、网络管理、网络安全、 移动管理和远程管理等。
传感器应用支撑技术是建立在封层协议和网络管理技术的基础上
为用户提供了各种具体的应用支持，包括时间同步、节点定位以 及向用户提供协同应用服务接口等。
WSN的网络特点
入人体器官中或吞服的方式进入人体用来随时观测器官的生理状态。
（4）智能家居
在家电和家居中嵌入WSN的传感器节点，并与互联网连接在一起。可以提供 更舒适、方便、更具人性化的家居环境。如下班前遥控家里的电饭锅、微波炉、 电话机、空调等按照自己的意愿完成相应的工作。 （5）工业应用 可以用于车辆的跟踪、机械故障诊断、生产过程监控等。如将WSN和RFID 技术结合实现智能交通。在一些危险的工作环境如：煤矿、石油钻井、核电厂利
算。
多跳自组织的网络路由
自组织的动态网络结构：传感器没有基站、节点失效、新节点的加入，导致网络拓扑结 构的动态性。
数据融合方法
以数据为中心的网络：用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件，在满足用户需求条件 下，对监测数据进行数据融合处理以节省带宽和能量，提高信息收集效率。
网络安全性
无线传感器网络使用的通信技术主要有：
(1) WiFi (IEEE 802.11n)
(2) 蓝牙（Bluetooth)技术
(3) ZigBee 技术 (4) 低功率短距离无线通信
标准 应用领域 工作频段（Hz） 带宽（kbps） 节点个数 发送功率/mA 低占空比支持 调制方式 传输距离/m 技术优势 Bluetooth 代替外设线缆 2.4G 1000~3000 7 45 (2类) <150 (1类) 弱 FHSS 20 (2类) 100+ （1类） 成本，便捷 802.11b (WiFi) 无线接入 2.4G 11000+ 32 300 弱 DSSS 100+ 带宽，灵活性 802.15.4 (ZigBee) 检测与控制 2.4G 20~250 254000 30 强 DSSS 20~70 100+ （放大器） 功耗，成本 Nordic nRF905 无线数据传输 433/868/915M 100 100 11 弱 GFSK 200 功耗，成本， 便捷
传感器网络结构
感知现场 卫星通讯网 、互联网 汇聚节点
远程任务管理
用户 传感器节点 无线传感器网络结构示意图
传感器节点
它具有信息采集、处理、控制和通信等功能，对于网络而言它有兼顾其 他节点和路由器的功能。
传感器模块
传感器 AD/DC
处理模块
CPU RAM FLASH 网络
通信模块
MAC 收发器
GPS 系统
无线传感器网络系统
杨兴果
内容
• • • • • WSN的定义与无线通信技术简介 WSN的网络结构 WSN的网络体系 WSN开发中的关键技术及热点问题 WSN的应用场合
无线传感器网络定义及通信技术
随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系
统（System on Chip， SoC ）、无线通信和 低功耗嵌入式技术的飞速发 展,孕育出无线传感器网络（Wirless Sensor Network, WSN)，并以其低 功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信 息感知的一场变革，是一 个新兴的交叉研究领域，其定义如下： 无线传感器网络（WSN）由部署在监测区内大量的、廉价的、微型的静 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 采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报给用户。
拓扑管理
服 务 质 量
网 络 管 理
网 络 安 全
பைடு நூலகம்
移 动 控 制
远 程 管 理
数据链 路层
物理层
媒体接入
拓扑
RF
IR
Optical
WSN 协议体系结构示意图
分层网络通信协议： 物理层提供简单健壮的信号调制和无线收发技术，包括信道的选择、无 线信号检测、信号的发送与接收等。 数据链路层负责数据帧、帧检测、媒体访问和差错控制。在无线传感器 网络中保证节点之间的可靠无线通信。 网络层主要负责路由生成与路由选择。 传输层主要负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。 应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。
WSN的应用领域
（1）军事应用
WSN应用最早起源于军事领域。利用WSN可以快速部署、自行组织网络、隐蔽 性强、高容错性的特点。可以在战场上广泛应用。 包括：对敌军兵力、武器的监测、战场实时监视、目标定位与锁定、战果评估等。 （2）环境科学 随着人们对环境的日益关注、环境科学涉及的范围越来越广发。WSN通常用于 跟踪候鸟和昆虫的迁移，分析环境变化对农作物的影响，监测降雨量、森林火灾报 警等等。 （3）医疗健康 通过在患者身上安装用于监测身体机能的微型传感器节点，如心率和血 压设备等，医生可以远程监视测试人群的健康状况；将一些微型传感器植
侵检测以及在破坏和受干扰的条件小可靠完成任务。
在无线传感器网络的网络协议研究主要集中于MAC协议和路由协议。 MAC层是构建底层的基础结构，控制无线传感器节点的通信过程和工作 模式。路由协议要关注节点与全网的能量消耗。常用的MAC协议有： IEEE802.15.4、S-MAC、及T-MAC协议等；路由协议有：SPIN、DO、 GEM、LEACH等协议。
大规模网络：为获取精确信息，部署大量传感器节点数量多分布密集，减 少监测盲点，增强容错性。 自组织：WSN布设不依赖于预设的网络设施，节点通过协议协调各自行
为，开机即自动组成网络。自组织性适应节点失效或增加使得网络拓扑的
动态变化。 可靠的网络：适应各种恶劣的环境，监测区域限制和庞大的数量造成维护
WSN的热点与难点问题：
利用MEMS技术设计小型化的节点设备和对网络本身的研究。 电池无线充电技术、太阳能和节点供电相结合。 无线传感器网络的安全问题：低开销协议设计完成数据加密、认证、入
困难。
与应用相关：不同的网络，不同的硬件平台、软件系统、网络协议 资源有限：功耗、节点的硬件资源、计算能力和处理能力
以数据为中心：用户以数据为中心进行数据的收集，不依赖于节点
标识。
与传统传感器系统相比其优点如下：
精确高：实现单一的传感器无法实现的密集空间采样及近距离监测。 灵活性强：一经部署无需人为干预。 可靠性高：可以避免单点失效问题 性价比高：降低有线传输成本，随着技术的发展，传感器成本低
用 WSN 探测工作现场的一些重要信息。 Intel 公司曾在芯片制造设备上安装过
200个传感器节点来监控设备的震动情况，并在测量结果超出规定时提供监测报 告。 （6）其他方面 WSN在城市交通、安全、空间搜索以及商业领域也有广阔的应用前景。
• 谢谢各位老师！
移动系统
传感器硬件结构框架示意图
常见的网络拓扑结构
链型 星型
终端节点 路由器
网络型
基站节点
Zigbee协调器节点
WSN体系结构
分布式网络服务接口 分布式网络管理接口
WSN的体系
结构分为三部分：
分层的网络通信协 议、传感器网络管 理和应用支撑技术。
应用层 传输层 网络层
时间同步
定位
传输控制
路由
能 量 管 理
WSN的关键技术及研究热点
低功耗技术
电源能量有限：通常电池供电、工作环境恶劣，一次部署终生使用，难于更换。
无线通信技术
通信能力有限：速率小，覆盖范围小几十米到几百米，需在有限的通信能力条件下完成
探测数据传输。
嵌入式系统设计
计算处理能力有限：节点体积小，处理器能力弱、存储容量小，不允许进行复杂算法运
传感器网络管理技术主要对传感器节点自身的管理以及用户对传
感器网络的管理，如能量管理、拓扑管理、网络管理、网络安全、 移动管理和远程管理等。
传感器应用支撑技术是建立在封层协议和网络管理技术的基础上
为用户提供了各种具体的应用支持，包括时间同步、节点定位以 及向用户提供协同应用服务接口等。
WSN的网络特点
入人体器官中或吞服的方式进入人体用来随时观测器官的生理状态。
（4）智能家居
在家电和家居中嵌入WSN的传感器节点，并与互联网连接在一起。可以提供 更舒适、方便、更具人性化的家居环境。如下班前遥控家里的电饭锅、微波炉、 电话机、空调等按照自己的意愿完成相应的工作。 （5）工业应用 可以用于车辆的跟踪、机械故障诊断、生产过程监控等。如将WSN和RFID 技术结合实现智能交通。在一些危险的工作环境如：煤矿、石油钻井、核电厂利
算。
多跳自组织的网络路由
自组织的动态网络结构：传感器没有基站、节点失效、新节点的加入，导致网络拓扑结 构的动态性。
数据融合方法
以数据为中心的网络：用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件，在满足用户需求条件 下，对监测数据进行数据融合处理以节省带宽和能量，提高信息收集效率。
网络安全性
无线传感器网络使用的通信技术主要有：
(1) WiFi (IEEE 802.11n)
(2) 蓝牙（Bluetooth)技术
(3) ZigBee 技术 (4) 低功率短距离无线通信
标准 应用领域 工作频段（Hz） 带宽（kbps） 节点个数 发送功率/mA 低占空比支持 调制方式 传输距离/m 技术优势 Bluetooth 代替外设线缆 2.4G 1000~3000 7 45 (2类) <150 (1类) 弱 FHSS 20 (2类) 100+ （1类） 成本，便捷 802.11b (WiFi) 无线接入 2.4G 11000+ 32 300 弱 DSSS 100+ 带宽，灵活性 802.15.4 (ZigBee) 检测与控制 2.4G 20~250 254000 30 强 DSSS 20~70 100+ （放大器） 功耗，成本 Nordic nRF905 无线数据传输 433/868/915M 100 100 11 弱 GFSK 200 功耗，成本， 便捷
传感器网络结构
感知现场 卫星通讯网 、互联网 汇聚节点
远程任务管理
用户 传感器节点 无线传感器网络结构示意图
传感器节点
它具有信息采集、处理、控制和通信等功能，对于网络而言它有兼顾其 他节点和路由器的功能。
传感器模块
传感器 AD/DC
处理模块
CPU RAM FLASH 网络
通信模块
MAC 收发器
GPS 系统
无线传感器网络系统
杨兴果
内容
• • • • • WSN的定义与无线通信技术简介 WSN的网络结构 WSN的网络体系 WSN开发中的关键技术及热点问题 WSN的应用场合
无线传感器网络定义及通信技术
随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系
统（System on Chip， SoC ）、无线通信和 低功耗嵌入式技术的飞速发 展,孕育出无线传感器网络（Wirless Sensor Network, WSN)，并以其低 功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信 息感知的一场变革，是一 个新兴的交叉研究领域，其定义如下： 无线传感器网络（WSN）由部署在监测区内大量的、廉价的、微型的静 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 采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报给用户。
拓扑管理
服 务 质 量
网 络 管 理
网 络 安 全
பைடு நூலகம்
移 动 控 制
远 程 管 理
数据链 路层
物理层
媒体接入
拓扑
RF
IR
Optical
WSN 协议体系结构示意图
分层网络通信协议： 物理层提供简单健壮的信号调制和无线收发技术，包括信道的选择、无 线信号检测、信号的发送与接收等。 数据链路层负责数据帧、帧检测、媒体访问和差错控制。在无线传感器 网络中保证节点之间的可靠无线通信。 网络层主要负责路由生成与路由选择。 传输层主要负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。 应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。
WSN的应用领域
（1）军事应用
WSN应用最早起源于军事领域。利用WSN可以快速部署、自行组织网络、隐蔽 性强、高容错性的特点。可以在战场上广泛应用。 包括：对敌军兵力、武器的监测、战场实时监视、目标定位与锁定、战果评估等。 （2）环境科学 随着人们对环境的日益关注、环境科学涉及的范围越来越广发。WSN通常用于 跟踪候鸟和昆虫的迁移，分析环境变化对农作物的影响，监测降雨量、森林火灾报 警等等。 （3）医疗健康 通过在患者身上安装用于监测身体机能的微型传感器节点，如心率和血 压设备等，医生可以远程监视测试人群的健康状况；将一些微型传感器植
侵检测以及在破坏和受干扰的条件小可靠完成任务。
在无线传感器网络的网络协议研究主要集中于MAC协议和路由协议。 MAC层是构建底层的基础结构，控制无线传感器节点的通信过程和工作 模式。路由协议要关注节点与全网的能量消耗。常用的MAC协议有： IEEE802.15.4、S-MAC、及T-MAC协议等；路由协议有：SPIN、DO、 GEM、LEACH等协议。
大规模网络：为获取精确信息，部署大量传感器节点数量多分布密集，减 少监测盲点，增强容错性。 自组织：WSN布设不依赖于预设的网络设施，节点通过协议协调各自行
为，开机即自动组成网络。自组织性适应节点失效或增加使得网络拓扑的
动态变化。 可靠的网络：适应各种恶劣的环境，监测区域限制和庞大的数量造成维护