第二章WSN物理层技术
物联网技术WSN技术课件
WSN具有低功耗、微型、低成本的特点，能够适应各种复杂环境和应用需求， 同时具有自组织和协同工作的能力，能够实现高效的信息采集和处理，为各种应 用提供可靠的数据支持。
03
WSN关键技术
节点设计与优化
01
02
03
04
微型化
节点设备的微型化设计可以提 高网络的隐蔽性，使其更难以
被发现和破坏。
低功耗
要点一
总结词
大规模部署、低成本、节能环保
要点二
详细描述
智慧城市需要大规模部署WSN节点设备，同时要求设备成 本低、节能环保等特点，以实现智慧城市的可持续发展。
05
WSN技术的发展趋势与挑战
WSN技术的发展趋势
低功耗
由于WSN节点通常由电池供 电，因此低功耗设计是WSN 技术发展的一个重要趋势。
智能化
安全与隐私保护
由于WSN节点通常暴露在外部环境中 ，因此需要采取一些安全措施来保护 数据安全和隐私。
05
04
数据处理与分析
WSN数据需要进行高效的处理和分析 ，以提取有用的信息和应用控制指令 。
06
总结与展望
物联网技术与WSN技术的发展对人类社会的影响与贡献
促进经济发展
物联网技术与WSN技术的发展 为人类带来了新的经济增长点，
平面路由协议
平面路由协议没有层次结 构，每个节点都平等地参 与路由决策。
能量感知路由协议
能量感知路由协议会考虑 节点的能量消耗情况，从 而选择最节能的路径。
数据融合与压缩
数据融合
数据融合技术可以将多个节点的 数据进行整合，从而减少数据的 冗余，提高数据的利用率。
数据压缩
数据压缩技术可以将数据进行压 缩，从而减少数据的传输量，提 高网络的带宽利用率。
王道计算机网络第二章物理层思维导图脑图
通信双方可以同时发送信和接受信息，也需要两条信道 Eg：打电话
串行传输&并行传输
串行传输 并行传输
将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送 速度慢，费用低，适合远距离 将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送 速度快，费用高，适合近距离
同步传输
在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称 区块传输，在传送数据时，需先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据
多模光纤
光纤
单模光纤
分类
1.传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
2.抗雷电和电磁干扰性能好 3.无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
特点
4.体积小，重量轻
自由空间，介质可以是空气、真空、海水等
信号向所有方向传播 较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）
无线电波
信号固定方向传播
基带信号与宽带信号
宽带信号
将基带信号进行调制后形成的频分复用信号，再传输到模拟信道上去传输（宽带传输）
把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中 传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）
在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内 容不易发生变化）
再生，放大信号
对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输 入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度， 不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备
功能
集线器不能分割冲突域
集线器（多口中继器）
连在集线器上的工作主机平分带宽
物理层设备
传输介质和物理层设备
深入解析无线传感器网络中的网络协议栈
深入解析无线传感器网络中的网络协议栈无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络系统。
这些节点可以感知环境中的各种物理量，并将其通过无线通信传输给中心节点进行处理和分析。
在WSN中，网络协议栈起着至关重要的作用，它负责管理和协调节点之间的通信，保证数据的可靠传输和网络的高效运行。
一、物理层物理层是WSN网络协议栈的最底层，主要负责将数字信号转换为模拟信号并进行无线传输。
在物理层中，常用的调制技术有频移键控（FSK）、相移键控（PSK）和正交频分多址（OFDM）等。
此外，物理层还需要考虑能量消耗的问题，因为无线传感器节点通常由电池供电，能量是非常有限的资源。
二、链路层链路层位于网络协议栈的第二层，主要负责节点之间的数据帧传输。
在WSN 中，由于节点之间的通信距离较近，链路层通常采用低功耗的无线通信技术，如低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE）和Zigbee等。
链路层还需要解决无线信道的共享和冲突问题，以保证数据的可靠传输。
三、网络层网络层是WSN网络协议栈的第三层，主要负责节点之间的寻址和路由。
在WSN中，网络层需要解决节点拓扑结构的建立和维护问题，以及数据包的转发和路由选择问题。
为了降低能量消耗，网络层通常采用分层路由协议，将网络划分为多个层次，每个层次的节点负责转发和处理相应的数据。
四、传输层传输层位于网络协议栈的第四层，主要负责节点之间的可靠数据传输。
在WSN中，由于节点之间的通信距离较近，传输层通常采用无连接的传输协议，如用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）。
传输层还需要解决数据包的分段和重组问题，以保证数据的完整性和可靠性。
五、应用层应用层是WSN网络协议栈的最顶层，主要负责节点之间的应用数据交互。
在WSN中，应用层需要根据具体的应用需求设计相应的协议和算法，以实现对环境中各种物理量的感知和监测。
《计算机网络（第7版）谢希仁著》第二章物理层要点及习题总结
《计算机⽹络（第7版）谢希仁著》第⼆章物理层要点及习题总结1.物理层基本概念：物理层考虑的是怎样才能再连接各种计算机的传输媒体上传输数据⽐特流，⽽不是指具体的传输媒体2.物理层特性：机械特性，电⽓特性，功能特性，过程特性3.数据通信系统：分为源系统（发送端）、传输系统（传输⽹络）、⽬的系统（接收端）三⼤部分，通信的⽬的是传送消息，数据是运送消息的实体，信号则是数据的电⽓或电磁的表现，通信系统必备的三⼤要素：信源，信道，信宿4.信号： （1）模拟信号（连续信号） 代表消息的参数的取值是连续的，连续变化的信号，⽤户家中的调制解调器到电话端局之间的⽤户线上传送的就是模拟信号。
（2）数字信号（离散信号），代表消息的参数的取值是离散的。
⽤户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话⽹中继线上传送的就是数字信号。
在使⽤时间域（或简称为时域）的波形表⽰数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。
在使⽤⼆进制编码时，只有两种不同的码元，⼀种代表0状态⽽另⼀种代表1状态。
（1码元可以携带的信息量不是固定的，⽽是由调制⽅式和编码⽅式决定的，1码元可以携带n bit的信息量，可以通过进制转换和多级电平）5.信道 （1）基本概念：信道⼀般⽤来表⽰向某⼀个⽅向传送信息的媒体，⼀条通信电路往往包含⼀条发送信道和⼀条接收信道。
（2）通信双⽅的交互⽅式： ①单⼯通信（单向通信）：即只能有⼀个⽅向的通信⽽没有反⽅向的交互，例如：⽆线电⼴播，有线电⼴播 ②半双⼯通信（双向交替通信）：即通信的双⽅都可以发送信息，但不能双⽅同时发送（当然也就不能同时接收）。
这种通信⽅式是⼀⽅发送另⼀⽅接收，过⼀段时间后可以再反过来。
例如：对讲机 ③全双⼯通信（双向同时通信）：即通信的双⽅可以同时发送和接收信息。
例如：打电话 （3）调制和解调 原因：信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。
像计算机输出的代表各种⽂字或图像⽂件的数据信号都属于基带信号。
第2章WSN协议技术标准
网络协议和应用硬件，称为“网络适配器”(Network Capable Appllcation Processor，NCAP)；第二层模块为“智能变送器接口模 块”(Smart Transducer Interface Module，STIM)，其中包括变送器 和电子数据表格TEDS。
15
1．MAC层服务规范
图 5 IEEE 802.15.4标准的MAC层组件接口
16
2．MAC层的帧结构
MAC层的每一个帧包含以下基本组成部分： ①帧头(MHR)，包含帧控制、序列号、地址信息； ②可变长的MAC负载，包括对应帧类型的信息，确认帧不包含负载； ③帧尾(MFR)，包括帧检验序列(FCS)。 (1)MAC层的通用帧结构 MAC层的通用帧结构由帧头、MAC负载和帧尾构成。帧头的域都以固定的
4
2．IEEE 1451标准的发展历程
在1994年3月，美国国家标准技术协会和IEEE共同组织一次 关于制定智能传感器接口和智能传感器连接网络通用标准的研讨 会。在1995年4月，成立了两个专门的技术委员会，即P1451.1 工作组和P1451.2工作组。
IEEE 1451.1标准在1999年6月通过IEEE的审核批准。 IEEE 1451.2标准在1997年9月通过IEEE的审核批准。
MHR
19
3．MAC层的功能描述
表6-9列出了MAC层定义的命令帧内容。全功能设备(FFD)必须 能够传输和接收所有的命令帧，而精简功能设备(RFD)则不用。 表中说明了哪些命令是RFD必须支持的。注意MAC命令传输只发 生在信标网络的CAP中，或者非信标网络中。
20
无线传感器网络技术原理及应用-ppt课件-第2章
11 尽管频段的选择由很多因素决定，但对于无线传感器
网络来说，必须根据实际应用场合来选择。因为频率的选
择决定了无线传感器网络节点的天线尺寸、电感的集成度 以及节点功耗。
12
2.3 通信信道
信道是信号传输的媒质。通信信道包括有线信道和无
线信道。有线信道包括同轴电缆、光纤等。无线信道是无 线通信发送端和接收端之间通路的形象说法，它以电磁波
S (t ) A(t )sin[2πf (t ) (t )]
(2-11)
34 式中，正弦波S(t)为载波，基于正弦波的调制技术即对其参
数幅度A(t)、频率f (t)和相位进行相应的调整，分别对应调
制方式的幅度调制(AM)、频率调制(FM)和相位调制(PM)。 由于模拟调制自身的功耗较大且抗干扰能力及2。
1 m d 10 m 20lg d d 20 30lg 10 m d 20 m 10 L Lfs d 29 60lg 20 m d 40 m 20 47 120lg d d 40 m 40
WSN
1.WSN体系包括哪些部分？？各部分的功能是什么？一个典型的传感器网络的体系结构包括：分布式传感器节点、接收发送器、互联网和用户操作界面无线传感器网络中的节点通过飞机播撒或人工部署等方式，密集部署在感知对象的内部或附近。
这些节点通过自组织方式构建无线网络，以协作方式感知、采集和处理网络覆盖区中特定信息，实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。
2。
简述wsn的osi模型即五层协议栈，各层的主要功能。
物理层，数据链路层，网络层，传输层，应用层（1）．物理层：负责信号的调制和数据的收发，所采用的传输介质主要有无线电、红外线、光波等。
WSN推荐使用免许可证频段（ISM）。
物理层的设计既有不利因素，例如传播损耗因子较大，也有有利的方面，例如高密度部署的无线传感器网络具有分集特性，可以用来克服阴影效应和路径损耗。
（2）. 数据链路层：负责数据成帧、帧监测、媒体接入和差错控制。
其中，媒体接入协议保证可靠的点对点和点对多点通信；差错控制则保证源节点发出的信息可以完整无误地到达目标节点。
（3）. 网络层：负责路由的发现和维护，由于大多数节点无法直接与网关通信，因此需要通过中间节点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚节点。
而这就需要在WSN节点与接收器节点之间多跳的无线路由协议。
（4）. 传输层：负责数据流的传输控制，主要通过汇聚节点采集传感器网络内的数据，并使用卫星、移动通信网络、Internet或者其他的链路与外部网络通信，是保证通信服务质量的重要部分。
（5）. 应用层：由各种面向应用的软件系统构成。
主要研究的是各种传感器网络应用的具体系统的开发，例如：作战环境侦查与监控系统，情报获取系统，灾难预防系统等等3.简述无线网络介质访问控制方法CSMA\CA的工作原理。
冲突避免的载波侦听多路访问，发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量…避免‟1.想发送信息的接点首先“监听”信道，看是否有信号在传输。
如果信道空闲，就立即发送。
无线传感器网络知识点
1. 无线传感器网络（wireless sensor network, WSN ）就是由部署在检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，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。
2. 构成WSN 的三要素：传感器、感知对象、观察者。
3. ADHOC 和WSN 的区别：(1)WSN(2)WSN (3)WSNAd hoc(4)WSN(5)WSN (6)WSN 以数据为中心。
4. WSN 的节点：传感模块、处理器模块、通信模块、电源模块 节点特点：电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限5. WSN 协议栈结构(1)能源管理平台：管理传感器节点如何使用能量；(2)移动管理平台：检测和注册传感器节点的移动，维护到汇聚点的路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居；(3)任务管理平台：在一个给定的区域内平衡和调度监测任务6. 传感器物理层作用：屏蔽物理设备和传输介质的差异目的：透明传输功能：提供传输通道；传输数据；其他特性：(1)机械特性(2)电气特性(3)功能特性(4)规程特性运用的技术：(1)介质和频段的选择(2)调制技术(3)扩频技术传输媒体：(1)建议采用ISM （工业、科学和医学）频段短距离的无线低功率通信最适合传感器网络(2)红外,不需要许可证，抗干扰要求收发双方在视线之内(3)光7.频率选择，载频发生，信号检测，调制，数据加密信号传播传播信号需要的最小发送功率和传输距离d的n次方成正比，2<= n < 4.为了减小传输距离，传感器网络采用多跳（multihop）通信方式8.MAC层协议：S-MAC协议、IEEE802.11 MAC协议9.MAC层有用功耗：(1)发送，接收数据(2)处理询问请求(3)转发询问和数据到邻居节点9.MAC层无用功耗：(1)信道的空闲侦听，“waiting for possible traffic”.(2)由于碰撞导致的重传，例如两个数据包同时到达同一节点(3)无意偷听：当节点接收到一个不属于他的数据包时(4)产生和处理控制数据包开销10.CSMA/CACSMA /CA载波侦听/冲突避免如何解决“隐匿终端问题11.S-MAC机制针对碰撞重传、串音、空闲侦听和控制消息等可能造成较多能耗的因素S-MAC 采用如下机制：(1)周期性侦听／睡眠的低占空比工作方式，控制结点尽可能处于睡眠状态来降低结点能量的消耗；(2)邻居结点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，减少结点的空闲侦听时间；(3)通过流量自适应的侦听机制，减少消息在网络中的传输延迟；(4)采用带内信令来减少重传和避免侦听不必要的数据；通过消息分割和突发传递机制来减少控制消息的开销和消息的传递延迟。
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。
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。
第二章 无线传感器网络技术关键技术(1)
课程目录
2.1 物理层关键技术 2.2信道接入技术 2.3 无线传感器网络路由 2.4 无线传感器网络拓扑控制技术 物理层关键技术 2.5 无线传感器网络覆盖技术 2.6 无线传感器网络的数据融合技术
2.7 无线传感器网络定位技术
2.2
2.
信道接入技术
基于竞争的MAC协议：
ALOHA（Additive Link On-Line Hawaii System）:C 当节点有数据需要发送时，直接向信道发送数据分组。在发 生数据冲突的情况下，各节点将对发生冲突的数据分组进 行重发。 重传策略：等待一段随机时间进行重发，再冲突再等待再重发， 直到发送成功。
Sleep Time
Listen
Sleep
Li入技术
基于竞争的MAC协议
2
S-MAC协议关键技术
3、串音避免机制：带内信令来减少重传和避 免监听不必要的数据，串音避免
虚拟载波侦听（控制信息）
Listen
Sleep
Listen
Sleep Time
2.2
举例
信道接入技术
2.2
2.8 无线传感器网络时间同步技术 2.9 通信标准
无线传感器网络协议栈
数据链路层——Data Link Layer
2.2
1
信道接入技术
无线传感器网络信道接入技术概述
目前，对大多数传感器硬件平台而言，无线通信 模块是传感器节点能量的主要消耗者，而MAC子 层直接与物理层连接，所以MAC协议节能效率的 好坏将严重影响网络的生命周期。
引言
无线传感器网络涉及多学科交叉的研究领域， 有非常多的关键技术有待发现和研究： 传感器网络协议负责是各个 网络拓扑控制技术 通过拓扑控制可以自动生成 独立的节点形成一个多跳的 良好的网络拓扑结构，能够 实现基本的安全机制，机密 网络协议（MAC协议，路由协议） 数据传输网络. 提高路由协议和 MAC协议， 性、点到点的消息认证、完 目前研究的重点是网络层的 网络安全 技术 媒体访问控制的效率，可以 整性鉴别、新鲜性、认证广 对多分数据进行综合，去除冗余信息， 协议，也就是路由协议，以 为数据融合、时间同步和目 播和安全管理。 时间同步是需要协同工作的 时间同步技术 使得基于能量受限的情况下，减少传 及数据链路层协议，也就是 定位机制必须满足自组织性， 标定位等很多方面奠定基础， 一个关键机制。 输的数据量，这样可以有效节省能量。 MAC媒体访问控制协议。 定位技术 健壮性、能量高效以及分布式 有利于节省节点能量来延长 但是它也牺牲了其他性能，延迟的代 网络的生存期。 计算等要求。在 WSN定位过程中， 路由协议决定监测信息的传 价，鲁棒性的代价。 数据管理和融合技术通常会采用三边测量法、三角 WSN需要的无线通信技术是要求 输路径，而MAC用来构建底 低功耗、低成本。 以数据库的方法在传感器网络中进行 测量法或极大似然估计法确定 无线通信技术（通信标准） 层的基础结构，控制传感器 数据管理。但是不同于传统的分布式 节点位置。 节点的通信过程和工作模式。 应用层技术（面向应用的软件系统等） 数据库，WSN节点上基本上是以数据 应用层的研究主要是各种传感器网络应用
第二章WSN物理层技术2011
29
无线传感网
几种调制技术性能比较
分类 成本 功耗 低传输范围和低速率 抗干扰能力 抗背景噪声能力 同步难易度 频谱利用率 多播能力 窄带 3 2 3 1 2 3 2 1 UWB 4 5 5 5 5 2 1 3 扩频 3 4 4 4 2 2 5 4
30
无线传感网
2.5 无线传感器网络物理层设计
发射模式消耗电流 /mA
接收模式消耗电流 /mA 传输速率/(b/s) 发射功率/dBm 接收机灵敏度/dBm
50
12 3.8（115.2kb/s） 1.8(2.4kb/s) OOK 30k ASK 115.2k 0 -97(115.2kb/s)
16.5(在868MHz， 0dBm)
9.6(868MHz) 最高可达76.8k -20~10 -110(2.4kBaud)
UWB信号带宽应大于500 MHz或相对带宽大于 0.2。相对带宽定义为
fH fL f c 2 fH fL
信号带宽与中心频率比在0.01~0.2时称为宽带， 小于0.01时称为窄带。 UWB无线通信的频率范围是3.1~10.6GHz。
23
无线传感网
UWB技术的优点
(1)不需要正弦波调制和上、下变频，也不需要 本地振荡器、功放和混频器等，因此体积相对 较小，系统结构也相对简单得多。而且，由于 UWB对信号的处理只需使用很少的射频或微波 器件，因而射频前端也比较简单，系统频率的 自适应能力强。另外，只要能将脉冲发射机和 接收机前端集成到一个芯片上，再加上时间基 和控制器，就可以构成一部UWB通信设备，因 此它的成本可以大大降低。
Pt 2 ( W / m ) 2 4d
7
物联网技术--WSN技术
◆7.数据管理 ◆8.无线通信技术 ◆9.嵌入式操作系统 ◆10.应用技术
5.WSN的应用现状
随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已 经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无 线传感器网络的应用主要集中在以下领域：
◆1. 环境的监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集 的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机 性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数 据收集方式给环境带来的侵入式破坏。无线传感器网络 还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物 的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也 可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤 的酸碱度和施肥状况等。
3.WSN的网络体系结构：
◆网络结构
结构入上图所示，传感器网络系统通常包括传感器节点 （sensor node），汇聚节点（sink node），和管理节点。大量传 感器节点随机的部署在检测区域内部或附近，能够通过自组织方 式构成网络。传感其节点检测的数据沿着其它节点逐跳的进行传 输，其传输过程可能经过多个节点处理，经过多跳后到达汇集节 点，最后通过互联网和卫星达到管理节点，用户通过管理节点对 传感器网络进行配置和管理，发布检测任务以及收集检测数据。
◆4其他用途
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如 一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可 以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为 车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生 产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网 络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组 成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作 条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可 以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效 率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目 前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用 价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到 更大的应用。
无线传感器网络技术介绍
无线传感器网络技术介绍无线传感器网络技术（Wireless Sensor Networks，简称WSN）指由大量的无线传感器节点组成的、能够进行自组织和协作、实时监测和感知物理世界的网络系统。
WSN结构简单、性价比高、易于布置和维护，经常被应用于农业、环境监测、智能交通等领域。
本文将深入探讨WSN的技术概念、组成方式、应用领域以及未来发展趋势等方面。
1. WSN的技术概念WSN由大量的传感器节点、中继节点、边缘节点和数据中心组成。
传感器节点负责采集周围环境的物理信息，尤其是温度、湿度、光照、压力、声音、动作等变量，并将采集到的信息通过无线信道传输到区域中心节点或中继节点。
中继节点则负责汇聚来自不同传感器节点的信息，转换格式并传输到数据中心。
边缘节点是用于通信和传输的节点，用于实现与其他网络系统的集成。
数据中心可将采集到的信息进行处理、分析、存储和展示等各种操作。
2. WSN的组成方式WSN的组成方式一般采用分布式结构，即将大量的传感器节点分散在所需要监测的区域中，由各自的节点进行数据采集、处理和传输，再将数据传输到中继节点或数据中心。
这种分布式结构使得WSN能够在独立工作、自主调整、自组织和自适应的情况下完成实时监测任务。
3. WSN的应用领域3.1 农业领域WSN在农业领域的应用主要是为了提高农作物的产量和质量，例如用于土壤水分、温度、光照强度、二氧化碳浓度等的测量和监测。
以土壤水分监测为例，WSN可以通过多个节点对农田中的土壤湿度进行密集监测，从而为农民实时掌握作物的水分状况提供数据支持。
此外，WSN还可以用于相应的农业气象观测，同时也可以监测到土壤中的营养含量和金属成分等信息。
3.2 环境监测领域WSN在环境监测领域的应用比较广泛，例如用于空气质量、噪声污染、水质信号的监测等。
由于相关技术的成熟，WSN方案可以很轻易地被部署在污染程度高的地区，例如化工厂、污水处理厂和垃圾处理厂等。
同时，WSN节点还可以用于地下水位监测以及评估森林火灾风险等方面的应用。
第02章、WSN体系结构
➢ 为数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)提供传送数据 的通路。
➢ 传输数据。
➢ 其他管理工作（如：信道状态评估、能量检测等）。
1.物理层的基本概念
通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述，这 四个特性的内容是指：
➢ 机械特性：
规定了物理链接时使用的可接插连接器的形状和尺寸，连接器中的引脚数量和排 列情况等。
通信网络或Internet，与观测节点进行交互。观测节点向网络发布查
询请求和控制指令，接收传感节点返回的目标信息。 目标
外部网络
（UAV、卫星通信 网、互联网等）
观测节点
远程任务管理
用户
数据传输或 信令交换
传感器节点
感知现场
体系结构概述
传感器节点具有原始数据采集、本地信息处理、无线数据传输 及与其它节点协同工作的能力，这些节点群随机部署在监测区域 内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。
无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚 节点(sink node)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域 (sensor field)内部或附近，具有无线通信与计算能力的微小传感器 网络节点通过自组织的方式构成的能够根据环境自主完成指定任务的 分布式智能化网络系统，并以协作的方式实现感知、采集和处理网络 覆盖区域中的信息，通过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或 者卫星到达数据处理中心管理节点。用户通过管理节点沿着相反的方 向对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。
2. 无线通信物理层的主要技术
调制技术
➢ 调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。通常信号源的编码 信息(即信源)含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。 基带信号往往不能作为传输信号，因而要将基带信号转换为相对基带 频率而言频率非常高的带通信号，以便于进行信道传输。通常将带通 信号称为已调信号，而基带信号称为调制信号。
无线传感器网络的物理层安全防护策略分享
无线传感器网络的物理层安全防护策略分享无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是一种由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络系统。
它具有广泛的应用前景，包括环境监测、智能交通、智能家居等领域。
然而，由于其开放的无线传输特性，WSN也面临着一系列的安全威胁，特别是在物理层上的攻击。
因此，本文将分享一些物理层安全防护策略，以提高WSN的安全性。
首先，物理层的安全防护策略可以从节点的部署和选择开始。
节点的密度和位置对于网络的安全性起着重要的作用。
密集的节点布置可以提高网络的容错性，一旦某个节点被攻击或失效，其他节点可以接替其功能。
同时，节点的位置选择也要考虑到安全因素，避免将节点暴露在易受攻击的区域。
例如，在军事应用中，节点可以选择部署在高地或难以接近的地方，以增加攻击者的难度。
其次，物理层的安全防护策略还可以通过加密技术来实现。
传感器节点之间的通信可以采用加密算法进行数据加密，以防止数据被窃听或篡改。
常见的加密算法包括对称加密算法和非对称加密算法。
对称加密算法使用相同的密钥进行加密和解密，速度快但密钥管理较为复杂；非对称加密算法使用公钥和私钥进行加密和解密，安全性较高但计算量较大。
根据实际需求和资源限制，可以选择合适的加密算法来保护通信数据的安全。
此外，物理层的安全防护策略还包括对信道的保护。
传感器节点之间的通信通常通过无线信道进行，因此对信道的安全保护至关重要。
一种常见的信道保护方法是频谱扩频技术。
频谱扩频技术通过将传感器节点发送的信号扩展到较宽的频带上，使得信号在频谱上呈现低功率密度，从而提高抗干扰和抗窃听的能力。
此外，还可以采用频率跳变技术来改变信号的传输频率，增加攻击者的难度。
最后，物理层的安全防护策略还包括对攻击的检测和响应。
传感器节点可以通过监测周围环境的物理特征来检测是否存在攻击行为。
例如，节点可以通过测量信号的强度、频率、相位等参数来判断是否有异常情况发生。
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。
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图2-1 节点各单元功耗分布图
2.2 频率分配
对于一个无线通信系统来说，频率波段的选择非常重要。 由于在6GHz以下频段的波形可以进行很好的整形处理，能较
容易地滤除不期望的干扰信号，所以当前大多数射频系统都 是采用这个范围的频段。
表2-1 频段划分及主要用途
表2-2 ISM波段频率
2.3 通信信道
从传感器节点各部分能量消耗的情况可以看出，传感器节点 大部分能量消耗在无线通信模块。
节点传输信息时要比执行计算时更消耗能量：
传输1比特信息100m距离需要消耗的能量大约相当于执行3000 条计算指令消耗的能量。
随着集成电路工艺的发展，处理器和传感器模块的功耗越来越 少，通信模块能量消耗占的比重是越来越大。
一个简单的正弦波可以表示为
s (t) A (t)si2n f(t) ((t))
调制方式为幅度调制（AM）、频率调制（FM） 和相位调制（PM）
目前模拟调制技术仍在上下变频处理中起着无 可代替的作用。
2.4.2 数字调制
窄带数字调制技术：ASK、FSK和PSK ASK调制电路结构如图2-7(a)，解调结构如图
2-7(b)，这种调制方式最大的特点是结构简单 易于实现。
2.4.2 数字调制（C）
FSK调制是使用两个频点携带信息的技术，其表达式可表述为式 (2.15)。根据调制波形的相位连续性又分为CPFSK(相位连续性 FSK)和NCPFSK(相位非连续性FSK)
e 0 ( t ) a n g ( t n s ) c T 1 t o a n g s ( t n s ) c T 2 t os
（2）衍射：依据惠更斯原理，波形上的任意一点可以被认为是 一个新的波源。如果一个传播的波形碰到一个尖锐的边缘，则其 可能传播到一个阴影区域。
（3）散射：当电波信号传播碰撞到小于信号波长障碍物时，如 传播波形碰到一个圆的表面时，则其可能发生多次反射，并弥散 到许多方向。
பைடு நூலகம் 多径效应与衰落特性
瑞利衰落信道
UWB无线通信的频率范围是3.1~10.6GHz。
UWB技术的优点
(1)不需要正弦波调制和上、下变频，也不需要 本地振荡器、功放和混频器等，因此体积相对 较小，系统结构也相对简单得多。而且，由于 UWB对信号的处理只需使用很少的射频或微波 器件，因而射频前端也比较简单，系统频率的 自适应能力强。另外，只要能将脉冲发射机和 接收机前端集成到一个芯片上，再加上时间基 和控制器，就可以构成一部UWB通信设备，因 此它的成本可以大大降低。
快衰落
多普勒扩展很高 相干时间小于符号周期（Tc<Ts) 信道变化比基带信号快
慢衰落
多普勒扩展低 相干时间大于符号周期（Tc>Ts) 信道变化比基带信号慢
2.4 调制解调
2.4.1 模拟调制 2.4.2 数字调制 2.4.3 UWB调制 2.4.4 扩频调制
2.4.1 模拟调制
多径信道，但无可视信道（NLOS）
赖斯衰落信道
有可视信道（LOS）的多径信道
多径传播中的衰落
平坦衰落： 相干带宽Bc大于信号带宽Bs（Bc>Bs) 时延扩展小于信号符号周期（σ<Ts) 频率选择性衰落 相干带宽Bc小于信号带宽Bs（Bc<Bs) 时延扩展大于信号符号周期（σ>Ts)
时变信道（多普勒扩展引起的衰落）
如图2-3所以。因此，到达接收天线的信号可 能存在多种反射波（广义地说，地面反射波也 包括在内），这种现象称为多径传播。可以用 图2-3表示这一现象。
2.3.2 多径信道
图2-3 造成多径传播的原因
2.3.2 多径信道
（1）反射：当信号传播碰撞到，当一个信号波形在媒体A中传播 时，碰到另一个媒体B，且两个媒体的边界是平滑的，媒体B边长 大大地大于信号波长，则传播信号波形的一部分会被反射回媒体 A，另一部分则进入媒体B而其余的部分则被吸收掉了。究竟信号 的能量有多少被反射、传播或吸收，取决于媒体的材料和信号的 频率。
具有高传输速率、高的时间和空间分辨率、低 功耗、保密性好、低成本及易于集成等特点， 被认为是未来短距离高速通信最具潜力的技术。
2.4.3 UWB通信技术
UWB信号带宽应大于500 MHz或相对带宽大于 0.2。相对带宽定义为
f
c2
fH fH
fL fL
信号带宽与中心频率比在0.01~0.2时称为宽带， 小于0.01时称为窄带。
P0 4Pdt 2(W/m2)
自由空间信道
自由空间信道
Friis方程主要是针对远距离理想无线通信，对 于无线传感器网络、蓝牙(Bluetooth)等短距离 通信。工程上往往来用改进的Friis方程来表示 实际接收到的信号强度，即为
Pr Pt4d0
2
d0 d
n
GtGr
2.3.2 多径信道
在超短波、微波波段，电波在传播过程中还会 遇到障碍物，例如楼房、高大建筑物或山丘等。 对电波产生反射、折射或衍射等。
2.3.1 自由空间信道 2.3.2 多径信道 2.3.3 加性噪声信道
自由空间信道
自由空间信道是—种理想的无线信道，它是无 阻挡、无衰落、非时变的自由空间传播信道
如图2-2所示，假定信号发射源是一个点(a点)， 天线发射功率为，则与点a相距d的任一点上 (相当于面积为的球面上)的功率(通量)密度为：
2.4.2 数字调制（C）
在2PSK中，载波的相位随着调制信号1和0而改 变，2PSK的时域表达式为
SBPSKn ang(tnnT )cocst
2.4.2 数字调制（C）
其他调制方式还有MSK、QPSK、OQPSK、 MQAM等，
2.4.3 UWB通信技术
超宽带(UWB，Ultra wide Band)无线通信技术 是近年来备受青睐的短距离无线通信技术之一。
第二章 物理层技术
2.1 概述 2.2 频率分配 2.3 通信信道 2.4 调制解调技术 2.5 物理层设计 2.6 小节
2.1 概述
WSN协议栈的五层模型中，物理层主要负责数据的调制、发 送与接收，是决定WSN节点体积、成本以及能耗的关键环节。
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。