无线传感器网络(WSN)综述-PPT课件
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无线传感网络精品PPT课件
Arduino核心库函数和系统库 函数
• void setup()//初始化配置函数，在main函数中首先 被执行，只执行一次
• void loop()//无限循环函数 • delay()//延迟函数 • ……
Zigduino基础实验
• 通用数字IO口点亮LED • 串口的使用 • ADC口光敏传感器控制 • 外部中断点亮LED • 定时器的使用 • 1602型LCD的应用
无线传感网络(WSN)
无线传感网络关键词
英文：Wireless Sensors Networking •传感 •无线网络
概念
• 无线传感器网络是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世 界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备 位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线 通信方式形成的一个多跳自组织网络。
下载程序后，LED红 灯亮了。然后你用黑
• pinMode(1,INPUT); //配置1号数字引脚为输入模式
色导线的
• void loop() •{ • if (digitalRead(1))
就可以发现灯灭了， 因为3号引脚读取的 电平是低电平。（默 //读取1号引脚的电平判断是否为高电平 认情况下管脚输入的
digitalWrite(3,HIGH); delay(1000);//延时1000ms digitalWrite(3,LOW); delay(1000);
怎么理解delay( )函数？就好像 一个要走路的人在原地踏步！
MCU一旦上电，根本停不下来
Arduino包含的以下数字IO口库函数
• void pinMode(uint8_t pin, uint8_t mode)：设置管脚的方向， pin表示管脚的序号,mode表示方向，只能取INPUT，OUTPUT 两个值,如下面的代码把管脚10设成输入：
第8章无线传感器网络newPPT课件
应用相关 ：由于应用环境区别很大，传感网路
由机制由应用确定
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设计无线传感器网络路由机制的要求
(1) 能量高效 (2) 可扩展性 (3) 鲁棒性：路由机制有一定的容错能力。 (4) 快速收敛性 ：路由表更新，并将分组
发送到新的接口所用的时间。
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路由协议分类
根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感度不同，可以将 路由协议分为四种类型：
(1)能量感知路由协议。早期传感网络路由协议仅考虑能量 因素，如能量路由算法和能量多路径路由算法。
(2)基于查询的路由协议。实时监测应用中，以数据查询为 主，通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的命令 和数据传输，同时传感器节点通常进行数据融合。
(3)地理位置路由协议。目标跟踪应用中，需要知道节点的 地理位置，以此作为路由依据。
通常采用微型电池。
14
3.无线传感器网络的协议体系
❖ 图a是早期协议栈模型，与互联网五层协议栈 对应
❖ 图b是细化后的协议栈模型
时间同步和定位子层既要依赖于数据传输通道进 行协作定位和时间同步协商，又要为其他各层提 供信息支持，如基于时分复用的MAC协议，基于 地理位置的路由协议等。
b右边诸多机制一部分融入到协议中，另一部分
19
MAC协议分类标准:
❖ 缺乏统一的分类标准，采用以下几种： 采用分布式控制还是集中控制 使用单一共享信道还是多个信道 采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式
20
采用第三种标准的MAC协议分类:
(1) 采用无线信道的时分复用方式，给每个传感器节点分配固 定的无线信道使用时段，从而避免节点之间的相互干扰。 包括基于分簇网络的MAC协议、DEANA协议、基于周期性 调度的协议、TRAMA协议、DMAC协议等。
WirelessSensorNetwork.ppt
WSN概述（续）
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 价卫星传感器节点组成，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。
构成WSN的三要素： 传感器、感知对象、观察者。
WSN的协议（续）
路由协议 和传统的路由协议相比，无线传感器的路 由协议有以下特点：
☆能量优先 ☆基于局部拓扑信息 ☆以数据为中心 ☆应用相关
WSN的协议（续）
路由协议分类 ☆能量感知路由协议。 ☆基于查询的路由协议。 ☆地理位置的路由协议。 ☆可靠的路由协议。
关键技术
网络拓扑控制 网络协议 网络安全 时间同步 定位技术 数据融合 数据管理 无线通信技术 嵌入式操作系统 应用层技术
当发生坍塌时，坍塌区域内的节点发生移位，在网络 中形成空洞。当一个节点发现它的一些邻居突然消失 时（收听不到信标），判断自己成为空洞的一个边界 节点，向汇聚节点报告自己的位置。
汇聚节点计算空洞区域。
（3）人居环境监视[3]
在一个标准的电源插线板上扩充了各种 传感器和无线收发器，一个微处理器控 制所有的部件，成为一个plug节点。
传感器网络具有可快速部署、可自组织、 隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适 合军事上的应用。通过飞机或炮弹直接将 传感器节点散播到敌方阵地内部，或者在 公共隔离带部署传感网络，就能隐蔽而且 近距离的准确收集战场信息。
例:传感器网络已经成为美军事C4ISRT系统 必不可少的一部分。
WSN的应用（续）
可在森林的不同地方（如森林的中心 处、迎风面、背风面、向阳面等）部 署这样的传感器网络，然后利用长距 离上行链路将数据发送到汇聚节点。
《无线传感器网络》课件
能耗问题
总结词
无线传感器网络的能耗问题是制约其发展的 关键因素之一。
详细描述
由于无线传感器网络中的节点通常由电池供 电，而电池寿命有限，因此如何降低能耗， 延长节点寿命是亟待解决的问题。此外，在 某些应用场景中，频繁更换电池或充电会给
维护带来困难和成本增加。
标准化问题
总结词
无线传感器网络的标准化问题涉及到不同厂商和应用 的互操作性问题。
开发工具包括硬件开发工具和软件 开发工具，硬件开发工具用于开发 传感器节点硬件电路板，软件开发 工具用于编写、调试和测试应用程 序代码。
03
无线传感器网络的通信协议
MAC协议
信道分配
MAC协议负责无线信道的分配，确保节点 间的通信不会发生冲突。
能量效率
MAC协议应考虑能量效率，避免过多的空 闲监听和数据重传。
动态环境适应性
路由协议应能适应网络拓扑的变化和 节点的动态加入/离开。
能量感知协议
能量管理
能量感知协议旨在有效地管理节点的能量，延长网络的生命周期。
节能技术
采用诸如功率控制、休眠机制等节能技术来降低能耗。
负载均衡
通过均衡节点的负载来降低能耗，避免某些节点过早耗尽能量。
能量预测
利用历史数据预测节点的剩余能量，优化路由和任务分配。
06
无线传感器网络的挑战与展望
安全性问题
总结词
无线传感器网络面临多种安全威胁，如数据 窃取、恶意攻击、篡改等。
详细描述
由于无线传感器网络中的节点通常部署在无 人值守的环境中，因此容易受到攻击者的窃 听、干扰和恶意篡改。攻击者可能通过截获 节点间的通信数据，获取敏感信息，或者对 网络进行破坏，导致网络瘫痪或数据传输错 误。
第5章-WSN无线传感器网络安全PPT课件
据。
16
5.1 无线传感器网络安全概述
A -> B: NA, {RQST}(Ke,C), {C||{RQST}(Ke,C)}Kmac
B -> A: {RPLY}(Ke,C’), {NA||C’||{RPLY}(Ke,C’)}Kmac
➢ SNEP中节点间的安全通信
A -> B: NA，A B -> S: NA，NB，A，B，{NA||NB||A||B}KBS
.
24
5.1 无线传感器网络安全概述
3. 网络层的攻击和防御
• 传感器网络的动态性,因此没有固定的基础结构,所以 每个节点都需要具有路由的功能，更易于受到攻击。
(1) 虚假路由信息
• 通过欺骗,更改和重发路由信息,攻击者可以创建路由 环,吸引或者拒绝网络信息流通量,延长或者缩短路由 路径,形成虚假的错误消息,分割网络,增加端到端的时 延。
（4）真实性。
点到点的消息认证使得在收到另一节点发送来 的消息时，能够确认这个消息确实是从该节点发送 过来的；广播认证主要解决单个节点向一组节点发 送统一通告时的认证安全问题。
.
10
5.1 无线传感器网络安全概述
（5）新鲜性。
WSN中由于网络多路径传输延时的不确定性和 恶意节点的重放攻击使得接收方可能收到延后的相 同数据包。新鲜性要求接收方收到的数据包都是最 新的、非重放的，即体现消息的时效性。
验证P1和P2的完整性，利用K2来验证P3的完整性。
.
20
5.1 无线传感器网络安全概述
• 基本的流认证协议
P1
P2
Pn
Pn+1
M1
M2
Mn
H(P n)
H(P1)
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5.1 无线传感器网络安全概述
A -> B: NA, {RQST}(Ke,C), {C||{RQST}(Ke,C)}Kmac
B -> A: {RPLY}(Ke,C’), {NA||C’||{RPLY}(Ke,C’)}Kmac
➢ SNEP中节点间的安全通信
A -> B: NA，A B -> S: NA，NB，A，B，{NA||NB||A||B}KBS
.
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5.1 无线传感器网络安全概述
3. 网络层的攻击和防御
• 传感器网络的动态性,因此没有固定的基础结构,所以 每个节点都需要具有路由的功能，更易于受到攻击。
(1) 虚假路由信息
• 通过欺骗,更改和重发路由信息,攻击者可以创建路由 环,吸引或者拒绝网络信息流通量,延长或者缩短路由 路径,形成虚假的错误消息,分割网络,增加端到端的时 延。
（4）真实性。
点到点的消息认证使得在收到另一节点发送来 的消息时，能够确认这个消息确实是从该节点发送 过来的；广播认证主要解决单个节点向一组节点发 送统一通告时的认证安全问题。
.
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5.1 无线传感器网络安全概述
（5）新鲜性。
WSN中由于网络多路径传输延时的不确定性和 恶意节点的重放攻击使得接收方可能收到延后的相 同数据包。新鲜性要求接收方收到的数据包都是最 新的、非重放的，即体现消息的时效性。
验证P1和P2的完整性，利用K2来验证P3的完整性。
.
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5.1 无线传感器网络安全概述
• 基本的流认证协议
P1
P2
Pn
Pn+1
M1
M2
Mn
H(P n)
H(P1)
无线传感网络课件
pinMode(3,OUTPUT); //配置3号数字引脚为输出模式
pinMode(1,INPUT); //配置1号数字引脚为输入模式 } void loop() { if (digitalRead(1)) //读取1号引脚的电平判断是否为高电平
digitalWrite(3,HIGH); //将3号引脚的电平设置为高电平
无线传感网络(WSN)
无线传感网络关键词
英文：Wireless SensHale Waihona Puke rs Networking
传感 无线网络
概念
无线传感器网络是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世 界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备 位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线 通信方式形成的一个多跳自组织网络。
串口可以调试你的 程序，很方便
digitalWrite(1,HIGH); //当光线暗时，点亮led灯
else
中断Interrupt(INT)
什么是中断
中断的类型 中断三要素 中断作用
什么是中断
单片机暂停正在运行的程序，保存现场，自动转去执行相应 的程序，执行完以后再返回断点继续执行被打断的程序。这个过 程就叫中断。
IO口实验二
电路连接
新建IO2工程项目
#include "io2.h"
void setup() { 下载程序后，LED红 灯亮了。然后你用黑 色导线的另外一端插 入到GND即地，此时 就可以发现灯灭了， 因为3号引脚读取的 电平是低电平。（默 认情况下管脚输入的 读取值是高电平）
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无线传感器网络（WSN）综述
2010/5/6
主要内容：
WSN概述 历史以及发展现状 WSN的体系结构 WSN的特征 WSN的应用 WSN的协议 关键技术 未来发展机遇展望
WSN概述
无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）系统是当前在国际上备受关 注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的 前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌 入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分 布式信息处理技术等。
传感器网络由物理层、数据链路 层、网络层、传输层、应用层、 能量管理平面、移动性管理平面 和任务管理平面八个部分组成。
传感器网络协议栈
WБайду номын сангаасN的特征
☆与无线网络的区别 传感器网络集成了监测、控制以及无线通 信的网络系统，节点数目庞大（上千甚至上 万），分布密集，因环境和能量的耗尽，容易 出现故障。能量、处理能力、存储能力、通信 能力有限。不同于传统无线网络的高服务质量 和高效的带宽的利用，节能是其设计的首要考 虑因素。
特点之四——可靠的网络
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”每个传感器 节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。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性和 容错性。
特点之五——应用相关的网络
WSN概述（续）
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 卫星传感器节点组成，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。 构成WSN的三要素： 传感器、感知对象、观察者。
传感器网络的大规模性包括两方面的含义： 一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内 （原始大森林防火和环境监测），需要部署大 量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署 很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集 部署了大量的传感器节点。
特点之二——自组织网络
在传感器网络应用中，传感器节点被放置 在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不 能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预 先也不知道（通过飞机播撒大量传感器节点到 面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可 到达或危险的区域）。这样就要求传感器节点 具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理， 通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监 测数据的多跳无线网络系统。
历史以及发展现状（续）
2019-2019年DARPA资助，加州大学伯克 利分校等25个机构联合承担的SensIT计划； 2019-2019年间海军研究办公室的 SeaWeb计划等。 国内： 中国的一些研究机构近年开始研究：中国 科学技术大学、清华大学、中科院计算所、上 海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智能所等 研究单位 。
历史以及发展现状
国外： 起源于美国，根源可追溯到1978年由国 防部高级研究计划署（DARPA）在卡内基-梅 隆大学发起的分布式传感器研讨会。 具有代表性的项目包括：1993-2019年间 由美国国防高级研究计划署(DARPA)资助，加 州大学洛杉矶分校(UCLA)承担的WINS项目； 2019-2019年间由DAPRA资助UC Berkeley 承担的Smart Dust项目。
特点之三——动态性网络
传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改 变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点 出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无 线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感 器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素 都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要 求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有 动态的系统可重构性。
WSN概述（续）
影响力: ☆美国商业周刊和MIT技术评论(技术编辑部门)在预 测未来技术发展报告中将无线传感器网络列为21 世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技 术之一。 ☆传感器网络被列为未来3大高科技产业一。 ☆美国的《技术评论》将无线传感器网络列为第 一项未来新兴技术。 ☆《商业周刊》 预测的未来4大新技术中，无线 传感器网络也列入其中等。
WSN的特征（续）
☆节点的限制 ※电池能量有限 ※通信能力有限 能量消耗和通信距离关系E正比于d (n).{2<n<4} ※计算和存储能力有限
WSN的特征（续）
☆传感器网络的特点： 大规模网络 自组织网络 动态性网络 可靠性网络 应用性相关的网络 以数据为中心的网络
特点之一——大规模网络
特点之六——以数据为中心的网络
在互联网中，网络设备用网络中惟一的 IP 地 址标识。 传感器网络中的节点采用节点编号 标识，由于传感器节点随机部署，节点编号与 节点位置没有必然联系。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， 网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这 种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接 近于自然语言交流的习惯。（如，在目标跟踪 的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地 方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位 置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。）
传感器网络用来感知客观世界多种多样的物 理量，不同的应用背景对传感器网络的要求不 同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会 有很大差别。所以传感器网络不能像 Internet -样，有统一的通信协议平台。对于不同的传 感器网络应用虽然存在一些共性问题，但针对 每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是 传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。
历史以及发展现状（续）
之所以国内外都投入巨资研究机构纷纷开 展无线传感器网络的研究，很大程度归功于其 广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。
WSN的体系结构
传感器网络结构
数据采集、处理、 通信能力
WSN的体系结构（续）
传感器节点结构
MAC主要负责控 制与连接物理层 的物理介质
WSN的体系结构（续）
2010/5/6
主要内容：
WSN概述 历史以及发展现状 WSN的体系结构 WSN的特征 WSN的应用 WSN的协议 关键技术 未来发展机遇展望
WSN概述
无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）系统是当前在国际上备受关 注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的 前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌 入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分 布式信息处理技术等。
传感器网络由物理层、数据链路 层、网络层、传输层、应用层、 能量管理平面、移动性管理平面 和任务管理平面八个部分组成。
传感器网络协议栈
WБайду номын сангаасN的特征
☆与无线网络的区别 传感器网络集成了监测、控制以及无线通 信的网络系统，节点数目庞大（上千甚至上 万），分布密集，因环境和能量的耗尽，容易 出现故障。能量、处理能力、存储能力、通信 能力有限。不同于传统无线网络的高服务质量 和高效的带宽的利用，节能是其设计的首要考 虑因素。
特点之四——可靠的网络
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”每个传感器 节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。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性和 容错性。
特点之五——应用相关的网络
WSN概述（续）
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 卫星传感器节点组成，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。 构成WSN的三要素： 传感器、感知对象、观察者。
传感器网络的大规模性包括两方面的含义： 一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内 （原始大森林防火和环境监测），需要部署大 量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署 很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集 部署了大量的传感器节点。
特点之二——自组织网络
在传感器网络应用中，传感器节点被放置 在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不 能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预 先也不知道（通过飞机播撒大量传感器节点到 面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可 到达或危险的区域）。这样就要求传感器节点 具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理， 通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监 测数据的多跳无线网络系统。
历史以及发展现状（续）
2019-2019年DARPA资助，加州大学伯克 利分校等25个机构联合承担的SensIT计划； 2019-2019年间海军研究办公室的 SeaWeb计划等。 国内： 中国的一些研究机构近年开始研究：中国 科学技术大学、清华大学、中科院计算所、上 海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智能所等 研究单位 。
历史以及发展现状
国外： 起源于美国，根源可追溯到1978年由国 防部高级研究计划署（DARPA）在卡内基-梅 隆大学发起的分布式传感器研讨会。 具有代表性的项目包括：1993-2019年间 由美国国防高级研究计划署(DARPA)资助，加 州大学洛杉矶分校(UCLA)承担的WINS项目； 2019-2019年间由DAPRA资助UC Berkeley 承担的Smart Dust项目。
特点之三——动态性网络
传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改 变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点 出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无 线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感 器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素 都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要 求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有 动态的系统可重构性。
WSN概述（续）
影响力: ☆美国商业周刊和MIT技术评论(技术编辑部门)在预 测未来技术发展报告中将无线传感器网络列为21 世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技 术之一。 ☆传感器网络被列为未来3大高科技产业一。 ☆美国的《技术评论》将无线传感器网络列为第 一项未来新兴技术。 ☆《商业周刊》 预测的未来4大新技术中，无线 传感器网络也列入其中等。
WSN的特征（续）
☆节点的限制 ※电池能量有限 ※通信能力有限 能量消耗和通信距离关系E正比于d (n).{2<n<4} ※计算和存储能力有限
WSN的特征（续）
☆传感器网络的特点： 大规模网络 自组织网络 动态性网络 可靠性网络 应用性相关的网络 以数据为中心的网络
特点之一——大规模网络
特点之六——以数据为中心的网络
在互联网中，网络设备用网络中惟一的 IP 地 址标识。 传感器网络中的节点采用节点编号 标识，由于传感器节点随机部署，节点编号与 节点位置没有必然联系。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， 网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这 种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接 近于自然语言交流的习惯。（如，在目标跟踪 的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地 方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位 置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。）
传感器网络用来感知客观世界多种多样的物 理量，不同的应用背景对传感器网络的要求不 同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会 有很大差别。所以传感器网络不能像 Internet -样，有统一的通信协议平台。对于不同的传 感器网络应用虽然存在一些共性问题，但针对 每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是 传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。
历史以及发展现状（续）
之所以国内外都投入巨资研究机构纷纷开 展无线传感器网络的研究，很大程度归功于其 广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。
WSN的体系结构
传感器网络结构
数据采集、处理、 通信能力
WSN的体系结构（续）
传感器节点结构
MAC主要负责控 制与连接物理层 的物理介质
WSN的体系结构（续）