无线传感器网络
无线传感器网络实验报告
一、实验背景随着物联网技术的飞速发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）作为一种重要的信息获取和传输手段，在军事、环境监测、智能交通、智能家居等领域得到了广泛应用。
为了深入了解无线传感器网络的工作原理和关键技术，我们进行了本次实验。
二、实验目的1. 熟悉无线传感器网络的基本概念和组成；2. 掌握无线传感器网络的通信协议和拓扑结构；3. 熟悉无线传感器网络的编程与调试方法；4. 通过实验，提高动手能力和实践能力。
三、实验内容1. 无线传感器网络概述无线传感器网络由传感器节点、汇聚节点和终端节点组成。
传感器节点负责感知环境信息，汇聚节点负责收集和转发数据，终端节点负责处理和显示数据。
传感器节点通常由微控制器、传感器、无线通信模块和电源模块组成。
2. 无线传感器网络通信协议无线传感器网络的通信协议主要包括物理层、数据链路层和网络层。
物理层负责无线信号的传输，数据链路层负责数据的可靠传输，网络层负责数据路由和传输。
3. 无线传感器网络拓扑结构无线传感器网络的拓扑结构主要有星形、树形、网状和混合形等。
星形拓扑结构简单，但易受中心节点故障影响；树形拓扑结构具有较高的路由效率，但节点间距离较长；网状拓扑结构具有较高的可靠性和路由效率，但节点间距离较远。
4. 无线传感器网络编程与调试本实验采用ZigBee模块作为无线通信模块，利用IAR Embedded WorkBench开发环境进行编程。
实验内容如下：（1）编写传感器节点程序，实现数据的采集和发送；（2）编写汇聚节点程序，实现数据的收集、处理和转发；（3）编写终端节点程序，实现数据的接收和显示。
5. 实验步骤（1）搭建实验平台，包括传感器节点、汇聚节点和终端节点；（2）编写传感器节点程序，实现数据的采集和发送；（3）编写汇聚节点程序，实现数据的收集、处理和转发；（4）编写终端节点程序，实现数据的接收和显示；（5）调试程序，确保各节点间通信正常；（6）观察实验结果，分析实验现象。
无线传感器网络与物联网
无线传感器网络与物联网随着科技的不断进步和互联网的普及，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）和物联网（Internet of Things，简称IoT）已经成为现代社会中不可或缺的一部分。
它们的出现不仅带来了便利和创新，同时也为我们的生活和工作带来了巨大的改变。
一、无线传感器网络（WSN）无线传感器网络是由分布在广域范围内的无线传感器节点组成的一种网络系统。
传感器节点可以感知和采集周围环境的物理量或状态，并通过内部通信方式将采集到的信息传输到指定位置。
这些节点可以以无线方式相互连接，形成一个自组织的网络结构。
WSN的基本组成部分包括传感器节点、数据处理器、无线通信模块和电源。
WSN在工业、农业、环境监测等领域具有广泛的应用。
例如，在工业领域，WSN可以用于实时监测设备的状态，预测故障，并及时采取相应的措施，提高生产效率和设备可靠性。
在农业领域，WSN可以监测土壤湿度、气温等参数，帮助农民科学地管理农作物，提高农业生产效益。
在环境监测领域，WSN可以用于监测大气污染、水质污染等环境参数，及时预警环境问题，保护生态环境。
二、物联网（IoT）物联网是由各种物理设备、传感器、软件和网络连接而成的智能化系统。
物联网通过各种感应器和控制器，将物理世界与数字世界相互连接，实现设备之间的互联互通。
物联网技术可以为人们的生活提供智能化、便捷化的服务，例如智能家居、智能交通、智能医疗等。
在智能家居领域，物联网技术可以让家中的各种设备（如电视、冰箱、空调等）通过互联网相互连接，实现远程控制和智能管理。
通过智能家居系统，我们可以远程监控家中的安全状况，自动管理家电设备的能耗，提高生活的便利性和舒适度。
在智能交通领域，物联网技术可以实现交通信号灯的智能控制，车辆之间的实时通信，增强交通的安全性和效率。
在智能医疗领域，物联网技术可以用于远程医疗、健康监测等，提高医疗资源的利用效率和健康管理的水平。
无线传感网络
无线传感网络无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络。
是由部署在监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。
WSN中的传感器节点通过无线方式通信，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。
且在科技水平大幅度提高的基础上传感器节点的成本和能耗也逐渐降低，使得WSN在很多领域得到应用。
最早现代意义上的传感器是1879年德国科学家霍尔在研究金属的导电机制时制作的磁场传感器。
经过100多年的发展，传感器的功能不再单一，可以采集温度、湿度、位置、光强、压力、生化等标量数据。
1996年，美国军方资助加州大学洛杉矶分校（UCLA）等单位开展低功耗无线传感器网络（Low-power Wireless Integrated Microsensors，LWIM）的研究。
LWIM III型无线传感器节点将传感器、控制电路与电源电路集成为一体。
两年之后，UCLA与Rockwell合作，开发了Rockwell WINS（Wireless Integrated Network Sensor）无线传感器节点。
该节点使用32位微处理器Strong ARM、1MB的内存与4MB的闪存，数据传输速率是100kbps，工作时的功耗为200mw，睡眠时的功耗是0.8mw。
与此同时，加州大学伯克利分校（UCB）也开展了“Smart Dust”（智能尘埃）项目的研究。
“智能尘埃”意指传感器节点的体积非常小，如尘埃一般。
该项目研究的目标是通过MEMS技术，实现传感、计算与通信能力的集成，用智能传感器技术增强微型机器人的环境感知与智慧处理能力。
其研究任务是开发一系列低功耗、自组织、可重构的无线传感器节点。
1998年研制的WeC智能传感器节点使用的是8位、主频为4MHz的AT90LS8535微处理器芯片，内存是512B，闪存为8kB，数据传输速率为10kbps，工作时的功耗为15mw，睡眠时的功耗是45μw。
无线传感器网络
提纲
• 无线传感器网络概述 • 无线传感器网络部署 • 无线传感器网络体系结构 • 传感节点概述 • 无线传感器网络特点 • 无线传感器网络协议栈
结点间的通信
通过飞机、火箭、 人工等形式，将大量 传感器结点分布在需 要监测的区域内。
结点处于睡眠状态
无线传感器网络
传感技术 MEMS 通信技术
无线传感器网络概述
• 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 价传感器节点组成，以无线通信方式形成 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。
Code
为上层协议提供逻辑链路
应用层 传输层 网络层 数据链路层 网络层
Time
Frequency
WSN的MAC 协议必须具备节能机制和节点移动及失效管理 策略。
无线传感器网络MAC协议
• 典型协议介绍：S-MAC
自适应侦听技术(adaptive listening)，减少由于节点 休眠带来的延迟。节点在窃听到RTS或者CTS报文之 后，可以确定当前传输的持续时间。当本次传输结束 后，再次侦听信道一段时间，确定是否能够实现数据 的连续传输。
网络层
数据链路层
网络层
物理层
• 传感器节点处于以下三种状态：工作、standby与 失效（能源耗尽）状态。
• 状态转换时间：节点从一个状态转为另一个状态 需要的时间，特别是从休眠与工作状态之间的转 换时间对于协议设计非常重要
• 物理器件功耗是传感器节点的主要功耗来源之 一，在满足成本要求的前提下选用低功耗器件。
无线传感器网络技术的应用
无线传感器网络技术的应用一、无线传感器网络概述无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由无线传感器节点组成的自组织且具有大规模分布性的网络系统。
其节点可以用于感知环境或者采集数据，通过网络将数据传回中心节点，实现环境监测、数据采集、控制等功能。
二、无线传感器网络技术的应用1. 环境监测随着城市化进程的加快以及空气、水质污染的严重性日益加剧，无线传感器网络技术可以用于环境监测。
比如，在城市的公园、广场等场所布置一些传感器节点，实时监测空气中的PM2.5、CO2等污染物，通过网络将数据传回中心节点，及时预警、保护市民健康。
2. 智能家居无线传感器网络技术可以应用于智能家居领域。
我们可以通过人体传感器节点将家中人员的行动轨迹、起居习惯等数据采集下来，作为智能设备的参考，从而实现智能应用的更加个性化和高效化。
3. 工业自动化无线传感器网络技术可以用于工业自动化控制中，通过感知原材料供应、生产设备状态等信息，及时处理数据，调整生产流程，提高生产效能，降低生产成本。
4. 农业领域无线传感器网络技术可以应用于农业领域，实现精准农业。
如在田地中布置传感器节点，感知土地植被的生长情况、温湿度等信息，通过数据分析，实现精准灌溉、肥料施用，提高农业生产效益。
5. 物联网无线传感器网络技术是物联网的核心技术之一，可以用于个人消费设备、智能家居、工业控制、领域监测等。
各种设备通过传感器节点实现信息的采集与传输，实现设备之间的互联互通，提高人们的生活品质和工业生产效能。
三、无线传感器网络技术的优势1. 低成本无线传感器节点的成本较低，可以降低网络整体成本，提高应用范围和普及度。
2. 系统灵活由于无线传感器节点的低成本和小规模，可以很容易地增加或减少节点的数量，实现对系统的灵活控制与管理。
3. 能源自主由于传感器节点体积小，通常适用的电池也比较小，可以通过能量自主技术和能源高效利用技术，实现长时间运行，避免了频繁更换电池的繁琐操作。
《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。
无线传感器网络(WSN)的特点与应用
无线传感器网络（WSN）的特点与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是一种由大量的分布式无线传感器节点组成的网络系统。
每个节点都具备感知、处理、存储和通信等能力，用于采集、传输和处理环境中的各种信息。
WSN的特点及其广泛应用使其成为了当代信息技术领域的研究热点。
一、特点1. 分布式自组织：WSN中的节点可以自组织地构建网络，无需人工干预。
节点通过相互通信和协调来共同完成任务，具备较强的自适应性和冗余容错能力。
2. 节点资源受限：WSN中的节点通常具备较小的计算、存储和能量资源。
为了降低成本和延长网络寿命，节点的硬件资源通常被设计为低功耗、低成本的微型设备。
3. 多传感器融合：WSN中的节点通常配备多种类型的传感器，如温度、湿度、光线、声音等。
通过对不同传感器数据的融合分析，可以提供更全面和准确的环境监测和信息获取。
4. 无线通信：WSN中的节点通过无线通信方式进行数据传输和网络连接。
无线通信不受地理位置限制，节点之间可以自由通信，提供了较大范围的网络覆盖。
二、应用1. 环境监测与物联网：WSN可以应用于环境监测领域，如气象、水质、土壤等。
通过部署大量节点，能够实时、精确地获取环境参数，为环境保护和资源管理提供科学依据。
2. 智能交通系统：WSN可用于智能交通系统中，通过节点部署在道路、交叉口等位置，实现车流量、车速等交通信息的实时监测和分析，并通过数据传输实现交通信号的智能控制。
3. 农业生产与精准农业：WSN可以用于农业领域，通过节点在田地中的布置，实时监测农田土壤湿度、温度以及农作物的生长情况，提供数据支持，实现农业生产的科学化和精细化管理。
4. 工业自动化与智能制造：WSN在工业自动化中的应用十分广泛，例如在工厂生产线上布置节点进行生产过程监控、设备状态检测和故障预警等，提高生产效率和质量。
5. 灾害监测与救援：WSN可以用于灾害监测和救援领域，如地震、火灾、洪水等。
无线传感器网络
• 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
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。
测距方法
• 基于距离的节点定位算法定位精度相对较高，但由于要实 际测量节点间的距离或角度，所以通常硬件要求也较高。 典型的距离测量技术包含利用 RSSI 测距、利用 TOA 或 TDOA 测距和利用 AOA 测距
• 第五，无线传感器网络具备有很强容错能力 • 第六，由于无线传感器网络节点的体积和所携带 能量有限的限制，这些限制决定了传感器节点只 能具备有限的计算和存储能力还有相对距离较短 的通信能力 • 第七，无线传感器网络节点无中心，无线传感器 网络中的传感器节点无严格的控制中心所有的节 点都是地位平等，加入和离开节点都是随意的没 有严格的限制条件
拓扑控制的研究方向
• WSN中拓扑控制可以分为两个研究方向：功率控制和层次 拓扑结构控制。 • 功率控制机制调整网络中每个节点的发射功率，保证网络 连通，在均衡节点中直接邻居数目(单跳可达邻居数目)的 同时，降低节点之间的通信干扰。 • 层次拓扑控制是利用分簇思想，使网络中的部分节点处于 激活状态，成为簇头节点。由这些簇头节点构建一个连通 的网络来处理和传输网络中的数据，并定期或不定期地重 新选择簇头节点，以均衡网络中节点的能量消耗。
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 – 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
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
无线传感器网络技术
无线传感器网络技术无线传感器网络技术是一种集成了无线通信、传感器技术和数据处理技术的新兴技术。
它通过无线传感器节点的部署和组网，使得传感器节点可以感知和采集所需的数据，并通过无线通信协议进行数据传输和处理。
无线传感器网络技术在农业、环境监测、智能城市、工业控制等领域有着广泛的应用。
本文将介绍无线传感器网络技术的原理、特点、应用及发展趋势。
一、无线传感器网络技术的原理无线传感器网络技术的核心原理是将多个分布式的传感器节点通过无线通信进行连接，形成一个自组织的网络。
每个传感器节点都具备感知环境的能力，可以采集和处理各种类型的数据，如温度、湿度、光照强度等。
传感器节点通过无线通信协议将采集到的数据传输到基站或其他节点进行存储和处理。
无线传感器网络技术通过布置在目标区域的传感器节点，可以实时地监测和收集环境信息，为决策提供重要的数据支持。
二、无线传感器网络技术的特点1. 自组织和自适应：传感器节点能够自主组网，自身能力会自动适应网络的变化和环境的改变。
2. 分布式处理和协同工作：传感器节点之间可以通过无线通信进行协同工作，共同完成任务。
3. 资源受限：传感器节点的能量、存储和计算能力有限，需要进行能量管理和优化设计。
4. 高度部署和灵活性：传感器节点可以大规模部署，根据需求进行灵活的布局。
5. 系统可靠性和安全性：无线传感器网络技术需要具备对数据的可靠传输和隐私的保护能力。
三、无线传感器网络技术的应用1. 农业领域：在农业生产中，无线传感器网络技术可以用于土壤湿度的监测、作物生长的监控、气象数据的采集等。
2. 环境监测：无线传感器网络技术可以用于城市环境的污染监测、水质监测、大气污染的监测等，为环境保护提供数据支持。
3. 智能交通：在交通管理中，无线传感器网络技术可以用于交通流量的监测、交通信号的优化调度等，提高交通效率和安全性。
4. 工业控制：无线传感器网络技术可以应用于工业自动化生产中，实时监测工艺参数、设备状态，提高生产效率和安全性。
无线传感器网络的发展与应用前景
无线传感器网络的发展与应用前景无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是一种由大量分布式无线传感器节点组成的网络系统，能够通过无线通信实现信息采集、处理和传输。
这种先进的技术被广泛应用于环境监测、智能交通、农业、医疗等领域，取得了显著的成就。
本文将探讨无线传感器网络的发展历程以及未来应用前景。
一、无线传感器网络的发展历程无线传感器网络的起源可以追溯到上世纪80年代，当时研究人员开始使用传感器来收集环境数据。
然而，由于技术限制和高成本，这些传感器只能使用有线网络连接。
随着科技的进步，无线传感器网络的发展迎来了突破性的进展。
在20世纪90年代，研究人员开始开发可用于无线通信的低功耗芯片，这使得传感器节点的成本大幅下降，并能够长时间运行。
与此同时，无线通信技术也得到了改善，传感器节点之间可以通过无线信号进行通信，无需额外的有线连接。
这一系列的进步为无线传感器网络的广泛应用奠定了基础。
二、无线传感器网络的应用前景1. 环境监测无线传感器网络在环境监测方面具有巨大的潜力。
通过在大范围地域内部署传感器节点，我们可以实时监测空气质量、水质、土壤湿度等指标，以及检测环境中的异常情况。
这些数据对于环境保护和灾害预警具有重要意义。
未来，无线传感器网络将在各类环境监测领域发挥更大作用。
2. 智能交通随着城市化进程的加速，传统交通系统面临的挑战日益增多。
无线传感器网络可以提供实时交通信息，如道路拥堵状况、停车位的可用性等。
通过收集这些数据，并进行智能分析和管理，我们可以实现交通流优化，缓解拥堵问题，提高交通效率。
因此，无线传感器网络在智能交通领域的应用前景非常广阔。
3. 农业在农业方面，无线传感器网络的应用也非常有前景。
传感器节点可以监测和收集农田的温湿度、土壤状态以及作物生长情况等数据。
这些数据对于农民进行精确的农药和水肥投放、实现智能灌溉等都具有重要价值。
通过无线传感器网络技术的应用，我们可以提高农业生产效率，减少资源浪费。
无线传感器网络安全
无线传感器网络安全无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量分布在特定区域内的无线传感器节点构成的网络系统。
这些传感器节点能够感知环境信息并将数据传输给基站节点，基站节点负责从传感器节点收集数据、处理数据并将结果传送给用户或其他网络系统。
然而，由于无线传感器网络的特殊性，安全问题成为无线传感器网络面临的重要挑战。
本文将从身份验证、数据机密性和安全协议等方面论述无线传感器网络的安全问题，以及采取的相应措施。
一、身份验证身份验证是指确认网络中各个节点的身份合法性，防止未授权的节点接入网络，避免恶意节点对网络造成破坏。
常用的身份验证方法包括密码验证、数字证书和生物特征验证等。
1. 密码验证密码验证是最常见的身份验证方法之一，通过用户输入的密码与预先存储在节点中的密码进行比对，确认身份的合法性。
在无线传感器网络中，节点间的通信是无线的，因此需要采取一定的安全措施来确保密码的传输和存储安全，比如采用加密算法和密钥管理机制等。
2. 数字证书数字证书是另一种常用的身份验证方法，通过第三方机构颁发的数字证书对节点的身份进行验证。
每个节点都拥有自己的数字证书，通过验证数字证书的有效性来确认节点的身份合法性。
数字证书具有不可篡改性和唯一性的特点，能够有效防止身份伪造等安全威胁。
3. 生物特征验证生物特征验证是一种更为高级的身份验证方法，通过采集节点的生物特征信息，比如指纹、虹膜等，进行身份识别。
这种方法的优势在于不容易被伪造，提高了节点身份验证的可靠性。
二、数据机密性数据机密性是指对数据进行加密保护，防止未经授权的节点对数据进行窃取或篡改。
无线传感器网络中，节点之间通过无线信道进行通信，信号容易受到窃听和干扰。
因此，保护数据的机密性对于无线传感器网络的安全至关重要。
1. 加密算法采用加密算法可以有效地保护数据的机密性。
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，速度较快但密钥管理较为困难；非对称加密算法使用公钥和私钥进行加密和解密，安全性较高但速度较慢。
无线传感器网络技术的原理与应用场景
无线传感器网络技术的原理与应用场景无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，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。
它的主要特点是无线传感器节点具备感知环境信息并实时传输数据的能力。
本文将介绍无线传感器网络技术的原理和一些常见的应用场景。
一、无线传感器网络技术的原理无线传感器网络技术主要依靠传感器节点感知环境信息，并通过无线通信传输数据。
其原理主要包括以下几个方面：1. 传感器节点：无线传感器网络由大量的传感器节点组成，这些节点通常包括处理器、传感器、电池和无线收发器等组件。
传感器节点通过感知器件感知并采集环境信息，然后将采集到的数据通过无线通信模块发送到基站或其他节点。
2. 网络拓扑结构：传感器节点之间的通信通常采用无线自组织的结构，构成了一个自组织、去中心化的网络。
常见的网络拓扑结构包括星型结构、树型结构和网状结构等。
3. 无线通信技术：无线传感器网络的通信主要依靠无线技术实现。
传感器节点之间可以通过无线信道进行通信，常用的通信技术包括无线局域网（WiFi）、低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy）和Zigbee等。
4. 数据处理与传输：传感器节点采集到的数据通常需要进行处理和压缩后再传输，以减少能耗和网络传输开销。
一般会采用数据融合和数据压缩等技术来实现对数据的处理和传输。
二、无线传感器网络的应用场景无线传感器网络技术具有广泛的应用前景，以下是一些常见的应用场景：1. 环境监测：无线传感器网络可以被广泛应用于环境监测领域，如气象监测、水质监测、土壤监测等。
通过布置在不同位置的传感器节点，可以实时监测和采集环境参数，如温度、湿度、气压等，为环境监测提供数据支持。
2. 智能交通：无线传感器网络可以应用于智能交通系统中，实现交通流量监测、车辆跟踪和道路安全等功能。
通过在道路上部署传感器节点，可以收集车辆的信息，实时监测道路的交通状况，并进行交通调度和预警。
无线传感器网络技术
无线传感器网络技术无线传感器网络技术（Wireless Sensor Network, WSN）是一种具有众多传感器节点的分布式网络系统，通过无线通信实现节点之间的信息传递和数据共享。
该技术在物联网、环境监测、农业、智能交通等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍无线传感器网络技术的基本原理、应用场景以及发展趋势。
一、无线传感器网络技术的基本原理无线传感器网络技术是将传感器节点分布在一定的区域内，通过无线通信实现节点之间的数据传输和协同工作。
该技术包括传感器节点和基站两个主要组成部分。
1. 传感器节点传感器节点是无线传感器网络的基本单位，它包括多个传感器、处理器、存储器和通信设备等组件。
传感器负责采集环境参数，如温度、湿度、光照等，并将采集到的数据进行处理和存储。
传感器节点之间通过无线通信实现数据的传递和共享。
2. 基站基站是无线传感器网络中的中心节点，负责与传感器节点进行通信，并接收、处理和存储传感器节点采集到的数据。
基站通常由一台计算机或单片机实现，通过无线通信进行数据传输。
基站可配备有相应的软件和硬件设备，用于数据处理、存储和分析。
二、无线传感器网络技术的应用场景无线传感器网络技术具有广泛的应用场景，以下列举了几个典型的应用领域。
1. 环境监测无线传感器网络技术在环境监测领域得到广泛应用。
通过部署大量的传感器节点，可以实时监测空气质量、水质、土壤湿度等环境参数，帮助环境监测部门及时掌握环境状况，采取相应措施。
2. 农业在农业领域，无线传感器网络技术可用于智能农业监测。
通过监测土壤湿度、温度、光照以及农作物生长情况等参数，农民可以根据数据分析调整灌溉、施肥等措施，提高农作物产量和质量。
3. 智能交通无线传感器网络技术在智能交通领域也有重要应用。
通过在道路上部署传感器节点，可以实时监测交通流量、道路状况和车辆速度等信息，并将这些数据传输到交通管理中心，帮助决策者制定合理的交通管理策略。
4. 物联网无线传感器网络是物联网的重要组成部分。
无线传感器网络
4.3无线传感器网络4.3.1无线传感器网络简介及意义4.3.1.1无线传感器网络简介1.名称：无线传感器网络，英文全称是Wireless Sensor Networks, 日常使用多缩写为WSN，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。
2.WSN中传感器的通信方式是通过无线通信。
3.功能：是一种新型的信息获取系统。
4.组成和构成：是由部署在监测区域内大量的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。
无线传感器网络是一种低功耗、自组织网络，一般由一个或多个基站（Sink节点）和大量部署于监测区域、配有各类传感器的无线网络节点构成。
每个节点成本低，功耗小，具有一定计算处理能力、通信能力。
虽然单个节点采集数据并不精确，也不可靠，但是大量节点相互协作形成高度统一的网络结构，提高了数据采集的准确度和运行的可靠性。
5.应用环境和方向：可部署于在敌占区、灾害区、核反应堆等人力不可达的特殊区域进行数据采集、传输等，具有其他网络无法比拟的特性，可广泛用于国防、环境监测、智能家居等领域。
6.目的：是协作监测、感知和采集网络覆盖区域内各种感知对象的信息，并对这些信息进行处理，最终发送给观察者。
4.3.1.2 无线传感器网络的意义1.无线传感器网络引起了全世界的关注，被认为是继互联网之后的第二大网络。
2.无线传感器网络被称为21世纪最具影响的技术之一；是改变世界的十大新兴技术之首；是全球未来的四大高新技术产业之一。
3.在无线传感器网络研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域，位居世界前列的少数项目之一。
4.3.2无线传感器网络的发展1.传感器网络和无线传感器网络的发展历程：传感器网络的发展历程分为以下三个阶段：传感器→无线传感器→无线传感器网络。
第一阶段:最早可以追溯至越战时期使用的传统的传感器系统。
当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，“胡志明小道”是胡志明部队向南方游击队输送物资的秘密通道，美军对其进行了狂轰滥炸，但效果不大。
无线网络技术_第8章 无线传感器网络
❖ 工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧 洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的 频段
8.4 无线传感器网络的应用
❖ 最初源于军事上的需求 ❖ 后逐渐被被用于农业，医学等领域
安全/监控
闲侦听，以便接收可能传输给自己的数据。过度的 空闲侦听或者没必要的空闲侦听同样会造成节点能 量的浪费。 (4)在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多， 也会消耗较多的网络能量。
MAC协议分类标准
❖ 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
❖ 网络层(Network Layer)
网络层协议主要负责路由发现和维护
路由协议可以划分为平面路由协议和分级路由协 议
WSN 路由协议设计要遵从如下原则
❖ 能量利用率优先考虑 ❖ 数据为中心 ❖ 不影响传感器节点探测精度条件下的数据聚合 ❖ 理想的节点定位和目标追踪
❖ 传输层(Transport Layer)
❖链路层（Data Link Layer）
链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路, 主要由介质访问控制(Medium Access Control ,简称MAC) 组成,MAC协议的基本作用是避免点到点通讯时冲突的发 生。
传感器网络的MAC协议必须满足两项基本要求:首先是组 建网络底层基础设施,实现多跳并具备自组织特性的节点 无线通讯;其次是在节点通讯过程中实现平等高效的资源 共享
❖ 确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感 器网络最基本的功能之一，对无线传感器网络应用 的有效性起着关键的作用。
无线传感器网络与物联网
无线传感器网络与物联网现今，随着科技的不断进步，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）和物联网（Internet of Things，IoT）成为了研究和应用领域的热门话题。
WSN是一种由大量分布式传感器节点组成的网络，可以感知和获取环境中各种数据，并将这些数据通过网络传输给用户；而IoT是将各种物理设备通过互联网连接起来，实现互联互通和远程控制。
本文将从WSN和IoT的定义、特点以及应用领域等方面进行探讨，来对这两个技术进行较为全面的了解。
一、无线传感器网络（WSN）的定义与特点无线传感器网络是一种由大量分布式传感器节点组成的网络。
节点通常由传感器、处理器、通信接口和能源供应组成，这些节点通过无线通信协议互连，并通过协同工作来实现对环境的监测和数据采集。
WSN具有以下几个特点：1. 自组织性：WSN中的节点可以根据环境的变化和网络的需求，自主地组成网络形态，实现自组织和自适应。
2. 分布性：WSN中的传感器节点可以分布在广泛的区域内，实现对整个区域内环境信息的实时获取。
3. 低功耗：由于传感器节点资源有限，WSN中的节点通常采用低功耗的设计，以延长节点的生命周期。
4. 多样性：WSN中的传感器节点可以搭载各种类型的传感器，用于感知温度、湿度、压力、光照等不同的环境参数。
5. 可靠性：WSN具备自动容错和自修复的能力，当网络中某个节点发生故障时，可以通过其他节点进行数据转发，保证数据的可靠性。
二、物联网（IoT）的定义与特点物联网是将各种物理设备通过互联网连接起来，实现互联互通和远程控制的技术。
通过物联网，各种智能设备、感应器和传感器可以实现互相通信和数据交换，从而实现人机互动、设备管理和数据分析等应用。
物联网具有以下几个特点：1. 互联性：物联网通过各种通信技术将物理设备连接在一起，实现设备之间的互联互通，提供全球性的连接服务。
2. 智能化：物联网中的设备具备智能化的能力，可以根据环境和用户的需求，自主地进行数据采集、处理和决策。
无线传感器网络
无线传感器网络无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）指采用无线通信技术将大量分布式的无线传感器节点进行网络互联，并通过节点之间的协同工作实现对环境信息的采集、处理、传输和应用的一种网络系统。
它具有低成本、低功耗、分布式、自组织等特点，在环境监测、智能交通、物流管理等领域有着广泛的应用前景。
一、无线传感器网络的概念与组成无线传感器网络是由大量的无线传感器节点组成的分布式网络系统。
每个节点都具有感知环境、处理数据和进行通信的能力，可以通过无线通信方式与其他节点进行数据交换和协同工作。
节点之间通过无线信道进行数据传输，形成了一个覆盖范围广、布局灵活的网络。
无线传感器网络的组成主要包括以下几个要素：1. 无线传感器节点：每个节点包含感知器、处理器、无线通信模块和电源等组件。
它们能够感知环境中的各种物理量，如温度、湿度、压力等，并将采集到的数据进行处理和传输。
2. 网络拓扑结构：是指无线传感器节点之间的连接方式。
常见的拓扑结构有星型、多跳、分簇等，不同的拓扑结构适用于不同的应用场景和需求。
3. 路由协议：用于节点之间的数据传输和通信，实现节点之间的协作和信息交换。
常见的路由协议有LEACH、TBRPF等，选择合适的路由协议对于网络性能和能耗有着重要的影响。
4. 数据处理与存储：无线传感器网络中的节点通常会对采集到的数据进行处理和存储，以便后续分析和应用。
节点可以通过数据压缩、聚合等方式减少数据的传输量，并采用存储技术将数据保存在本地或云端。
二、无线传感器网络的应用领域无线传感器网络在许多领域都有着广泛的应用，下面列举了一些典型的应用领域：1. 环境监测：无线传感器网络可以用于实时监测环境中的温度、湿度、气体浓度等参数，对环境变化进行监测和预警。
这在农业、气象、能源等领域都有着重要的应用价值。
2. 智能交通：无线传感器网络可以用于交通状况的实时监测和智能调度，提高交通效率和安全性。
无线传感器网络的设计与实现
无线传感器网络的设计与实现无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量分布在空间中的传感器节点组成的网络系统，通过无线通信进行数据传输和信息处理。
它具有广泛的应用领域，如环境监测、物流追踪、智能交通等。
本文将介绍无线传感器网络的设计与实现过程。
一、无线传感器网络的架构无线传感器网络由三个组成部分构成：传感器节点、基站和网络拓扑。
1. 传感器节点传感器节点是无线传感器网络的核心组成部分，每个节点包含传感器、处理器、存储器以及无线通信设备。
传感器负责采集环境信息，将其转化为数字信号并进行初步处理。
处理器和存储器用于数据处理和存储。
无线通信设备则负责与其他节点进行数据传输。
2. 基站基站是无线传感器网络的中央控制节点，负责与传感器节点进行通信。
它接收传感器节点采集的数据，并进行进一步的分析和处理。
基站通常具有更强大的计算和存储能力，能够支持复杂的算法和应用。
3. 网络拓扑无线传感器网络的网络拓扑决定了节点之间的连接方式。
常见的网络拓扑包括星型、树状和网状等。
选择适合应用场景的网络拓扑能够优化网络性能和能耗。
二、无线传感器网络的设计与实现流程无线传感器网络的设计与实现包括以下几个关键步骤：需求分析、节点设计、通信协议选择、网络拓扑设计和系统实现。
1. 需求分析在设计无线传感器网络之前，首先需要进行详细的需求分析，明确网络的应用场景和功能要求。
例如，对于环境监测系统，需要确定监测范围、采样频率、数据传输需求等。
2. 节点设计传感器节点的设计是无线传感器网络设计的核心环节。
节点设计需要考虑功耗、传感器选择、处理器性能、通信模块等因素。
合理选择节点硬件和软件平台，设计出满足需求的传感器节点。
3. 通信协议选择通信协议是无线传感器网络中节点之间进行数据传输的关键。
常用的通信协议有IEEE 802.15.4、ZigBee等。
根据应用需求，选择适合的通信协议，保证数据传输的可靠性和效率。
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无线传感器网络摘要：无线传感器网络是由大量具有感知能力、计算能力和通信能力的传感器节点组成的网络。
首先介绍无线传感器网络的相关术语、评价标准等基本概念，并从基于测距和非测距两个方面介绍无线传感器网络的主要定位方法。
然后从实用性、应用环境、硬件条件、供能及安全隐私等方面出发，总结当前无线传感器网络定位技术存在问题，展望未来的研究前景与应用发展趋势。
关键词：无线传感器网络；定位方法；存在的问题；研究前景The Wireless Sensor NetworksAbstract: Wireless Sensor Network is composed of a large number of sensor nodes having sensing capabilities, computing power and communication capabilities of a network. First introduces the basic concepts related to the term wireless sensor networks, evaluation standards, and introduce the main positioning method for wireless sensor networks based ranging and non ranging from two aspects. And then summarize the current wireless sensor network positioning technology problems through the practical, application environments and hardware conditions, privacy and security of energy supply viewpoint, looking the future of prospects for the study and application trends.Keywords: Wireless Sensor Networks; the positioning method; the existing problems; research prospect1.无线传感器网络随着传感器、计算机、无线通信及微机电等技术的发展和相互融合，产生了无线传感器网络(WSN, wireless sensor networks)。
无线传感器网络技术与当今主流无线网络技术使用同一个标准——802.15.14，它是一种新型的信息获取和处理技术，是继互联网之后，将对人类社会的生产、生活方式产生重大影响的一项重要技术。
无线传感网络综合了嵌入式计算技术、传感器技术、分布式信息处理技术以及通信技术,能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的不同监测对象的信息[1]。
无线传感器网络系统(WSNS，wireless sensor networks system)通常由传感器节点、聚节点和管理节点组成，如图1所示[1]。
图1 无线传感器网络通信体系结构图无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术在目标跟踪、入侵监测及一些定位相关领域有广泛的应用前景。
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附带相应的位置信息，否则，这些数据就是不确切的，甚至有时候会失去采集的意义，因此网络中传感器节点自身位置信息的获取是大多数应用的基础。
首先，传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置发什么了什么事件，从而实现对外部目标的定位和跟踪；其次，了解传感器节点的位置分布状况可以对提高网络的路由效率提供帮助，从而实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自动配置，改善整个网络的覆盖质量[8]。
2.无线传感器网络定位技术2.1 相关术语与评价标准无线传感器网络定位最简单的方法是为每个节点装载全球卫星定位系统(GPS) 接收器，用以确定节点位置。
但是，由于经济因素、节点能量制约和GPS 对于部署环境有一定要求等条件的限制，导致方案的可行性较差。
关于定位的术语有[8]：锚节点(anchors): 也称为信标节点、灯塔节点等，可通过某种手段自主获取自身位置的节点；普通节点(normal nodes): 也称为未知节点或待定位节点，预先不知道自身位置，需使用锚节点的位置信息并运用一定的算法得到估计位置的节点；邻居节点(neighbor nodes): 传感器节点通信半径以内的其他节点；跳数(hop count): 两节点间的跳段总数；跳段距离(hop distance): 两节点之间的每一跳距离之和；连通度(connectivity): 一个节点拥有的邻居节点的数目；基础设施(infrastructure): 协助节点定位且已知自身位置的固定设备，如卫星基站、GPS 等。
无线传感器网络定位性能的评价标准主要分为7种[1]：定位精度：定位技术首要的评价指标就是定位精确度，其又分为绝对精度和相对精度。
绝对精度是测量的坐标与真实坐标的偏差，一般用长度计量单位表示。
相对误差一般用误差值与节点无线射程的比例表示，定位误差越小定位精确度越高。
规模：不同的定位系统或算法也许可以在一栋楼房、一层建筑物或仅仅是一个房间内实现定位。
另外，给定一定数量的基础设施或一段时间，一种技术可以定位多少目标也是一个重要的评价指标。
锚节点密度：锚节点定位通常依赖人工部署或使用GPS实现。
人工部署锚节点的方式不仅受网络部署环境的限制，还严重制约了网络和应用的可扩展性。
而使用GPS定位，锚节点的费用会比普通节点高两个数量级，这意味着即使仅有10%的节点是锚节点，整个网络的价格也将增加10倍，另外，定位精度随锚节点密度的增加而提高的范围有限，当到达一定程度后不会再提高[4]。
因此，锚节点密度也是评价定位系统和算法性能的重要指标之一。
节点密度：节点密度通常以网络的平均连通度来表示，许多定位算法的精度受节点密度的影响。
在无线传感器网络中，节点密度增大不仅意味着网络部署费用的增加，而且会因为节点间的通信冲突问题带来有限带宽的阻塞。
容错性和自适应性：定位系统和算法都需要比较理想的无线通信环境和可靠的网络节点设备。
而真实环境往往比较复杂，且会出现节点失效或节点硬件受精度限制而造成距离或角度测量误差过大等问题，此时，物理地维护或替换节点或使用其他高精度的测量手段常常是困难或不可行的。
因此，定位系统和算法必须有很强的容错性和自适应性，能够通过自动调整或重构纠正错误，对无线传感器网络进行故障管理，减小各种误差的影响。
功耗：功耗是对无线传感器网络的设计和实现影响最大的因素之一。
由于传感器节点的电池能量有限，因此在保证定位精确度的前提下，与功耗密切相关的定位所需的计算量、通信开销、存储开销、时间复杂性是一组关键性指标。
代价：定位系统或算法的代价可从不同的方面来评价。
时间代价包括一个系统的安装时间、配置时间、定位所需时间；空间代价包括一个定位系统或算法所需的基础设施和网络节点的数量、硬件尺寸等；资金代价则包括实现一种定位系统或算法的基础设施、节点设备的总费用。
上述7个性能指标不仅是评价无线传感器网络自身定位系统和算法的标准，也是其设计和实现的优化目标。
为了实现这些目标的优化，有大量的研究工作需要完成。
同时，这些性能指标相互关联，必须根据应用的具体需求做出权衡以设计合适的定位技术。
2.2 传统的定位方法WSN 的定位方法较多，可以根据数据采集和数据处理方式的不同来进行分类。
在数据采集方式上，不同的算法需要采集的信息有所侧重，如距离、角度、时间或周围锚节点的信息，其目的都是采集与定位相关的数据，并使其成为定位计算的基础[1]。
依据距离测量与否可划分为：测距算法和非测距算法。
其中测距法是对距离进行直接测量, 非测距法依靠网络连通度实现定位，测距法的精度一般高于非测距法，但测距法对节点本身硬件要求较高, 在某些特定场合，如在一个规模较大且锚节点稀疏的网络中，待定位节点无法与足够多的锚节点进行直接通信测距，普通测距方法很难进行定位，此时需要考虑用非测距的方式来估计节点之间的距离，两种算法均有其自身的局限性。
常见的WSN测距技术包括RSSI、TOA、TDOA、AOA等方法。
文献[2]中介绍RSSI方法是在反向通道基带接收滤波器之后进行的，根据接收到的信号强弱，由信号传播衰减模型来测算信号点到接收点的距离。
在WSN定位中，该技术主要使用射频（Radio Frequency，RF）信号。
这种方法易实现，但是由于噪声、多径效应、非视距以及信号传播损耗模型与实际环境的匹配问题，常导致测距误差较大。
文献[3]中介绍TOA方法根据无线信号的传播速度和信号在两个节点之间传播的时间来测定信号点到接收点的距离。
在WSN定位中，该技术测量精度较高，但要求传感器发射节点和接收节点之间的时间严格同步，因此对传感器节点的硬件结构、功耗、成本等都提出了较高的要求，通常还需要额外增加设备。
文献[4]中介绍TDOA方法是根据两种不同传播速度的无线信号在发射节点和接收节点之间的传播时间差来测定信号点到接收点的距离。
两种不同传播速度的信号一般采用射频信号和超声波信号。
通常，TDOA测距精度高于TOA，在无线传感器节点定位中研究较多。
虽然该技术不像TOA一样要求严格的时间同步，但是两种信号的产生、接收需要额外的硬件支持，所以传感器节点的成本也较高。
文献[5]中介绍AOA方法是利用阵列天线或多个超声波接收器感知信号到达的方向，通过发送点和接收点之间的角度来测定信号点到接收点的距离。
除了距离信息，AOA技术还能提供节点之间的方位信息。
如麻省理工学院(MIT)的The Cricket Compass等项目都使用AOA 的硬件解决方案实现节点定位。
该技术易受外界环境影响，如噪声、NLOS问题等都会影响测量结果，而且AOA也需要增加额外硬件，在硬件尺寸、价格和功耗上都不适合用于低成本、低功耗的WSN的节点定位。
综合上述分析，非测距算法多为理论研究，其定位精度普遍较低并且与网络的连通度及节点的密集程度密切相关，因此，其适用范围有一定的局限性，在进行无线传感器网络定位技术研究过程中应更多地考虑基于测距的定位算法。
2.3 新型定位方法除了传统的定位方法，新型的无线传感器网络定位算法也逐渐出现，如利用移动锚节点来定位未知节点、在三维空间内定位未知节点、以及采用智能定位算法来提高定位精度等。
文献[6]提出了一种基于加权最小二乘法的移动锚节点定位距离估计算法，首先建立一个移动模型，锚节点沿着线性轨迹移动，使用加权最小二乘法来减小距离估计误差，并在Cramer-Rao Bound(CRB) 的基础上分析了距离估计的最小误差边界，该算法在距离估计和位置估计方面都有较好的性能。