第1章无线传感器网络概述
《无线通信原理及应用》课后习题
《无线通信原理及应用》课后习题第1章无线传感器网络概述1、无线传感器网络的定义？2、传感器节点结构及其各部分功能？3、无线自主网的定义？4、传感网与无线自主网的主要区别？5、传感器网络的特点？6、传感器网络的应用主要包括那些方面？7、传感器网络的关键技术包括那些？第2章路由协议1、传统路由协议主要功能？2、无线传感器网络路由协议与传统路由协议有什么不同点？3、无线传感器网络的路由协议的特点？4、传感器网络路由机制的要求有哪些？5、根据传感器网络的不同应用敏感度不同，可将传感器网络的路由协议分为：6、能量路由策略主要有哪几种？7、能量多路径路由的基本思想？8、能量多路径路由的基本过程？9、定向扩散路由的基本思想？10、定向扩散路由机制的基本过程？11、谣传路由的基本思想？12、GEAR路由的基本过程？13、传感器网络有三种存储监测数据的主要方式？14、GEM路由的基本思想？15、虚拟极坐标建立过程的步骤？16、边界定位的地理路由的基本思想？17、一个信标节点确定边界节点的过程？18、目前，研究人员提出的可靠路由协议主要从两个方面考虑？19、基于不想交路径的多路径路由机制的基本思想？20、ReInForM路由的基本过程？21、SPEED协议的基本过程？22、SPEED协议主要由几部分组成？第3章MAC协议1、在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑哪几个方面？2、在无线传感器网络中，人们经过大量实验和理论分析，总结出可能造成网络能量浪费的主要原因包括哪几方面？3、传感器网络的MAC协议分哪三类？4、基于竞争的MAC协议的基本思想？5、IEEE 802.11MAC协议有哪两种访问控制方式？6、S-MAC协议工作机制？7、流量自适应侦听机制的基本思想？8、Sift协议的设计目的？9、Sift协议的核心思想？10、Sift协议的工作原理？第4章拓扑控制1、网络的拓扑结构控制与优化有着十分重要的意义，主要表现在以下几个方面？2、传感器网络中的拓扑控制按照研究方向可以分为哪两类？3、拓扑结构的常见算法有哪些？4、基于节点度算法的核心思想？5、基于邻近图的算法的作用？6、什么是LEACH算法？7、LEACH算法的实现过程？8、GAF算法的基本思想是什么？9、GAF算法的执行过程10、TopDisc算法的基本思想是什么？11、STEM-B (STEM-BEACON)算法的基本思想是什么？12、ASCENT算法执行分哪几个阶段？第5章IEEE 802.15.4标准1、IEEE 802. 15. 4标准的实现目标？2、IEEE 802. 15. 4标准定义的LR-WPAN网络具有哪些特点？3、IEEE 802. 15. 4网络根据应用的需要可以哪些网络结构。
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。
无线传感器网络鲁棒性增强
无线传感器网络鲁棒性增强第一部分无线传感器网络概述 (2)第二部分鲁棒性增强的必要性 (4)第三部分鲁棒性增强的研究现状 (6)第四部分无线传感器网络的脆弱性分析 (9)第五部分鲁棒性增强的技术手段 (12)第六部分性能评估与优化策略 (15)第七部分实际应用与案例分析 (18)第八部分未来研究方向与挑战 (21)第一部分无线传感器网络概述文章标题：《无线传感器网络鲁棒性增强》 - 第一章：无线传感器网络概述1.1无线传感器网络的研究背景和意义随着科技的快速发展，无线传感器网络已经成为了物联网（IoT）的重要组成部分。
无线传感器网络由大量部署在监测区域内的传感器节点组成，这些节点通过无线通信方式形成一个自组织的网络系统，用于实时感知、监测和采集各种环境参数，如温度、湿度、压力、光照等。
这种网络技术已经在许多领域展现出了巨大的应用潜力，包括环境监测、智能家居、农业物联网、工业自动化等。
然而，由于无线传感器网络中的节点通常由电池供电，能源资源有限，同时网络环境复杂多变，存在许多不确定性因素，如节点故障、通信干扰等，这使得网络的鲁棒性成为一个关键问题。
鲁棒性是指系统在面对各种异常和攻击时，仍能保持稳定运行的能力。
在无线传感器网络中，提高鲁棒性对于保证网络的稳定运行，防止数据丢失，提高系统的总体性能具有重要意义。
1.2无线传感器网络的基本架构典型的无线传感器网络包括传感器节点、汇聚节点和后台服务器。
传感器节点负责采集环境信息，并将数据通过多跳中继的方式传输到汇聚节点。
汇聚节点负责将收集到的数据发送给后台服务器，进行进一步的处理和分析。
后台服务器根据接收到的数据，可以对环境进行实时的监控和预警，也可以根据这些数据进行决策控制，实现智能化的应用。
1.3无线传感器网络的研究内容无线传感器网络的研究内容涵盖了多个方面，包括网络的体系结构、路由协议、能量管理、数据融合、安全与隐私保护等。
其中，路由协议是提高无线传感器网络性能的关键技术之一。
无线传感器网络的理论及应用PPT教学课件
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多跳路由
由于节点发射功率限制，节点的覆盖范围 有限，通常只能与它的邻居节点通信。
多跳路由是由普通网络节点协作完成，没 有专门的路由设备。每个节点既可以是信 息的发起者，也可以是转发者。
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安全性差
由于采用了无线信道、分布式控制等技术， 网络更容易受到被动窃听、主动入侵等攻 击。
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网络管理平台
拓扑控制：拓扑控制利用链路层、路由层完成拓扑生成，反过来又为 它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议，降低能耗。 服务质量管理：服务质量（QoS）管理在各个协议层设计队列管理、 优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理。 能量管理：每个协议层次中都要增加能量控制代码，并提供给操作系 统进行能量分配决策。 安全管理：传统安全机制无法使用。采用扩频通信、接入认证/鉴权、 数字水印和数据加密等技术。 移动管理：监测和控制节点的移动，维护到汇聚节点的路由，还可以 使传感器节点跟踪它的邻居。 网络管理：对无线传感器网络上的设备及传输系统进行有效监视、控 制、诊断和测试所采用的技术和方法。它要求协议各层嵌入各种信息 接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协 议组件的运行。
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应用支撑平台
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： 时间同步 定位 应用服务接口 网络管理接口
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无线传感器网络的研究进展
无线传感器网络的发展历程 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络所面临的挑战
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第1章 WSN概述
了解传感器的分类。
了解传感器与传感器网络之间的关系。 掌握无线传感器网络的体系结构。
了解无线传感器网络的特点及应用。
了解无线传感器网络操作系统。 了解与无线传感器网络相关的技术。
3 学习导航
4
1.1 概
ห้องสมุดไป่ตู้
述
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是一 种全新的信息获取和处理技术，是集微机电技术、传感器
体，并采集数据。传感器不仅数量多，品种也比较复杂， 是无线传感器网络的重要组成部分。
19 1.1.2 产生和定义
1. 无线传感器网络的产生
无线传感器网络(简称无线传感网)的研究起源于20世 纪70年代，是一种特殊的无线网络，最早应用于美国军方，
例如空中预警控制系统。这种原始的传感器网络只能捕获
单一信号，传感器节点进行简单的点对点通信。 1980年，美国国防部高级研究计划局提出了分布式传
23 1.1.3 WSN的发展
2000年以后，无线传感器网络的出现引起了全世界范
围的广泛关注，被誉为是全球未来的四大高新技术产业之 一。2001年，美国陆军提出了“灵巧传感器网络通信计
划”，并在2001～2005财政年度期间批准实施，其基本思
想是：在战场上布设大量的传感器用于收集和传输信息， 并对相关的原始数据进行过滤，把重要的信息传送到各数
线通信传输的质量不是很好，数据安全性相对于蓝牙差一 些，传输质量也有待于改善。
Zigbee是一种新兴的短距离、低复杂度、低数据速率、
低成本的无线网络技术，同样工作在2.4G频段。Zigbee联 盟于2001年8月成立。Zigbee联盟认为Zigbee和蓝牙的关系 互为补充，而不是相互竞争。
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
无线传感器网络在环境监测与控制中的应用研究
无线传感器网络在环境监测与控制中的应用研究第一章：引言无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是一种由大量分布式无线传感器节点组成的自组织网络，具有广泛的应用领域。
在环境监测与控制中，无线传感器网络具有很高的实用价值和应用前景。
本文将深入探讨无线传感器网络在环境监测与控制领域的应用研究。
第二章：无线传感器网络概述2.1 无线传感器网络的基本概念2.2 无线传感器节点的组成和功能2.3 无线传感器网络的组网方式和通信协议第三章：环境监测与控制的需求和挑战3.1 环境监测与控制的背景和重要性3.2 环境监测与控制的技术需求和挑战3.3 无线传感器网络在环境监测与控制中的优势第四章：无线传感器网络在环境监测中的应用4.1 大气环境监测4.1.2 气象监测4.1.3 气候变化监测4.2 水环境监测4.2.1 水质监测4.2.2 水量监测4.2.3 水资源管理4.3 土壤环境监测4.3.1 土壤污染监测4.3.2 农田监测与管理4.3.3 林业资源管理4.4 生态环境监测4.4.1 生物多样性监测4.4.2 自然保护区监测4.4.3 灾害监测与预警第五章：无线传感器网络在环境控制中的应用5.1 智能能源管理5.1.2 能源利用优化5.1.3 能源系统调度5.2 智能交通控制5.2.1 交通流量监测5.2.2 路况监测与优化5.2.3 交通信号控制5.3 环境污染治理5.3.1 垃圾处理与回收5.3.2 污水处理与监测5.3.3 声、光、电污染控制第六章：无线传感器网络在环境监测与控制中的关键技术6.1 传感器节点设计与优化6.2 网络拓扑设计与构建6.3 节点定位与跟踪技术6.4 信号处理与数据融合算法6.5 安全与隐私保护技术第七章：研究现状与展望7.1 国内外研究现状回顾7.2 未来发展趋势与挑战7.3 技术创新与应用前景展望结论无线传感器网络在环境监测与控制中具有广泛的应用前景，能够实现对环境的全面监测和控制，为环境保护和资源管理提供了有效的技术手段。
《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》。
无线传感器网络课件-第一章
配
传感器节点实物示例
1.1传感器网络的常用逻辑结构图 传感器1 传感器2
传感器N
…
无线链路 无线接口 模块
监控主机
基本工作过程
(1) 传感器节点的处理器模块完成计算与控制功能，射频模块完成无线通信传输功能，传感 器探测模块完成数据采集功能，通常由电池供电，封装成完整的低功耗无线传感器网络。 (2) 网关节点只需要具有处理器模块和射频模块，通过无线方式接收探测终端发送来的数据 信息，再传输给有线网络的PC机或服务器。
1.4传感器节点的限制条件 传感器网络由数据获取子网、数据分布子网和控制管理中心三部分组成。
主要组成部分是集成了传感器、数据处理单元和通信模块的节点，节点通过协议自组织成一个 分布式网络，将采集的数据优化后经无线电波传输给信息处理中心。
传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在一些限制和约束。
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。
应用支撑平台包括如下内容：
① 时间同步 ② 定位 ③ 应用服务接口 ④ 网络管理接口
2、传感器网络的结构 根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。 如果网络的规模较小，一般采用平面结构。如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。
二
传感器网络的发展历史
三
传感器网络的应用情况
四
传感器网络的关键技术
❖ 教学目的：掌握传感器网络的基本情况 ❖ 本章重点：基本概念、应用情况
一、什么是无线传感器网络
有基础设施网
无 线 网 络
无基础设施网
移动Ad hoc网络 无线传感器网络
有基础设施的网络
需要固定基站,如使用的手机，属于无线蜂窝网，需要高大的天线和大功率基站来支持，基 站就是最重要的基础设施； 使用无线网卡上网的无线局域网，由于采用了接入点这种固定设备，也属于有基础设施网。
无线传感器网络数据融合技术
无线传感器网络数据融合技术一、概述无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）作为物联网的核心技术之一，在环境监测、智能交通、军事侦察、医疗健康等众多领域发挥着日益重要的作用。
数据融合技术作为无线传感器网络中的关键环节，能够有效提升网络性能、减少数据传输量、提高数据准确性和可靠性，因此受到了广泛关注和研究。
无线传感器网络数据融合技术主要通过对多个传感器节点采集的数据进行有效地整合和处理，从而提取出更有价值的信息。
这些传感器节点通常分布在一个特定的区域内，它们能够感知并采集环境中的各种信息，如温度、湿度、光照、压力等。
由于无线传感器网络中的节点数量众多且分布广泛，因此如何高效地处理这些海量数据，提取出有用的信息，成为了一个亟待解决的问题。
数据融合技术通过一定的算法和策略，对多个传感器节点的数据进行融合处理，从而实现对环境状态的准确感知和判断。
它可以有效地减少数据传输量，降低网络能耗，提高数据准确性和可靠性。
同时，数据融合技术还可以在一定程度上弥补单个传感器节点在感知能力上的不足，提高整个无线传感器网络的性能。
随着无线传感器网络技术的不断发展，数据融合技术也在不断更新和完善。
目前，已经有许多成熟的算法和策略被应用于无线传感器网络数据融合中，如加权平均法、卡尔曼滤波法、神经网络法等。
这些算法和策略各有优缺点，适用于不同的应用场景和需求。
无线传感器网络数据融合技术是一项重要的技术手段，对于提升无线传感器网络的性能、降低能耗、提高数据准确性和可靠性具有重要意义。
未来，随着物联网技术的不断发展和应用领域的不断拓展，无线传感器网络数据融合技术将会得到更加广泛的研究和应用。
1. 无线传感器网络概述无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是一种由大量传感器节点以无线通信方式形成自组织网络，用以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内被感知对象的信息，并发送给观察者。
第1讲 无线传感器网络概述
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 无线传感器节点 1.4 无线传感器网络的特点 1.5 无线传感器网络的应用 1.6 无线传感器网络的关键技术
5
1.1 无线传感器网络的基本概念
无线 传感器 网络
6
1.1 无线传感器网络的基本概念
（1）无线网络的分类 无 线 网 有基础设施 网 无线蜂窝网等 无线局域网
（3）传感器节点的组网特点—以数据为中心
●与互联网的区别：互联网是以IP地址为中心的网络 ●传感器的节点编号与位置没有对应关系 ●数据通过网络实现传递，但并不关心具体哪一个节 点
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1.4 无线传感器组网的特点
（3）传感器节点的组网特点—应用相关性
●不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其 硬件平台、软件系统和通信协议都会有很大差别
动态能量管理、动态电压调节
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1.4 无线传感器组网的特点
（3）传感器节点的组网特点—自组织性
●节点的自组织能力，要求能够自动进行配置 和管理，通过拓扑控制机制和网络协议形成 转发监测数据的多跳无线网络系统
●节点的结构的自组织能力能适应因节点增加 与减少而使网络拓扑变化
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1.4 无线传感器组网的特点
（1) WSN的系统架构图
互联网、卫星 移动通讯网络
汇聚节点
管理节点 用户
待测区域
传感器节点
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1.2 无线传感器网络的体系结构
（2）三个节点
任务管理节点
汇聚节点
传感器节点
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1.2 无线传感器网络的体系结构
（3）WSN的体系结构 - 平面结 构
待测区域
汇集节点 传感器节点
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第1章 无线传感器网络概述
1.2.2 传感器节点的限制
传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以 下一些实现的约束。 1．电源能量有限 传感器节点体积微小，通常只能携带能量十分有限的电 池。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广， 而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以 传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如 何高效地使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临 的首要挑战。
第1章 无线传感器网络概述
4．可靠性高
传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的 区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒 或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点 往往采取随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域 进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，能 适应各种恶劣环境条件。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”到每一个传感器节点， 因此网络的维护十分困难，甚至不可能。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
第1章 无线传感器网络概述
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· dn 其中，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的影响也很大。考虑诸多因 素，通常n取3，即通信消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通信距离。一般而言，传感器节点的无 线通信半径在100 m以内比较合适。
第1章 无线传感器网络概述
无线传感器网络由无线传感器、感知对象和观察者三个 基本要素构成。无线是指传感器与观察者之间、传感器之间 的通信方式，能够在传感器与观察者之间建立通信路径。无 线传感器的基本组成包括如下几个单元：电源、传感部件、 处理部件、通信部件和软件等。此外，还可以选择其他的功 能单元，如定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。图 1-1所示为传感节点的物理结构。传感节点一般由传感单元、 数据处理单元、定位装置(GPS)、移动装置、能源(电池)及 网络通信单元(收发装置)等六大部件组成，其中传感单元负 责被监测对象原始数据的采集，采集到的原始数据经过数据 处理单元的处理之后，通过无线网络传输到一个数据汇聚中 心节点(Sink)，由Sink再通过因特网或卫星传输到用户数据 处理中心。
第1章 无线传感器网络概述
理论的提出，传统的电池被加入了许多新的元素，太阳能电
池、微光电池、生物能电池、地热能电池等一系列可以从自 然界中汲取能量转换为电能的电池的出现，使得能量的自补 充成为可能。从理论上来讲，新型电池能持久供应能量，但 由于工程实践中生产这种微型化的电池还有相当的难度以及 受到节点部署区域特定地理环境等限制，其效果并不理想， 如何进一步缩小其体积是目前研究的重点。为了尽可能地延 长整个传感器网络的生命周期，在设计传感器节点时，保证 能量供应的持续性是一个重要的设计原则。传感器节点能量 消耗的模块主要包括传感器模块、信息处理模块和无线通信 模块，而绝大部分的能量消耗集中在无线通信模块上，
第1章 无线传感器网络概述
考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域范围大的
特点，传感器网络通常采用多跳路由的传输机制。传感器节 点的无线通信带宽有限，通常仅有每秒几百千位的传输速率。 由于节点能量的变化受建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨 雷电等自然环境的影响，无线通信性能可能经常变化，频繁 出现通信中断的现象。在这样的通信环境和节点有限通信能 力的情况下，如何使网络通信机制满足传感器网络的通信需 求是传感器网络设计时面临的挑战之一。
型中，随机选择K个非Sink节点的传感节点作为数据源。
第1章 无线传感器网络概述
图1-4 传感器网络的事件半径模型
第1章 无线传感器网络概述
图1-5 传感器网络的随机源节点模型
第1章 无线传感器网络概述
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 无线自组网(Mobile Ad-Hoc Network)是一个由几十到上 百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的 移动性对等网络。它的目的是通过动态路由和移动管理技术
第1章 无线传感器网络概述
图1-2 节点部署图
第1章 无线传感器网络概述
借助于节点内置的、形式多样的感知模块，可测量所在环境
中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、 湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分以及移动物体的大小、速
度和方向等众多我们感兴趣的物质现象。节点的计算模块先对数
据进行简单处理，再采用微波、无线、红外和光等多种通信形式， 通过多跳中继方式将监测数据传送到汇聚节点。汇聚节点将接收
到的数据进行融合及压缩后，最后通过因特网或其他网络通信方
式将监测信息传送到管理节点。同样的，用户也可以通过管理节 点进行命令的发布，通知传感器节点收集指定区域的监测信息。
图1-3给出了一个无线传感器网络的体系结构，图中，网络的部分
节点组成了一个与Sink进行通信的数据链路，再由Sink把数据传 送到卫星或者因特网，最后通过该链路和Sink进行数据交换并借
电压频率调节。
第1章 无线传感器网络概述
1.2.3 无线传感器网络的特点
1．计算和存储能力有限 传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它的价格低、 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。为了完成各种任务，传感器节点需要利用 有限的计算和存储资源完成监测数据的采集和转换、数据的 管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工 作。
第1章 无线传感器网络概述
随着低功耗电路和系统设计技术的提高，目前已经开发
出很多超低功耗微处理器。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，传感器节点的操作系统设计了动态能量管 理(Dynamic Power Management，DPM)和动态电压调节 (Dynamic Voltage Scaling，DVS)模块，可以更有效地利用节 点的各种资源。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 更低能耗的休眠状态。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，很多处理器，如Strong ARM都支持
此使数据到达最终用户手中。
第1章 无线传感器网络概述
图1-3 无线传感器网络的体系结构
第1章 无线传感器网络概述
依据传感器网络节点的连接特点，在研究中，一般利用
图论的概念将传感器网络抽象成一种单位圆平面图(Unit-Disk Graph)，即假设传感节点具有相同的有效传输半径R，则认为 彼此处于传输半径范围内(半径为R的平面圆内)的节点之间存 在一条单位长度的无向边。按照源节点的分布情况，传感器 网络模型可分为事件半径模型和随机源节点模型两种。图1-4 与图1-5分别给出了传感器网络的事件半径模型和随机源节点 模型。 在图1-4所示的事件半径模型中，星形符号表示要监测的 事件，在以该事件为圆心、半径为R的圆内的所有非Sink节点 的传感节点被选择为数据源。而在图1-5所示的随机源节点模
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约占整个传感器节点能量消耗的80%。一旦节点的能量衰竭，
该节点即失效。因此，在电池技术没有获得飞跃性的发展之 前，人们主要是从研究传感器的网络特性着手，提出了各种 用于传感器网络的分簇算法、路由协议等，通过减少节点能 量消耗的方式来延长网络生命周期。 传感器网络往往通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射 等方式部署，当部署完成后，如图1-2所示，各节点任意分 布在被监测区域内，节点以自组织的形式构成网络。
第1章 无线传感器网络概述
第1章 无线传感器网络概述
1.1 无线传感器网络的体系结构 1.2 无线传感器网络的特征 1.3 无线传感器网络的应用及关键技术 1.4 主流无线传感器网络仿真平台
第1章 无线传感器网络概述
1.1 无线传感器网络的体系结构
无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量的廉价微 型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成一个多跳的自 组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆 盖的地理区域中感知对传感节点的物理结构
第1章 无线传感器网络概述
传感器节点的处理器一般选用嵌入式CPU，在存储计算
时，由于传感器节点的体积小，必然导致其携带的处理器能 力比较弱、存储器容量比较小。随着低功耗电路和系统设计 技术以及电路加工工艺的提高，目前已经开发出很多超低功 耗微处理器，如Motorola公司的68HCl6，ARM公司的ARM7 和Intel公司的8086等，其计算能力得到了大幅度的提高。同 时对存储技术的研究也使得Flash存储器等小体积、大容量、 低电压操作、多次写、无限次读的非易失存储介质用于传感 器节点制造。传感器节点的能量供应一般采用电池，目前使 用的大部分电池都是自身存储有限能源的化学电池，并且节 点能量在实施部署后很难进行有效的补充。随着光电转换
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2．动态性强
传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：环境 因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；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；传 感器网络的传感器、感知对象和观察者这三个要素都可能具 有移动性；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。
传输具有服务质量要求的多媒体信息流，通常节点具有持续
的能量供给。
第1章 无线传感器网络概述
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检测、控制以及无线通 信的网络系统，节点数目更为庞大(上千甚至上万个)，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。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高服务质量和高效 地使用带宽，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，这也是传感器网络与传统网络最 重要的区别之一。