无线传感器网络课件-第一章
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无线传感器网络PPT课件
• 数据链路层（MAC层协议）
信号的传输要靠信道，因此信道也就成为了一种宝贵的资源。 怎样合理有效的分配信道，就是数据链路层中的MAC子层要解 决的问题了
第6页/共36页
网络层（路由）
• 网络层（路由）
两个基本功能：确定最佳路径和通过网络传输信息 1 泛洪式路由 2 SPIN（SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协 议） 3 LEACH（LEACH是一种分层网络协议，它以循环的方式随机选择簇首节
三、无线传感器网络关键技 术
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3.1 无线传感器网络MAC协议
• 所谓的MAC协议，就是通过一组规则和过程来更有效、有序和公平地使用共享介质。它实现两大基本功能 目标：在密集散布的传感器现场能够有助于建立起一个基本网络基础设施所需的数据通信链路；协调共享 介质的访问
第12页/共36页
第21页/共36页
管理平台
• 管理平台对整个网络进行检测、管理，它通常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终端设备
第22页/共36页
4、2无线传感器网络硬件平台
• 目前传感器节点种类繁多，很多科研机构都开放自己的硬件平台，但是这些硬件平台之间主要区别在于所 采用的处理器、无线通信方式、传感器配置不同。下面具体介绍几家公司的硬件平台。
•
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图1 无线传感器网络体系结构图
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无线传感器通信协议系统结构
• 物理层技术 为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做
物理层 在物理层面上，无线传感器网络遵从的主要是标准（Zigbee）
第5页/共36页
数据链路层（MAC层协议）
• Intel 公司的intel mote2 • Chipcon 公司的cc2420ZDK • Ember公司的em250 Development kit • Freescale公司的 mc13191 • 中科院的minigains系列
信号的传输要靠信道，因此信道也就成为了一种宝贵的资源。 怎样合理有效的分配信道，就是数据链路层中的MAC子层要解 决的问题了
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网络层（路由）
• 网络层（路由）
两个基本功能：确定最佳路径和通过网络传输信息 1 泛洪式路由 2 SPIN（SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协 议） 3 LEACH（LEACH是一种分层网络协议，它以循环的方式随机选择簇首节
三、无线传感器网络关键技 术
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3.1 无线传感器网络MAC协议
• 所谓的MAC协议，就是通过一组规则和过程来更有效、有序和公平地使用共享介质。它实现两大基本功能 目标：在密集散布的传感器现场能够有助于建立起一个基本网络基础设施所需的数据通信链路；协调共享 介质的访问
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管理平台
• 管理平台对整个网络进行检测、管理，它通常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终端设备
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4、2无线传感器网络硬件平台
• 目前传感器节点种类繁多，很多科研机构都开放自己的硬件平台，但是这些硬件平台之间主要区别在于所 采用的处理器、无线通信方式、传感器配置不同。下面具体介绍几家公司的硬件平台。
•
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图1 无线传感器网络体系结构图
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无线传感器通信协议系统结构
• 物理层技术 为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做
物理层 在物理层面上，无线传感器网络遵从的主要是标准（Zigbee）
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数据链路层（MAC层协议）
• Intel 公司的intel mote2 • Chipcon 公司的cc2420ZDK • Ember公司的em250 Development kit • Freescale公司的 mc13191 • 中科院的minigains系列
无线传感器网络孙利民第1章
基本思想
周期性睡眠和监听 ；协商一致的睡眠调度机制（虚拟簇） 自适应的侦听机制，减少信息的传输延迟 带内信令来减少重传和避免监听不必要的数据 消息分割和突发传递机制来减少控制信息的开销和消息
的传递延迟
SMAC协议-关键技术1
周期性睡眠和监听
一个周期内有睡眠和监听两种状态 节点之间协同，保持监听同步 同步调度，形成虚拟簇 全监听周期，保证邻居发现 降低功耗，增加延迟
的可能
SMACS协议-关键技术2
链路建立
节点A和D分别在Td和Ta时刻开始进行邻居发现
节点B和C分别在Tb和Tc时刻开始进行邻居发现
两个时隙分配不同的频点 fx和fy
D、A相互发现
Tframe
发送时隙 接收时隙
fx
…
fx
…
Node D
Td
fx …
fx …
Node A
Ta
fy
B、C相互发现
Tb
由一个二进制位串组成 每一位表示节点在当前时隙应处于何种状态，1为监听，
0为睡眠 形式：0m1，m=0,1,…N-1，m代表串中0的个数 每个节点启动时的模式串为1，表示流量很大 节点根据网络流量更新模式
在第一个时隙内无数据发送：更新模式为 01 在第二个模式中监听时隙内仍无数据发送：更新模式为 001；依此类推
SMACS协议-关键技术4
邻居发现和信道分配
节点B选择一个随机的频点，将时隙对在超帧中的位置信 息以及选择的频点通过Type4发送给节点C。这些信息成 功交换之后，B和C之间就完成了时隙分配和频率选择， 可以切换到对应的时隙和频率进行通信。
Node B
Type1 Type3
Type4 Type2
分配型MAC协议
周期性睡眠和监听 ；协商一致的睡眠调度机制（虚拟簇） 自适应的侦听机制，减少信息的传输延迟 带内信令来减少重传和避免监听不必要的数据 消息分割和突发传递机制来减少控制信息的开销和消息
的传递延迟
SMAC协议-关键技术1
周期性睡眠和监听
一个周期内有睡眠和监听两种状态 节点之间协同，保持监听同步 同步调度，形成虚拟簇 全监听周期，保证邻居发现 降低功耗，增加延迟
的可能
SMACS协议-关键技术2
链路建立
节点A和D分别在Td和Ta时刻开始进行邻居发现
节点B和C分别在Tb和Tc时刻开始进行邻居发现
两个时隙分配不同的频点 fx和fy
D、A相互发现
Tframe
发送时隙 接收时隙
fx
…
fx
…
Node D
Td
fx …
fx …
Node A
Ta
fy
B、C相互发现
Tb
由一个二进制位串组成 每一位表示节点在当前时隙应处于何种状态，1为监听，
0为睡眠 形式：0m1，m=0,1,…N-1，m代表串中0的个数 每个节点启动时的模式串为1，表示流量很大 节点根据网络流量更新模式
在第一个时隙内无数据发送：更新模式为 01 在第二个模式中监听时隙内仍无数据发送：更新模式为 001；依此类推
SMACS协议-关键技术4
邻居发现和信道分配
节点B选择一个随机的频点，将时隙对在超帧中的位置信 息以及选择的频点通过Type4发送给节点C。这些信息成 功交换之后，B和C之间就完成了时隙分配和频率选择， 可以切换到对应的时隙和频率进行通信。
Node B
Type1 Type3
Type4 Type2
分配型MAC协议
第一章无线传感器网络WSNs概述
传感器结点由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、 通信部件和软件这几部分构成。电源为传感器提供正常工作所 必需的能源。感知部件用于感知、获取外界的信息，并将其转 换为数字信号。处理部件负责协调结点各部分的工作。通信部 件负责与其他传感器或用户的通信。软件是为传感器提供必要 的软件支持。
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。
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。
无线传感器网络技术概论课件：无线传感器网络体系结构
无线传感器网络体系结构
2．通信能力的约束 传感器节点的通信能力关系到传感器网络监测区域内节
点部署数量，而制约其通信能力主要有两个参数，即能量损 耗和通信距离，二者之间的关系为
E = kdn
(2-1)
式中，E为传感器节点的通信能量损耗；k为一个常数，
与传感器节点的系统构成有关；d为传感器节点的通信距离；
分别接入TD-SCDMA、GSM核心网、Internet主干网及无线 局域网络等多种类型异构网络，再通过各网络下的基站或主 控设备将传感器信息分发至各终端，以实现针对无线传感器 网络的多网远程监控与调度。同时，处于TD-SCDMA、 GSM、Internet等多类型网络终端的各种应用与业务实体也 将通过各自网络连接相应的无线传感器网络网关，并由此对 相应无线传感器网络节点开展数据查询、任务派发、业务扩 展等多种功能，最终实现无线传感器网络与以移动通信网络、 Internet网络为主的各类型网络的无缝的、泛在的交互。
(2) 汇聚节点：用于连接传感器节点与Internet 等外部网 络的网关，可实现两种协议间的转换；同时能向传感器节点 发布来自管理节点的监测任务，并把WSN收集到的数据转 发到外部网络上。与传感器节点相比，汇聚节点的处理能力、 存储能力和通信能力相对较强。
(3) 管理节点：用于动态地管理整个无线传感器网络， 直接面向用户。所有者通过管理节点访问无线传感器网络的 资源，配置和管理网络，发布监测任务以及收集监测数据。
锁相回路(PLL)、解调器和功率放大器组成，所有的这些组
件都会消耗能量。对于一对收发机来说，数据通信带来的功
耗PC的组成部分可简单地用模型描述为
PC = PO + PTX + PRX
(2-2)
无线传感器网络的理论及应用PPT教学课件
2020/12/11
6
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。
2020/12/11
7
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。
2020/12/11
25
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。
2020/12/11
26
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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27
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
29
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
2
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
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
传感器的基础知识-PPT课件
2019/3/7 33
压力传感器的外形及内部结构
2019/3/7
34
弹簧管放大图
当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿 条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生 角位移。
2019/3/7
35
被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转
换成电参量
在右图 中， 电位器 为传感元件， 它将角位移 转换为电参 量-----电阻 的变化（ΔR）
用途：就是采集信息和信息量。
用在：工业，农业，医疗，卫生， 国防，军事，航天，航空，气象，安 检以及日常生活等等方面。
2019/3/7 5
在流水线上，边加工，边检验，可提 高产品的一致性和加工精度。
2019/3/7 6
2019/3/7
7
传感器早已渗透到诸如工业生产、 宇宙开发、海洋探测、环境保护、 医学诊断、生物工程、甚至文物保 护等等极其之泛的领域。可以毫不 夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚 的海洋，以至各种复杂的工程系统， 几乎每一个现代化项目，都离不开 各种各样的传感器。
2019/3/7 8
二、传感器的组成 举例：测量压力的电位器式压力传感器
传感器 组成框图
1-弹簧管 2-电位器
2019/3/7 9
三、传感器分类
1.根据被测对象，可分为物理量传感器、 化学量传感器和生物量传感器三大类; 按被测量分类：可分为位移、力、力矩、 转速、振动、加速度、温度、压力、流量、 流速等传感器。 2. 按测量原理分类：可分为电阻、电容、 电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红 外、光导纤维等传感器。 ……
m a x L L 1 0 0 % y y m a x m in
（ 1－ 2）
16
压力传感器的外形及内部结构
2019/3/7
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弹簧管放大图
当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿 条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生 角位移。
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被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转
换成电参量
在右图 中， 电位器 为传感元件， 它将角位移 转换为电参 量-----电阻 的变化（ΔR）
用途：就是采集信息和信息量。
用在：工业，农业，医疗，卫生， 国防，军事，航天，航空，气象，安 检以及日常生活等等方面。
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在流水线上，边加工，边检验，可提 高产品的一致性和加工精度。
2019/3/7 6
2019/3/7
7
传感器早已渗透到诸如工业生产、 宇宙开发、海洋探测、环境保护、 医学诊断、生物工程、甚至文物保 护等等极其之泛的领域。可以毫不 夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚 的海洋，以至各种复杂的工程系统， 几乎每一个现代化项目，都离不开 各种各样的传感器。
2019/3/7 8
二、传感器的组成 举例：测量压力的电位器式压力传感器
传感器 组成框图
1-弹簧管 2-电位器
2019/3/7 9
三、传感器分类
1.根据被测对象，可分为物理量传感器、 化学量传感器和生物量传感器三大类; 按被测量分类：可分为位移、力、力矩、 转速、振动、加速度、温度、压力、流量、 流速等传感器。 2. 按测量原理分类：可分为电阻、电容、 电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红 外、光导纤维等传感器。 ……
m a x L L 1 0 0 % y y m a x m in
（ 1－ 2）
16
《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1章无线传感器网络概述
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
无线传感器网络综述(完整版)ppt资料
UC Berkeley承担的Smart Dust工程。
历史以及开展现状〔续〕
1998-2002年DARPA资助，加州大学伯克 利分校等25个机构联合承担的SensIT方案；
1999-2004年间海军研究办公室的SeaWeb 方案等。 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 。
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
WSN的应用
☆军事上的应用 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 不可少的一局部。
WSN的应用〔续〕
WSN的应用〔续〕
☆建筑物状态监控 利用传感器网络监控建筑物的平安状态。 例：Microstrain在佛蒙特州的一座重载桥梁上 安装了一套该公司研制的系统，将位移传感器 安装在钢梁上用来测量静态和动态应力，并通 过无线网络来采集数据。该无线系统可以保存 在桥梁上用于长期监测桥梁是否处于正常受控 状态 。 〔如图 〕
传感器、感知对象、观察者。
WSN概述〔续〕
影响力 ☆美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来
技术开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。
无线传感器网络课件-第一章
用 移优 能 动化 管 量 理 分
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。
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。
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无基础设施网-无线Ad hoc网络
节点是分布式的，没有专门的固பைடு நூலகம்基站。
无线Ad hoc网络分为两类: 一类是移动Ad hoc 网络(Mobile Ad hoc Network,简称MANET)， 终端是快速移动的。
另一类就是无线传感器网络,节点是静止的或者移 动很慢。
“无线传感器网络”术语的标准定 义 无线传感器网络(WSN)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，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，并报告给用户。
现代信息技术 传感器技术 计算机技术 通信技术
信息系统 感官 大脑 神经
无线传感器网络
应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
应 移用 能 动优 量 管化 分理 配
传感器节点实物示例
1、电源能量有限
传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模 块。传感器节点传输信息时要比执行计算时更消 耗电能；
传输l比特信息100m距离需要的能量大约相当 于执行3000条计算指令所消耗的能量。
2、通信能力受限
通常无线通信的能量消耗与通信距离的关系符合如 下规律：
n满足关系2<n<4。n的取值与很多因素有关，如 传感器节点部署贴近地面时，障碍物多、干扰大，n 取值就大；天线质量对信号发射质量影响也很大。
数据链路层
IEEE802.15.4
物理层
(2) 网络管理平台
网络管理平台主要是对传感器节点自身的管理 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。
(3) 应用支撑平台
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;
节点的体系组成
(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。
应用业务、安全性 应用层
可靠性、流量控制、 传输层 吞吐量
连接/无连接、路由、 网络层 可达性
介质访问、功率管 理、帧格式
信道编码、无线传 输、调制解调
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。
1、电源能量有限
耗能模块包括传感 20
器模块、处理器模块
和无线通信模块。
15
功率/mW
随着集成电路工艺 10
的进步，处理器和传
感器模块的功耗变得
很低，绝大部分能量 5
主要消耗在无线通信
模块上。
0
传感器 处理器 发送 接收 空闲 睡眠
通信
(1) 平面结构
平面结构的网络比 较简单，所有节点的 地位平等，又称为对 等式结构。
源节点和目的节点 之间一般存在多条路 经，网络负荷由这些 路径共同承担，一般 情况下不存在瓶颈， 网络比较健壮。
平面结构的不足
平面型的网络结构在节点的组织、路由建立、 控制与维持的报文开销上都存在问题；
这些开销会占用很大的带宽，影响网络数据 的传输速率；
(3) 各种类型的低功耗网络终端节点可以构成星形 拓扑结构，或者混合型的ZigBee拓扑结构，有的 路由节点还可以采用电源供电方式。
1.2传感器网络节点的结构
1.3 网络体系结构
1、节点的体系组成 从无线联网的角度来看，传感器网络节点的
体系由分层的网络通信协议、网络管理平台和 应用支撑平台三个部分。
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。
分层结构的不足
簇头的能量消耗问题较大，簇头发送和接收报 文的频率要高出普通节点几倍或十几倍；
在簇内运行簇头选择程序来更换簇头。
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。
911历史事件 寻找拉登藏身之处 应用需求引发研究热潮
综观计算机网络技术的发展史，应用需求始终是推 动和左右全球网络技术进步的动力与源泉。
第一章 绪 论
一 什么是无线传感器网络 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
无线传感器网络技术基础
适用：电气信息类专业
本课章节与课时安排
章节
内容
学时
1
绪论
3
2
常用微型传感器
1
3
传感器网络的通信技术
4
4
传感器网络的支撑技术
6
5
传感器网络的应用开发基础
6
6
传感器网络协议的技术标准
2
7
传感器网络技术的应用
2
8
无线传感器网络设计与实验
8
教材及参考书
1、无线传感器网络简明教程，崔逊学，清华大学 出版社 2、无线传感器网络，孙利民，清华大学出版社 3、智能无线传感器网络，于海斌，科学出版社
1.1传感器网络的常用逻辑结构图
传感器1 传感器2
无线链路
无线接口 模块
…
传感器N
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。
整个系统在宏观上将损耗很大的能量；
可扩充性差。
(2) 分层结构
簇 簇内节点
簇头
基站
分层结构的特点
传感器网络被划分为多个簇；
每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇 头形成了高一级的网络。
簇头节点负责簇间数据的转发，簇成员只负责 数据的采集。大大减少了网络中路由控制信息的 数量；
具有很好的可扩充性。
❖ 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
移动Ad hoc网络
络 无基础设施网
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。