无线传感器网络技术与应用
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2
一、无线传感器网络概述
1、发展历程
3
2、定义
无线传感器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
传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个 要素
4
二、无线传感器网络的应用领域 军事 农业 医疗 建筑工程与建筑物 智能建筑与市政建设管理
8
引言 物理层 数据链路层 ZigBee 拓扑控制 路由协议 覆盖技术
9
一、引言 无线传感器网络的体系结构由分层的网路通信协 议、网络管理平台以及应用支撑平台3部分组成
10
二、物理层 1、物理层功能 为数据端设备提供传送数据的通路 传输数据 2、物理层的主要技术 介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频 技术
11
3、链路特性 数据包在传输过程中会遇到路径损耗、噪声、 多径效应、邻节点干扰等情况，从而造成数据 包的丢失
12
4、物理层设计 物理层设计的一些非常重要的问题是： 1）低功耗问题。 2）低发射功率和小传播范围。 3）低占空系数问题。 4）相对较低的数据率（一般来说每秒几十或 几百kb）。 5）较低的实现复杂度和较低的成本。 6）较小的移动程度。
24
七、覆盖技术 通过网络中传感器节点的空间位置分布，实现对
被监测区域或目标对象物理信息的感知，从根本 上反映了网络对物理世界的感知能力
25
1、覆盖的评价标准 覆盖能力 网络的连通性 能量有效性 算法精确性 算法复杂性 网络动态性 网络可扩展性
根据通信模式可分为时钟驱动型、事件驱动型和 查询驱动型
根据目的节点的个数可分为单播路由协议和多播 路由协议
根据是否进行数据融合可分为融合路由协议和非 融合路由协议
23
2、平面路由协议 Flood泛洪路由协议和Gossiping闲聊路由协议 SPIN路由协议 DD定向扩展路由协议
3、分簇路由协议 LEACH协议 TEEN路由协议 TTDD路由协议
时不需要过多的控制信息；节点在空闲时隙能够及 时进入睡眠状 3、其他类型的MAC协议 SMACS/EAR协议 S-MAC协议 T-MAC协议
17
四、ZigBee 1、ZigBee和IEEE 802.15.4两者之间的区别和联系
1）ZigBee完整而充分地利用了IEEE 802.15.4定义 的功能强大的物理特性优点
13
5、低速物理层 IEEE 802.15.4 UWB 红外通信技术
6、中高速物理层 Wi-Fi Blue Tooth WiMAX WCDMA
14
三、数据链路层 MAC层位于物理层之上，负责把物理层的“0”、 “1”比特流组建成帧，并通过帧尾部的错误校验 信息进行错误校验；提供对共享介质的访问方法， 包括以太网的带冲突检测的载波侦听多路访问 （CSMA/CD）、令牌环（Token Ring）、光纤分布 式数据接口（FDDI）等
2）ZigBee增加了逻辑网络和应用软件 3）ZigBee基于IEEE 802.15.4射频标准，同时
ZigBee联盟通过与IEEE紧密工作来确保一个集成的 完整的市场解决方案
4）IEEE 802.15.4工作组主要负责制定物理层和 MAC层标准，而ZigBee负责网络层、安全层以及应 用层的开发
20
1、拓扑控制技术 最优邻节点集 基于节点度的功率控制 基于方向的功率控制
2、层次型拓扑结构控制 LEACH算法：基于簇的自适应分簇拓扑算法，这是 第一个提出数据融合的层次算法 基于能量有效的分簇控制：有效改善了LEACH算法 中簇头可能分布不均匀的问题 基于地理位置的分簇控制：如GAF算法，基于平面 模型，以节点间的距离来度量是否能够通信
15
1、基于竞争的MAC协议 当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用信道，
若竞争成功则开始发送数据，若产生了数据碰撞， 就按照一定的重发策略开始数据重发流程 典型的基于竞争的MAC协议有ALOHA协议、CSMA、无 线局域网IEEE 802.11MAC协议
16
2、基于时分复用的MAC协议 TDMA机制没有竞争机制的碰撞重传问题；数据传输
5
三、无线传感器网络的特点 体积小、电源能力有限 计算和存储能力有限 分布式、多跳自组织 通信半径小、带宽低 动态性强 以数据为中心
6
四、无线传感器网络的关键技术 网络拓扑控制 网络协议 时间同步 定位技术 数据管理 网络安全
7
无线传感器网络使用无线通信，链路极易受到干扰， 链路通信质量往往随着时间推移而改变，因此研究 如何保障稳定高效的通信链路是必要的。除此之外， 通信协议还需要考虑网络中由于节点的加入和失效 等因素引起的网络拓扑结构的改变，采用一定的机 制保持网络的通信顺畅。
无线传感器网络作为物联网的重要组成部分，其应 用涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域。 不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域 具有巨大的应用价值，还将在许多新兴领域体现其 优越性，家用、保健、交通等。
1
无线传感器网络概述 无线传感器网络的应用领域 无线传感器网络的特点 无线传感器网络的关键技术
Baidu Nhomakorabea18
2、 ZigBee协议框架
3、 ZigBee技术特点 低速率、短时延 低功耗 低成本 大容量 近距离通信 自组织自配置
19
五、拓扑控制 在保证一定的网络连通质量和覆盖质量的前提下， 一般以延长网络的生命期为主要目标，通过功率 控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的 通信链路，兼顾通信干扰、网络延迟、负载均衡、 简单性、可靠性、可扩展性等其他性能，形成一 个数据转发的优化网络拓扑结构
21
六、路由协议 路由协议的目的是将消息分组从源节点（传感器 节点）发送到目的节点（汇聚节点），因此需要 完成两大功能：一是选择适合的优化路径，二是 沿着选定的路径正确转发数据
22
1、路由协议分类 根据拓扑结构可分为平面路由协议和分簇路由协 议
根据路径的多少可分为单路径路由协议和多路径 路由协议
一、无线传感器网络概述
1、发展历程
3
2、定义
无线传感器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
传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个 要素
4
二、无线传感器网络的应用领域 军事 农业 医疗 建筑工程与建筑物 智能建筑与市政建设管理
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引言 物理层 数据链路层 ZigBee 拓扑控制 路由协议 覆盖技术
9
一、引言 无线传感器网络的体系结构由分层的网路通信协 议、网络管理平台以及应用支撑平台3部分组成
10
二、物理层 1、物理层功能 为数据端设备提供传送数据的通路 传输数据 2、物理层的主要技术 介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频 技术
11
3、链路特性 数据包在传输过程中会遇到路径损耗、噪声、 多径效应、邻节点干扰等情况，从而造成数据 包的丢失
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4、物理层设计 物理层设计的一些非常重要的问题是： 1）低功耗问题。 2）低发射功率和小传播范围。 3）低占空系数问题。 4）相对较低的数据率（一般来说每秒几十或 几百kb）。 5）较低的实现复杂度和较低的成本。 6）较小的移动程度。
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七、覆盖技术 通过网络中传感器节点的空间位置分布，实现对
被监测区域或目标对象物理信息的感知，从根本 上反映了网络对物理世界的感知能力
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1、覆盖的评价标准 覆盖能力 网络的连通性 能量有效性 算法精确性 算法复杂性 网络动态性 网络可扩展性
根据通信模式可分为时钟驱动型、事件驱动型和 查询驱动型
根据目的节点的个数可分为单播路由协议和多播 路由协议
根据是否进行数据融合可分为融合路由协议和非 融合路由协议
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2、平面路由协议 Flood泛洪路由协议和Gossiping闲聊路由协议 SPIN路由协议 DD定向扩展路由协议
3、分簇路由协议 LEACH协议 TEEN路由协议 TTDD路由协议
时不需要过多的控制信息；节点在空闲时隙能够及 时进入睡眠状 3、其他类型的MAC协议 SMACS/EAR协议 S-MAC协议 T-MAC协议
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四、ZigBee 1、ZigBee和IEEE 802.15.4两者之间的区别和联系
1）ZigBee完整而充分地利用了IEEE 802.15.4定义 的功能强大的物理特性优点
13
5、低速物理层 IEEE 802.15.4 UWB 红外通信技术
6、中高速物理层 Wi-Fi Blue Tooth WiMAX WCDMA
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三、数据链路层 MAC层位于物理层之上，负责把物理层的“0”、 “1”比特流组建成帧，并通过帧尾部的错误校验 信息进行错误校验；提供对共享介质的访问方法， 包括以太网的带冲突检测的载波侦听多路访问 （CSMA/CD）、令牌环（Token Ring）、光纤分布 式数据接口（FDDI）等
2）ZigBee增加了逻辑网络和应用软件 3）ZigBee基于IEEE 802.15.4射频标准，同时
ZigBee联盟通过与IEEE紧密工作来确保一个集成的 完整的市场解决方案
4）IEEE 802.15.4工作组主要负责制定物理层和 MAC层标准，而ZigBee负责网络层、安全层以及应 用层的开发
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1、拓扑控制技术 最优邻节点集 基于节点度的功率控制 基于方向的功率控制
2、层次型拓扑结构控制 LEACH算法：基于簇的自适应分簇拓扑算法，这是 第一个提出数据融合的层次算法 基于能量有效的分簇控制：有效改善了LEACH算法 中簇头可能分布不均匀的问题 基于地理位置的分簇控制：如GAF算法，基于平面 模型，以节点间的距离来度量是否能够通信
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1、基于竞争的MAC协议 当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用信道，
若竞争成功则开始发送数据，若产生了数据碰撞， 就按照一定的重发策略开始数据重发流程 典型的基于竞争的MAC协议有ALOHA协议、CSMA、无 线局域网IEEE 802.11MAC协议
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2、基于时分复用的MAC协议 TDMA机制没有竞争机制的碰撞重传问题；数据传输
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三、无线传感器网络的特点 体积小、电源能力有限 计算和存储能力有限 分布式、多跳自组织 通信半径小、带宽低 动态性强 以数据为中心
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四、无线传感器网络的关键技术 网络拓扑控制 网络协议 时间同步 定位技术 数据管理 网络安全
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无线传感器网络使用无线通信，链路极易受到干扰， 链路通信质量往往随着时间推移而改变，因此研究 如何保障稳定高效的通信链路是必要的。除此之外， 通信协议还需要考虑网络中由于节点的加入和失效 等因素引起的网络拓扑结构的改变，采用一定的机 制保持网络的通信顺畅。
无线传感器网络作为物联网的重要组成部分，其应 用涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域。 不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域 具有巨大的应用价值，还将在许多新兴领域体现其 优越性，家用、保健、交通等。
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无线传感器网络概述 无线传感器网络的应用领域 无线传感器网络的特点 无线传感器网络的关键技术
Baidu Nhomakorabea18
2、 ZigBee协议框架
3、 ZigBee技术特点 低速率、短时延 低功耗 低成本 大容量 近距离通信 自组织自配置
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五、拓扑控制 在保证一定的网络连通质量和覆盖质量的前提下， 一般以延长网络的生命期为主要目标，通过功率 控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的 通信链路，兼顾通信干扰、网络延迟、负载均衡、 简单性、可靠性、可扩展性等其他性能，形成一 个数据转发的优化网络拓扑结构
21
六、路由协议 路由协议的目的是将消息分组从源节点（传感器 节点）发送到目的节点（汇聚节点），因此需要 完成两大功能：一是选择适合的优化路径，二是 沿着选定的路径正确转发数据
22
1、路由协议分类 根据拓扑结构可分为平面路由协议和分簇路由协 议
根据路径的多少可分为单路径路由协议和多路径 路由协议