无线传感器网络

C E D B A 传感器节 点
管理节点
用户
监测区域
传感器节点的组成

传感器节点一般由传感模块、处理模块、无线通信模块和能量 供应模块组成。 传感器节点已经可以做得非常小，称为智能尘埃（smart dust）。
处理模块 处理器 收发器 存储器 通信模块

传感模块
DC
传 感 器 模 块
模 数 转 换
传感器网络的特点



节点固定或只有较小的活动性 数量大，密度高 拓扑动态变化 节点同构，或只有少量特殊节点； 分布式：没有预先指定的中心，所有节点通过分布 式算法相互协调； 自组织：传感器网络的部署和初始化等不需要外界 干预； 节点资源受限，特别是能量非常有限； 以数据为中心的网络，节点具有数据处理的能力； 与应用紧密耦合的网络


位置的过程，称为节点定位。
节点定位算法的分类

绝对定位和相对定位：


绝对定位：网络中存在已知位置的参考节点 （锚节点），所有节点根据参考节点确定自己 的位置，所有节点使用同一个坐标系。 相对定位：网络中不存在已知位置的参考节点， 所有节点确定到其它节点的相对位置。 基于测距的定位：借助于节点之间的距离信息 或角度信息进行位置估计； 非基于测距的定位：不需要或不直接测量节点 之间的距离及角度信息。

（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。
利用plug节点的多模式感知能力，可以较 准确地推断发生的事件。


所有plug节点构成普适计算环境中的骨干 网，可以了解到plug网络所在环境的活动 情况
无线传感器网络要解决的问题
无线传感器网络
Wireless Sensor Networks （WSNs）
1. 无线传感器网络概述

无线传感器网络通常由大量具有感知、计算及无线通信 能力的微小节点组成，其目的是监视环境而非通信。 传感器节点部署在要监视的区域中，采集指定的环境参 数，并将数据发送到汇聚节点供分析。
汇聚节点

卫星 互联网
AC/
能量单元
传感器节点的特点

廉价：每个节点的期望价格在一美元左右 体积小：火柴盒或硬币般大小 重量轻：小于100克 能量有限：两节五号电池或纽扣电池供电 无线通信能力：能够用无线电、红外线、蓝牙、超 声波等通信，带宽低，干扰大 计算能力：几百兆赫兹的处理器 存储能力：几兆或几百兆的存储空间 感知能力：具有一个或几个传感器 软件环境：TinyOS是专为传感器节点开发的操作系 统
传感器网络与移动自组网的不同

节点规模：

移动自组网：节点数量通常在几十或上百 传感器网络：节点数目往往高出好几个数量级 移动自组网：小 传感器网络：大（冗余部署的结果）

节点密度：


拓扑变化的原因：


移动自组网：节点运动 传感器网络：节点休眠调度、环境干扰或节点故障引起
移动自组网：较强 传感器网络：十分有限

节点之间的通信能力允许节点之间协同完成更复杂的任 务，如目标跟踪。
通过任务的重新分配可以改变传感器网络的用途。

（1）监视红杉树的小气候[1]

在一棵红杉树的不同位置安装无线气象站 进行数据采集，如光辐射、温度、湿度、 气压，形成森林气候一个样本。
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。

估计两个节点间距离最常用的方法是：


基于时间的方法（ToA、TDoA）：根据信号到达时间或 两种信号的到达时间差估算距离。
到达角度AoA：估计信号的到达角度，用几何关系计算节 点位置。

RSSI（Received Signal Strength Indicator）

已知发射节点的发射功率，接收节点根据接收到的信 号强度估算到发射节点的距离。 使用最广泛的信号传播模型是对数距离路径损耗模型， 其中功率均用分贝表示：




网络的自组织、自配置（节点定位、时间 同步、自动校准、拓扑控制等） 通信协议（MAC、路由协议） 分布式数据管理（数据采集、存储、查询、 获取等） 各种应用特定的数据融合处理 节省能耗应贯穿到所有的设计中。
2. 节点定位

节点定位是传感器网络的重要基础功能，没有位
置信息的环境数据是没有意义的。 手工为每个节点设定位置不可能， GPS定位系统 无法大规模应用到传感器节点上。 传感器节点依靠相互之间的协作来确定各自物理


大量研究表明，在无线传感器网络中无法得到信号衰 减与距离之间的一致模型，主要原因在于：


环境的影响：多路径、衰落、遮蔽效应
天线高度 节点的发射功率未精确校准
TDoA（Time Difference of Arrival）

基于测距的定位和非基于测距的定位：

衡量定位算法的性能指标


平均定位误差：待定位节点的估测位置到 实际位置的平均距离。 可定位节点的比率 算法复杂度（计算、通信） 收敛速度 健壮性
2.1 测距技术

大多数已有的位置发现方法由两个基本的阶段组成：

距离（或角度）估计 距离（或角度）融合 接收信号强度指示RSSI：根据接收到的信号强度计算路 径损耗，再将路径损耗转换成距离。

无线气象站（传感器节点）
实验结果片段Biblioteka Baidu
（2）监视地下结构的改变[2]

将传感器节点固定放置在坑顶和坑壁上形成规则的网
状网络（蜂窝状六边形），每个节点预先设置好位置，
每个节点都知道自己的邻居集合，并定期与邻居交换 信标。

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。

节点处理能力：


传感器网络的应用

传感器网络在环境监视方面的优势：

通过在物理环境中部署大量廉价的智能传感器节点，可 以获得长时间、近距离、高分辨率的环境数据，这是传 统监视设备无法得到的。 传感器节点的计算和存储能力允许节点执行数据过滤、 数据压缩等操作，也可以执行一些应用特定的处理任务。