无线传感器网络

无线传感器网络Wireless Sensor Networks
哈尔滨工业大学
•WSN概述
主讲内容•WSN的通信协议•WSN的支撑技术•WSN的应用技术•WSN的应用
•概念
•特点
无线传感器网络概述•研究进展
•应用领域
概念
•传统的网络:
Internet,中国移动网,人际关系网
•无线传感器网络（WSN）
由部署在监测区域内大量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
织网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网
络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。

工作原理
Wireless Sensor Network
汇聚节点
互联网和
卫星
任务管理节点
用户
监测区域
传感器节点
传感器节点体系结构
能量供应模块
传感器模块处理器模块
无线通信模块传感器A/D 处理器
存储器网络MAC 收发器
传感器节点体系结构
CC2430硬件图
商用WSN节点
•国外起步较早，市场上已经有技术比较成熟的商用无线传感器网络产品。

预计
到2011年，世界市场WSN系统与服务将
升至46亿美元。

•Smart Dust
•UC，Berkeley ,100mm3, Dust
Networks公司
•Mica系列
•UC，Berkeley，Crossbow公司量产并投放市场。

Demo
WSN节点的特点•节点数量庞大
•通信能力有限
•计算和存储能力有限•电源能量有限
研究进展
•起步于20世纪90年代，美军方•UC，Berkeley
•被认为是全球未来四大高技术
产业之一
•我国的研究进展
中科院，沈阳自动化所，清华大学，哈尔滨工业大学等
应用领域
•军事应用
•环境观测和预报系统•医疗护理
•智能家居
•建筑物状态监控•其他方面
•协议：人们制定的一系列规则，目的是为了确保信息传送的有序和高效，需着重考WSN的通信协议虑整体网络的能量消耗。

•MAC协议
•路由协议
•国际标准
相关术语
•节点（Node）
•汇聚节点（Sink Node）•服务器
Server
Sink Node Node
Node
Sink Node Server
●每个节点能量有限，并且每传播
一条消息都要损失一定的能量
●每个节点同时只能传播一条消息●节点间的距离不同
Node
Sink Node Server
每个节点能量有限
0%
PH ●传统无线网络的协议不能直接用
于WSN
●最主要原因就是WSN 节点的能量有限性
节点耗能情况
传感器节点耗能情况
2
4
6
81012
14
16
传感器处理器发送接收空闲睡眠功耗/m W 系列1
Node Sink Node
Server
每个节点同时只能传播一条消息
×
PH100%
50%
MAC协议
•MAC：Medium Access Control,介质访问控制协议，决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用以构建传感器网络系统的底层基础结构。

•基于竞争的：CSMA/CA等
带冲突避免的载波侦听多路访问协议•基于分时复用的：TDMA等
问题：需要进行严格的时间同步
节点间的距离不同，传送路径不一
Server
Sink Node
Node
路由协议
•路由协议负责节点间的数据转发，两个功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径；将数据分组沿着优化路径正确转发。

•能量感知路由
•基于查询的路由
•地理位置路由（定位技术）•……
国际标准
•802.11b（无线局域网）•802.15.1（蓝牙）•802.15.3a（UWB）•802.15.4（Zigbee）
•支撑技术：从抽象的底层协议到具体的上层应用，其实现过程非常复杂，是无线传
WSN的支撑技术感器网络设计中的重点和难点。

•定位技术
•同步技术
•安全技术
•数据融合技术
•应用技术：协议和支撑技术的表现形式是算法，最终都需要落实到具体的应用开发
WSN的应用技术中。

•硬件构成
处理器(Atmel, ARM)、通信芯片的选择(Chipcon 的CC系列)
•软件开发
嵌入式操作系统（TinyOS,开源），开发平台（nesC语言），仿真工具
•美俄亥俄州的“沙地直
线”(A Line In The Sand)系
WSN的应用
统,侦察和定位敌军坦克和其他车辆
•加州大学伯克利分校,监控大鸭岛的生态环境,Mica
•南加州大学的NETSHM系统,监测洛杉矶The Fourth Seasons大楼的健康状况
•各种协议和支撑技术的改进
最新的研究成果•MEMS应用于节点
•处理器工艺的提升
•无线功率传输技术的发展•能量采集和储存技术的突破
•能量供应不再成问题时
思考•GPS由于军事原因不可用时•……
参考文献和有用的网站•孙利民，李建中等.《无线传感器网络》.清
华大学出版社，2005
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