第1章传感器网络概述
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6
一、什么是无线传感器网络
7
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
8
“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。
42
通信能力有限 节点通信覆盖范围只有几十到几百米
关键之一
如何在有限的通信能力条件下, 完成探测数据 的传输？ 无线通信技术是第一项关键技术！
43
电源能量有限 通常电池供电，工作环境恶劣，一次部署 终生使用，更换电池困难
关键之二
如何节省电源、最大化网络的使用寿命？ 低功耗设计问题是第二项关键技术！
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
数据链路层
IEEE802.15.4
物理层
53
(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。
Sensors
19
80 90
至二 十
年世 代纪 之 间年
代
第二阶段
1999年商业周刊将传感器网络 列为二十一世纪最具影响的21 项技术之一 。
感知能力＋计算能力＋通信能力
20
第三阶段
21
2001 911事件
世
纪
橡树岭实验室提出“网络就是传
开
2002 感器”。
始
至
美国《技术评论》杂志评出深远
今
2003
9
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
10
11
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
12
传感器节点实物示例
13
传感器网络的常用逻辑结构图
传感器1
无线链路
传感器2
无线接口 模块
…
传感器N
监控主机 14
• 用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器 硬件
关键之五
如何建立以数据为中心的传感器网络？ 传感器网络的第五项关键技术是数据融合方法！
47
网络攻击无处不在 传感器节点的物理操纵 传感信息的窃听 拒绝服务攻击 私有信息的泄露 ……
关键之六
安全性是传感网络设计的重要问题。如何保护 机密数据和防御网络攻击是第六项关键技术！
32
（二）军事应用
33
联合国维和部队 伊拉克
微型感应传感器网络 核武器和生化武器
34
美军未来战斗系统的战场警戒示意图
传感器节点
通行车辆
35
枪声定位反恐系统
36
美国F-22猛禽战斗机
F-22猛禽战斗机
机外传感器网络
37
美军“沙地直线பைடு நூலகம்项目
无线链路
目标探测、 分类和跟踪
宽（英尺）
传传感感器器节节点点
长（英尺）
38
节点封装示例（一）
特点： 表面光滑 可以滚动 自动调整姿态位置 万向节固定架设计
密封形 封装罩
39
节点封装示例（二）
特点： 底基重量大 自正位 “悬垂钟摆”式电路板 飞机抛撒
锥形罩
40
“狼群”地面传感器网络
美军共计完成23项传感器网络项目 网络工程专业
41
四、传感器网络的关键技术
无线传感器网络工作 原理的动画演示
15
二、传感器网络的发展历史
16
第一阶段
70
的
最
传年早
统代可
的越以
传战追
感时溯
器期二
系使十
统用世
。
纪
胡胡志志明明小小道道
17
热带树
轰炸机
18
传统感知方法的特征
信号分析
有线/无线连接
•传感器仅产生探测数据流 • 传感器无计算能力
• 传感器之间不能相互通信
Object
(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，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。
影响人类未来生活的十大新兴技 术，传感器网络列为第一 。
2006
我国发布《国家中长期科学与技 术发展规划纲要》。
21
计算设备的演化历史
巨型机
小型机
工作站
PC PDA WSN 节点等
生物芯片
22
三、传感器网络的应用情况
23
（一）民事应用
24
大鸭岛海燕监测
海燕 大鸭岛
鸟巢 无人干扰监测
25
桥健环海 梁康境洋 监 测
第一章 概 论
1
911历史事件
寻找拉登藏身之处
应用需求引发研究热潮
2
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。
3
本课章节与课时安排
章节
内容
学时
1
绪论
4
2
常用微型传感器
4
3
传感器网络的通信技术
6
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
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。
52
(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
44
计算能力有限 节点体积小，处理器和存储器性能有限，不 允许进行复杂算法的运算
关键之三
嵌入式操作系统设计是第三项关键技术！
45
自组织的动态网络
传感器网络没有基站 节点失效、新节点加入，导致网络拓 扑结构的动态性，需要自动愈合
关键之四
多跳自组织的网络路由是第四项关键技术！
46
– 传感器网络是以数据为中心的网络
道电高葡力尔路萄高夫交压球园线场通
27
高智速物列能公流车停路系铁车系统轨场统
28
韩 北 国 京 济 大 州 兴 岛 区 智 菊 能 花 渔 基 场 地
克尔斯博公司 29
沈阳玫瑰园 浙江温州的奶牛牧场
30
讨论题
请大家思考和组织课堂讨论： 传感器网络还可以有哪些用途？
31
汶二 川零 地零 区八 发年 生五 强月 烈十 地二 震日
48
本章小结
本章主要介绍传感器网络的概念、发展历 史、应用情况和关键技术。
习题：
[1] 什么是无线传感器网络？
[2] 传感器节点的组成及其功能是什么？
[3] 列举几种常用的战场传感器。
49
第1章
概 述 (续)
50
1.2.2 传感器网络节点的结构
51
1.2.3 网络体系结构
1、节点的体 系组成
4
7
传感器网络技术的应用
4
8
无线传感器网络设计与实验
6*
注：*为实验课时，总学时数为40。
4
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
5
❖ 教学目的：掌握传感器网络的基本情况
❖ 学时：4学时 ❖ 本章重点：基本概念、应用情况
一、什么是无线传感器网络
7
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
8
“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。
42
通信能力有限 节点通信覆盖范围只有几十到几百米
关键之一
如何在有限的通信能力条件下, 完成探测数据 的传输？ 无线通信技术是第一项关键技术！
43
电源能量有限 通常电池供电，工作环境恶劣，一次部署 终生使用，更换电池困难
关键之二
如何节省电源、最大化网络的使用寿命？ 低功耗设计问题是第二项关键技术！
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
数据链路层
IEEE802.15.4
物理层
53
(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。
Sensors
19
80 90
至二 十
年世 代纪 之 间年
代
第二阶段
1999年商业周刊将传感器网络 列为二十一世纪最具影响的21 项技术之一 。
感知能力＋计算能力＋通信能力
20
第三阶段
21
2001 911事件
世
纪
橡树岭实验室提出“网络就是传
开
2002 感器”。
始
至
美国《技术评论》杂志评出深远
今
2003
9
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
10
11
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
12
传感器节点实物示例
13
传感器网络的常用逻辑结构图
传感器1
无线链路
传感器2
无线接口 模块
…
传感器N
监控主机 14
• 用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器 硬件
关键之五
如何建立以数据为中心的传感器网络？ 传感器网络的第五项关键技术是数据融合方法！
47
网络攻击无处不在 传感器节点的物理操纵 传感信息的窃听 拒绝服务攻击 私有信息的泄露 ……
关键之六
安全性是传感网络设计的重要问题。如何保护 机密数据和防御网络攻击是第六项关键技术！
32
（二）军事应用
33
联合国维和部队 伊拉克
微型感应传感器网络 核武器和生化武器
34
美军未来战斗系统的战场警戒示意图
传感器节点
通行车辆
35
枪声定位反恐系统
36
美国F-22猛禽战斗机
F-22猛禽战斗机
机外传感器网络
37
美军“沙地直线பைடு நூலகம்项目
无线链路
目标探测、 分类和跟踪
宽（英尺）
传传感感器器节节点点
长（英尺）
38
节点封装示例（一）
特点： 表面光滑 可以滚动 自动调整姿态位置 万向节固定架设计
密封形 封装罩
39
节点封装示例（二）
特点： 底基重量大 自正位 “悬垂钟摆”式电路板 飞机抛撒
锥形罩
40
“狼群”地面传感器网络
美军共计完成23项传感器网络项目 网络工程专业
41
四、传感器网络的关键技术
无线传感器网络工作 原理的动画演示
15
二、传感器网络的发展历史
16
第一阶段
70
的
最
传年早
统代可
的越以
传战追
感时溯
器期二
系使十
统用世
。
纪
胡胡志志明明小小道道
17
热带树
轰炸机
18
传统感知方法的特征
信号分析
有线/无线连接
•传感器仅产生探测数据流 • 传感器无计算能力
• 传感器之间不能相互通信
Object
(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，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。
影响人类未来生活的十大新兴技 术，传感器网络列为第一 。
2006
我国发布《国家中长期科学与技 术发展规划纲要》。
21
计算设备的演化历史
巨型机
小型机
工作站
PC PDA WSN 节点等
生物芯片
22
三、传感器网络的应用情况
23
（一）民事应用
24
大鸭岛海燕监测
海燕 大鸭岛
鸟巢 无人干扰监测
25
桥健环海 梁康境洋 监 测
第一章 概 论
1
911历史事件
寻找拉登藏身之处
应用需求引发研究热潮
2
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。
3
本课章节与课时安排
章节
内容
学时
1
绪论
4
2
常用微型传感器
4
3
传感器网络的通信技术
6
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
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。
52
(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
44
计算能力有限 节点体积小，处理器和存储器性能有限，不 允许进行复杂算法的运算
关键之三
嵌入式操作系统设计是第三项关键技术！
45
自组织的动态网络
传感器网络没有基站 节点失效、新节点加入，导致网络拓 扑结构的动态性，需要自动愈合
关键之四
多跳自组织的网络路由是第四项关键技术！
46
– 传感器网络是以数据为中心的网络
道电高葡力尔路萄高夫交压球园线场通
27
高智速物列能公流车停路系铁车系统轨场统
28
韩 北 国 京 济 大 州 兴 岛 区 智 菊 能 花 渔 基 场 地
克尔斯博公司 29
沈阳玫瑰园 浙江温州的奶牛牧场
30
讨论题
请大家思考和组织课堂讨论： 传感器网络还可以有哪些用途？
31
汶二 川零 地零 区八 发年 生五 强月 烈十 地二 震日
48
本章小结
本章主要介绍传感器网络的概念、发展历 史、应用情况和关键技术。
习题：
[1] 什么是无线传感器网络？
[2] 传感器节点的组成及其功能是什么？
[3] 列举几种常用的战场传感器。
49
第1章
概 述 (续)
50
1.2.2 传感器网络节点的结构
51
1.2.3 网络体系结构
1、节点的体 系组成
4
7
传感器网络技术的应用
4
8
无线传感器网络设计与实验
6*
注：*为实验课时，总学时数为40。
4
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
5
❖ 教学目的：掌握传感器网络的基本情况
❖ 学时：4学时 ❖ 本章重点：基本概念、应用情况