无线传感器网络技术原理及应用-ppt课件-第1章.ppt

1 1病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程第1章 WSN概述1.1 概述概述1.2 传感器与传感器与WSN1.3 物联网与物联网与WSN1.4 WSN体系结构体系结构1.5 WSN特点特点1.6 WSN操作系统操作系统1.7 WSN相关技术相关技术1.8 应用领域应用领域小结小结2 2病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程本章目标 理解无线传感器网络的定义。理解物联网的概念。理解无线传感器网络与物联网的关系。了解传感器的分类。了解传感器与传感器网络之间的关系。掌握无线传感器网络的体系结构。了解无线传感器网络的特点及应用。了解无线传感器网络操作系统。了解与无线传感器网络相关的技术。3 3病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程学习导航4 4病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是一种全新的信息获取和处理技术，是集微机电技术、传感器技术和无线通信技术为一体的技术，而无线通信技术是无线传感器网络的支撑技术之一。1.1 概概 述述5 5病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1.1.1 无线通信技术本小节将介绍无线通信技术几个重要的概念：电磁波与信道、调制解调以及几种短距离无线通信技术。1.电磁波电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场和磁场在空间以波的形式传递能量和动量，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。18世纪物理学家麦克斯韦预言了电磁波的存在，后由赫兹用实验证明了电磁波的存在。6 6病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程俄国的波波夫和意大利业余无线电家马克尼同时独立地发明了天地线制(当把发射电磁波的天线与接收机的天线及地线相互连接时，电磁波将转化为脉冲电流)，至此无线电通信开始进入实用阶段。无线电波的频率范围为3 Hz300 GHz，对应的波长为1000 km1 mm。电磁波波段的划分如表1-1所示。7 7病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程表1-1 电磁波波段划分8 8病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程无线电波的传播方式因波长的不同产生不同的传播特性，可以分为如下三种形式：地波：沿地球表面空间向外传播的无线电波，中、长波均利用地波方式传播。天波：依靠电离层的反射作用传播天线的电波，短波多利用这种方式传播。空间波：沿直线传播的无线电波，它包括由发射点直接到达接收点的直射波和经地面反射到接收点的发射波，微波的电视和雷达多采用空间波方式传播。9 9病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程2.信道信道可以从狭义和广义两方面理解，狭义信道即信号传输的媒质，分为有线信道和无线信道；广义信道除包括传输媒质外还包括有关的转换器，如：发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等。本小节将详细讲解广义信道。广义信道按功能可以分为模拟信道(即调制信道)和数字信道(即编码信道)。广义信道模型如图1-1所示。10 10病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程图1-1广义信道模型11 11病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 调制信道(模拟信道)：传输模拟信号的信道称为模拟信道，模拟信号的电平随时间连续变化，语音信号是典型的模拟信号。编码信道(数字信道)：数字信道是一种离散信道，它只能传送离散的数字信号。另外，模拟信道传送数字信号必须经过数字信号和模拟信号之间的A/D转换器，调制/解调器就是完成此项工作的。12 12病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程3.调制与解调调制/解调主要通过调制/解调器使模拟信号与数字信号相互转换。调制就是把数字信号转换成有线设备传输的模拟信号；解调则是把模拟信号转换为数字信号。两者合称调制/解调。调制/解调的分类有多种方式，按照调制方式可分为：模拟调制：包括三种调制方法，即模拟调制、脉冲调制和复合调制。模拟调制：调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)。13 13病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 脉冲调制：脉冲幅度(PAM)、脉冲相位(PWM)、脉冲编码(PCM)。复合调制：正交幅度调制(QAM)。数字调制：包括通断键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)。调制/解调按照解调方式可分为：检波法：适合调幅(AM)。同步解调：适合大部分调制。14 14病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程4.短距离无线通信技术随着通信技术的发展，出现了许多短距离无线通信技术，而它们往往带有自己的通信协议，不同的通信协议有着不同的应用。目前最常见的短距离无线通信技术有IrDA/红外、蓝牙、WIFI(802.11标准)和Zigbee技术。IrDA/红外技术最早应用于红外探测仪。1800年，FW赫歇尔使用水银温度计发现红外辐射，这是最原始的热敏型红外探测仪，从此掀起红外热潮。红外应用产品种类繁多，有红外热像、红外通信、红外光谱仪、红外传感器，且应用范围广泛，应用于工业、农业、军事、医疗与人们生活息息相关的各方面。15 15病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程但是红外对指向性要求较高，要求点对点通信且中间不能有阻碍物的阻挡，并且红外无线传输对于发射功率要求较高，使得红外应用有一些局限性。但是在某些应用场合，红外技术仍然占据着主导地位，例如家电的遥控器。蓝牙通信是一种基于2.4G技术的无线传输协议通信方式，由于采用的协议不同于其他2.4G技术协议，而称为蓝牙技术。就目前来说，蓝牙技术较广泛的应用是手机的蓝牙通信和蓝牙耳机，由于大部分的手机和音频设备都集成蓝牙功能，并且蓝牙设备不需要设置发射机，仅需要蓝牙耳机这个接收机就可以工作，从而降低了成本。蓝牙相对于WIFI的缺点是它的传输数据量小，仅能达到每秒1M左右，并且没有实现真正意义的组网。16 16病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程WIFI是基于802.11标准的通信技术，工作在2.4G频段，带宽比较大，802.11b标准的最高带宽达到11 Mb/s，802.11n标准已经将传输速率提高到300 Mb/s。其主要特点为速度快，可靠性高，方便与现在的有线以太网整合。WIFI与蓝牙相比优势在于无线电波的覆盖范围广，但是无线通信传输的质量不是很好，数据安全性相对于蓝牙差一些，传输质量也有待于改善。Zigbee是一种新兴的短距离、低复杂度、低数据速率、低成本的无线网络技术，同样工作在2.4G频段。Zigbee联盟于2001年8月成立。Zigbee联盟认为Zigbee和蓝牙的关系互为补充，而不是相互竞争。17 17病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程Zigbee技术的特点是可靠、时延短、网络容量大、安全保密、高度的灵活性和低成本，可以形成星形、树形、网状及其共同组成的复合结构，可通过互联网或者移动网相连。蓝牙、WIFI、Zigbee三种技术比较如表1-1所示。18 18病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程表1-2 蓝牙、WIFI、Zigbee三种技术的比较19 19病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1.1.2 产生和定义1.无线传感器网络的产生无线传感器网络(简称无线传感网)的研究起源于20世纪70年代，是一种特殊的无线网络，最早应用于美国军方，例如空中预警控制系统。这种原始的传感器网络只能捕获单一信号，传感器节点进行简单的点对点通信。1980年，美国国防部高级研究计划局提出了分布式传感器网络项目，开启了现代无线传感器网络研究的先例。此项目由美国国防部高级研究计划局信息处理技术办公室主任Robert Kahn主导，2020病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程并由卡耐基梅隆大学、匹兹堡大学和麻省理工学院等大学研究人员配合，建立一个由空间分布的低功耗传感器节点构成网络，这些节点之间相互协作并自主运行，将信息送达处理的节点。20世纪8090年代，无线传感器网络的研究依旧主要应用于军事领域方面，并成为网络中心站思想中的关键技术。1994年，加州大学洛杉矶分校的Willian JKaiser教授向DARPA提交了研究建议书“Low Power Wireless Integrated Microsensors”。1998年，GJPottie从网络的研究角度重新阐释了无线传感器网络的科学意义。同年，美国国防部高级研究计划局投入巨资使用启动SensIT项目，目标是实现“超视距”战场监测。21 21病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1999年9月，美国商业周刊将无线传感器网络列入21世纪最重要的21项技术之一，被预见为21世纪人类信息研究领域所面临的重要挑战之一。进入21世纪后，随着无线通信技术、计算机技术和传感器技术的发展，对无线传感器网络有了更明确的定义。2222病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程2.无线传感器网络的定义无线传感器网络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。其目的是协作地感知、采集和处理传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。在这个定义中，无线传感器网络实现了数据采集、处理和传输三种功能，对应着现代三大基础信息技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。由于无线传感器网络技术具有低功耗、低成本、分布式和自组织的特点，因此被广泛应用于工业、农业、军事、医疗方面。无线传感器网络的发展无疑给信息感知带来了意义重大的一场变革。2323病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1.1.3 WSN的发展2000年以后，无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注，被誉为是全球未来的四大高新技术产业之一。2001年，美国陆军提出了“灵巧传感器网络通信计划”，并在20012005财政年度期间批准实施，其基本思想是：在战场上布设大量的传感器用于收集和传输信息，并对相关的原始数据进行过滤，把重要的信息传送到各数据融合中心，将大量的信息集成为一副战场全景图，使参战人员对战场态势的感知能力大大提高。2424病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程2002年10月24日，因特尔公司发布了“给予微型传感器网络的新型计算机发展规划”，计划宣称因特尔公司将致力于微型传感器网络在医学、环境监测等方面的应用。2003年，美国自然科学基金委员会制定无线传感器网络研究计划，并在加州大学洛杉矶分校成立了无线传感器网络研究中心，联合周边的康奈尔大学伯克利分校、南加州大学等，开展“嵌入式智能传感器”的研究项目。目前，美国大多数知名院校几乎都有课题组在从事传感器网络相关技术的研究，日本、英国、加拿大等国家的科研机构也加入了传感器网络的研究。这表明无线传感器网络开始深入人们生活的各方面。2525病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程从无线传感器网络的发展过程来看，可以划分为如下四个阶段：第一代传感器网络是将传统的传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成。第二代传感器网络在第一代传感器网络的基础上增加了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相连，组成了具有信息综合和信息处理能力的传感器网络。2626病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 第三代传感器网络是指基于现场总线的智能传感器网络。现场总线是连接智能化现场设备和控制室之间的全数字、开放式的双向通信网络。现场总线技术的发展最终导致现场总线控制系统取代第二代传感器网络。21世纪，微机电系统(Misro-Electro-Mecchanical Systems，MEMS)技术、低功耗的模拟和数字电路技术、低能耗的无线射频技术的发展使得开发小体积、低成本、低功耗的微传感器成为可能，将成千上万个体积小、重量轻的传感器协同工作，就构成了第四代无线传感器网络。2727病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程传感器是一种装置或器件，国家标准GB 766587对传感器的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”无线传感器网络通过传感器来识别物体，并采集数据。传感器不仅数量多，品种也比较复杂，是无线传感器网络的重要组成部分。1.2 传感器与传感器与WSN2828病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1.2.1 传感器传感器的作用主要是感受和测量物理世界的被测量物，将采集量按一定规律将其转换成有用输出：将非电量转换为电量。传感器的组成原理如所示。2929病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程图1-2 传感器的组成原理3030病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 敏感元件：传感器的重要组成部分，其作用是感受物理世界的信息并将其转变为电信息，完成非电量的预变换。变换器：将感受的非电量变换为电量的器件。例如电阻变换器和电感变换器，可将位移量直接变换为电容值、电阻值及电感值。变换器也是传感器不可缺少的重要组成部分。31 31病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程在具体实现非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有的手段直接变换为电量，有些必须进行预变换，将待测的非电量变为易于转换成电量的另一种非电量。在实际情况中，由于一些敏感元件直接可以输出变换后的电信号，所以经常无法严格区分敏感元件和变换器。传感器的种类繁多，分类方法也比较多。通常可以按被测物理量、工作原理、信号变换特征、能量转换情况等分类。3232病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1.2.2 传感器与传感器网络的关系顾名思义，无线传感器网络离不开传感器，传感器负责在传感器网络中感知和采集数据。它处于无线传感器网络的感知层，是获识物体，采集信息的设备。传感器与传感器网络的关系如下：传感器是传感器网络中的感知部件。传感器网络中部署了多种类型的传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性地采集环境信息，不断更新数据。3333病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 传感器网络为传感器提供网络连接，使传感器具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。无线传感器网络中传感器的应用是物与用户(包括人、组织和其他系统)的接口。它与行业需求结合，实现传感器网络的智能应用。无线传感器网络采用各种传感设备，实施采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集声音、光、电、力学等各种需要的信息，并与互联网结合，形成一个巨大的网络。其目的就是实现物与物以及所有物品和网络的连接，方便识别、管理和控制。3434病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程近年来兴起的物联网成为各国构建经济社会发展新模式和重塑国家长期竞争力的先导领域。尤其是发达国家通过国家战略指引、政府研发投入、企业全球推进、政策法律保障等措施加快物联网的发展，以抢占战略主攻权和发展先机。本节将详细阐述物联网与无线传感器网络的关系。1.3 物联网与物联网与WSN3535病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1.3.1 物联网定义物联网(Internet Of Things，IOT)的概念1999年由美国麻省理工学院提出。早期的物联网是指依托射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术和设备，按约定的通信协议和互联网相结合，实现物品的智能化识别和管理。随着技术的发展，对物联网的理解不断扩展，现代意义的物联网可以实现对物的感知识别控制，网络化互联和智能信息处理的有机统一，从而形成高智能决策。物联网的发展关键要素包括感知、网络和应用组成的网络架构。3636病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程在2011年我国工信部发表的物联网白皮书(下称白皮书)中，对物联网的定义为：“物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的。”“物联网技术和标准包括服务业和制造业在内的物联网相关产业、资源体系、隐私和安全以及促进和规范物联网发展的法律、政治和国际治理体系。”3737病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1.3.2 物联网体系结构在白皮书中，物联网网络架构由感知层、网络层和应用层组成，如所示。其中各层的含义如下：感知层实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制，并通过通信模块将物理实体连接到网络层和应用层。网络层主要实现信息的传递、路由和控制，包括延伸网络、接入网和核心网络。3838病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 应用层包括应用基础设施/中间件和各种物联网的应用。应用基础设施/中间件为物联网应用提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物联网在众多领域的各种应用。物联网涉及感知、控制、网络通信、微电子、计算机、软件、嵌入式系统、微机电等技术领域。因此物联网体系划分为感知关键技术、网络通信关键技术、应用关键技术、共性技术和支撑技术。3939病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程图1-3 物联网网络架构4040病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1.3.3 物联网与传感器网络的关系目前常有人把无线传感器网络与物联网的概念混为一谈，认为无线传感器网络就是物联网，从1.3.2节中可以了解到物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物的信息交互和无缝链接。无线传感器网络是利用各种传感器加上中低速的近距离无线通信技术构成的传感器模块和组网模块独立网络。41 41病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程传感器是感知周围的信号，并不对物体进行标识。所以无线传感器网络是一个比较小的概念，仅仅提供小范围内物与物之间的信息传递。传感器网络与物联网的对比如所示(表中提到的“基础网络”如：如移动网、联通网的基站等)。4242病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程表1-3 传感网与物联网对比4343病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程由此可见，物联网的概念比传感器网络概念大一些，无线传感器网络是构成物联网感知层和网络层的一部分，是物联网的重要组成部分。物联网把我们的生活拟人化，在物物相连的世界中，物品能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。物联网和无线传感器网络与我们的生活都是密切相关的，让我们的生活变得更加快捷、更加人性化、社会更加和谐。4444病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程无线传感器网络具有覆盖区域广泛、监测精度高、可远程监控、可快速部署、可自组织和高容错性能的优点。传感器网络中传感器节点数量庞大，节点分布比较密集，使得无线传感器网络结构和协议栈的设计与其他无线网络不同。1.4 WSN体系结构体系结构4545病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1.4.1 网络结构无线传感器网络由分布在监测区域内的大量无线传感器节点、具有接收和发射功能的汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点构成。无线传感器网络的体系结构如所示。4646病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程图1-4 无线传感器网络的体系结构4747病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 传感器节点：用于监测数据并沿着传感器节点逐跳地进行传输。汇聚节点：用于连接传感器网络、互联网和Internet等外部网络，各方面能力相对于传感器节点较强，可实现几种通信协议之间的转换；同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络。汇聚节点可以是一个具有增强功能的传感器节点(比如：协调器)，有足够的能量和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。任务管理节点：直接面向用户，汇聚节点通过外部网络将传感器节点采集的数据传递给任务管理节点，4848病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程用户就可以管理数据，并发布监测信息。检测区域内的传感器节点具有以下特点：大量的传感器节点以分布式随机部署在监测区域内部或者附近，能够通过自组织的方式构成网络。传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，处理能力、存储能力和通信能力相对较弱。传感器节点在传输过程中，其监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点。所以传感器节点不仅要对本地的信息进行采集和处理，同时要协助其他节点完成数据的转发功能。4949病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程检测区域的传感器节点类型一般包括：终端节点：只负责数据信息的采集和环境的检测，一般数量比较多。路由节点：负责数据的转发功能，一个路由节点可以与若干个路由节点或终端节点通信。协调器：网络的控制中心，负责一个网络的建立，可以与此网络中的所有路由节点或终端节点通信。5050病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1.4.2 节点结构传感器节点负责监测区域内数据的采集和处理，一般的传感器节点由五部分构成，能量供应模块、传感器模块、处理器模块、无线通信模块和嵌入式软件系统。传感器节点的结构如所示。51 51病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程图1-5 传感器节点的结构5252病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程传感器节点各组成部分的作用：能量供应模块为传感器节点的其他模块提供运行所需的能量，可以采取多种灵活的供电方式，通常采用微型电池。传感器模块包括传感器和AD/DA模块。传感器负责监测区域内信息的采集，在不同的环境中，被监测物理信号的形式决定了传感器的类型。AD/DA负责数据的转换。处理器模块包括处理器和存储器，负责控制整个节点的操作、存储和处理本身采集的数据以及其他节点转发来的数据。处理器模块通常采用通用的嵌入式处理器。5353病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 无线通信模块负责与其他节点进行无线通信、交换控制信息和收发采集数据。数据传输的能量占节点总能耗的绝大部分，所以通常采用短距离、低功耗的无线通信模块。嵌入式软件系统是无线传感器网络的重要支撑，其软件协议栈由物理层、数据链路层、传输层和应用层组成。传感器节点的设计要符合低成本、低功耗、微型化的特点，这是因为无线传感器网络的重要设计目标是将大量可长时间监测、处理和执行任务的传感器节点嵌入到物理世界中。5454病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1.4.3 节点限制传感器节点具有的处理能力、存储能力、通信能力和电源能力都十分有限，所以传感器节点在实现各种网络协议和应用控制中存在以下约束条件。1.电源能量有限传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本低、分布区域广、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。5555病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程传感器的能耗模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上，如所示。5656病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程图1-6 传感器节点能耗情况5757病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程无线通信模块存在发送、接收、空闲和休眠四种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在休眠状态则关闭通信模块。从图1-6中可以看出，无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，比发送状态能量消耗少一些，在休眠状态的能量消耗是最小的。所以在设计无线传感器网络时，如何让网络通信更有效率，减少不必要的转发和接收，不需要通信时传感器节点尽快进入休眠状态，是传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。5858病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程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=kdn(1-1)式中：k为一个常数；d为通信距离；参数n满足关系，的取值与很多因素有关，例如传感器节点的部署环境、天线的质量等。5959病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程由式(1-1)可知，在参数一定的情况下，随着通信距离的增加，无线通信的能量消耗急剧增加。因此，在满足通信连通度的前提下，应该尽量减少单跳(即一跳)的通信距离。考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，无线传感器网络采用多跳的传输机制。6060病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程3.计算和存储能力有限传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱。每个传感器节点兼顾传统网络的终端和路由器双重功能。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络协议设计的挑战。61 61病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1.4.4 WSN协议栈随着对无线传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个无线传感器网络的协议栈。早期提出的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，无线传感器网络的协议栈还包括能量管理平台移动管理平台，和任务管理平台。如所示。6262病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程图1-7 早期的协议栈6363病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程各层的功能如下：物理层负责载波频率的产生、信号的调制解调和无线收发技术。数据链路层负责数据成帧、帧校验、媒体接入和差错控制。网络层负责路由的发现与维护，使得传感器节点可以进行有效的数据通信。传输层负责数据流的传输控制，保证通信服务的质量。应用层根据不同应用的具体要求，负责任务调度、数据分发等具体业务。6464病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 能量管理平台负责管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要节省能源。移动管理平台负责监测并传输传感器节点的移动信息，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能动态跟踪邻居节点的位置。任务管理平台负责平衡和调度监测任务。6565病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程随着对无线传感器网络协议栈的深入研究，研究人员在原始模型上细化并改进了早期的协议栈。由于基于时分复用的MAC协议和基于地理位置的路由协议等很多传感器网络协议都需要定位和同步信息，所以在早期的协议栈中添加了时间同步和定位子层。它们在协议栈中的位置比较特殊，依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持。改进的协议栈模型如所示。6666病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程图1-8 改进的协议栈模型6767病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程改进的协议栈模型将原始的协议栈模型融入到各层协议中，并且具有以下特点：协议栈模型一部分用于优化和管理协议流程，另一部分独立在协议层外，通过各种收集和配置接口对相应的机制进行配置和监控，如能量管理平台和移动管理平台。QoS管理各协议层设计、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。拓扑控制利用物理层、链路层或者路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持。6868病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 优化MAC协议和路由层协议的协议过程，提高协议效率，减少网络能量消耗。网络管理要求协议各层潜入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量控制信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。6969病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1.4.5 体系结构设计由于无线传感器网络目前还处于起步阶段，在技术上尚不成熟，所以在设计无线传感器网络体系结构时需要注意以下几个方面。1.有效利用节点资源由于节点(大量、低成本和微型)的资源有限，怎样有效地管理和使用这些资源，并最大限度地延长网络寿命是无线传感器网络研究面临的一个关键技术挑战，需要在体系结构的层面上给予系统性的考虑。可以从以下几个方面考虑：7070病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 选择低功耗的硬件设备，设计低功耗的MAC协议和路由协议。各功能模块间保持时间同步，即同步休眠和唤醒。从系统的角度设计能耗均匀的路由协议，而不是一味追求低功耗的路由协议，这需要体系结构提供跨层设计。由于节点计算能力和存储能力有限，不适合进行复杂计算和大量数据的缓存。71 71病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程2.支持网内数据处理无线传感器网络是以数据为中心的，网络不仅要实现传输的功能，还要实现“网内数据处理”。例如：多个路由节点可能同时监听到同一终端节点发送的数据，分别产生数据向汇聚节点发送，汇聚节点只需要收到它们其中一个分组即可，其余分组都是多余的。如果能在中间节点(如路由节点等)上进行一定的聚合、过滤和压缩，可以有效地减少重复发送数据的可能，从而减少了频繁传送分组造成的能量开销；也可以有效地协助处理拥塞控制和流量控制。网内数据处理示意图如所示。7272病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程图1-9 网内数据处理示意图7373病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程假如终端节点1-3发送的数据被路由节点2监听到(如图1-9中虚线部分所示)，路由节点2先诊断是不是它的子节点发送的数据，如果不是，路由节点2将会把数据过滤掉，这样会有效地减少汇聚节点收到重复数据。7474病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程3.支持协议跨层设计在WSN系统的开发过程中，各个层次的研究人员为了统一性能优化目标(如节省能耗、提供传输效率、降低误码率等)而进行的协作非常普遍，这种优化工作使传感器网络体系结构中各个层次之间的耦合变得更加紧密，上层协议需要了解下层协议(不仅仅限于相邻的下层)所提供服务的质量，下层协议的运行需要上层协议(不仅仅限于相邻的上层)的建议和指导，这违背了传统分层网络体系结构中只有相邻两层之间才可以进行消息交互的约定。7575病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程这种协议的跨层设计无疑会增加体系结构设计的复杂度，但是实践证明它是提高系统整体性能的有效方法。7676病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理