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无线传感器网络综述第1 页，本讲稿共35 页主要内容：l WSN 概述l 历史以及发展现状l WSN 的体系结构l WSN 的特征l WSN 的应用l WSN 的协议l 关键技术l 未来发展机遇展望第2 页，本讲稿共35 页WSN 概述 无线传感器网络（wirelesssensornetwork,WSN）系统是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。第3 页，本讲稿共35 页WSN 概述（续）l 无线传感器网络（wirelesssensornetwork,WSN）就是由部署在检测区域内大量的廉价卫星传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。l 构成WSN 的三要素：传感器、感知对象、观察者。第4 页，本讲稿共35 页WSN 概述（续）l 影响力 美国商业周刊和MIT 技术评论在预测未来技术发展报告中将无线传感器网络列为21 世纪最有影响的21 项技术和改变世界的10 大技术之一。传感器网络被列为未来3 大高科技产业一。美国的技术评论将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术。商业周刊 预测的未来4 大新技术中，无线传感器网络也列入其中等。第5 页，本讲稿共35 页历史以及发展现状l 国外：起源于美国，根源可追溯到1978 年由国防部高级研究计划署（DARPA）在卡内基-梅隆大学发起的分布式传感器研讨会。具有代表性的项目包括：1993-1999 年间由美国国防高级研究计划署(DARPA)资助，加州大学洛杉矶分校(UCLA)承担的WINS 项目；1999-2001 年间由DAPRA 资助UCBerkeley承担的SmartDust 项目。第6 页，本讲稿共35 页历史以及发展现状（续）1998-2002 年DARPA 资助，加州大学伯克利分校等25 个机构联合承担的SensIT 计划；1999-2004 年间海军研究办公室的SeaWeb计划等。l 国内：中国的一些研究机构近年开始研究：中国科学技术大学、清华大学、中科院计算所、上海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智能所等研究单位。第7 页，本讲稿共35 页历史以及发展现状（续）之所以国内外都投入巨资研究机构纷纷开展无线传感器网络的研究，很大程度归功于其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。第8 页，本讲稿共35 页WSN 的体系结构l 传感器网络结构第9 页，本讲稿共35 页WSN 的体系结构（续）l 传感器节点结构第10 页，本讲稿共35 页WSN 的体系结构（续）l 传感器网络协议栈第11 页，本讲稿共35 页WSN 的特征与无线网络的区别 传感器网络集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目庞大（上千甚至上万），分布密集，因环境和能量的耗尽，容易出现故障，节点通常固定不动。能量、处理能力、存储能力、通信能力有限。不同于传统无线网络的高服务质量和高效的带宽的利用，节能是其设计的首要考虑因素。第12 页，本讲稿共35 页WSN 的特征（续）节点的限制 电池能量有限 通信能力有限 能量消耗和通信距离关系E 正比于d(n).2n4 计算和存储能力有限第13 页，本讲稿共35 页WSN 的特征（续）传感器网络的特点：l 大规模网络l 自组织网络l 动态性网络l 可靠性网络l 应用性相关的网络l 以数据为中心的网络第14 页，本讲稿共35 页WSN 的应用军事上的应用l 传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合军事上的应用。通过飞机或炮弹直接将传感器节点散播到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感网络，就能隐蔽而且近距离的准确收集战场信息。例:传感器网络已经成为美军事C4ISRT 系统必不可少的一部分。第15 页，本讲稿共35 页WSN 的应用（续）环境观测和预报系统 可以用于检视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表监测、气象和地理研究、洪水监测等。例：ALERT 系统中就有用于监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。第16 页，本讲稿共35 页WSN 的应用（续）医疗护理 用于人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。例：一个可以成像的特殊发送器芯片与精巧设计的超低功率无线技术结合，就可以实现可用于一个胃肠道诊断的微型吞服摄像胶囊。患者吞下维C 片大小的成像胶囊后，胶囊经过食道、胃和小肠时就可将图象广播出来。胶囊由一个摄象机、LED、电池、特制芯 片和天线组成。（如图）第17 页，本讲稿共35 页WSN 的应用（续）第18 页，本讲稿共35 页WSN 的应用（续）智能家居 家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet 连在一起。为人提供人性化的家居环境。例：Avaak 提供一个只有1 立方英寸大小的自治产品。这个微型的无线视频平台包含有一节电池、无线电、摄像相机、(彩色成像器加镜头)、控制器、天线和温度传感器。（如图）第19 页，本讲稿共35 页WSN 的应用（续）第20 页，本讲稿共35 页WSN 的应用（续）建筑物状态监控 利用传感器网络监控建筑物的安全状态。例：Microstrain 在佛蒙特州的一座重载桥梁上安装了一套该公司研制的系统，将位移传感器安装在钢梁上用来测量静态和动态应力，并通过无线网络来采集数据。该无线系统可以保留在桥梁上用于长期监测桥梁是否处于正常受控状态。（如图）第21 页，本讲稿共35 页WSN 的应用（续）第22 页，本讲稿共35 页WSN 的应用（续）完成空间探索 借助于航天器在外星体撒播一些传感器网络节点，可以对星球表面进行长时间监测。成本低、节点体积小，相互之间可以进行通信，也可以和地面站进行通信。例：NASA 的JPL（JetPropulsionLaboratory）实验室研制的SensorWebs 就是为将来的火星探测进行技术准备。该系统已经在实施测试和完善。第23 页，本讲稿共35 页WSN 的协议l MAC 协议 在无线传感器网络中，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，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。设计MAC 协议时考虑：节省能量 可扩展性 网络效率第24 页，本讲稿共35 页WSN 的协议（续）l MAC 协议MAC 网络能量浪费主要原因：数据重传，耗费节点更多能量。节点接受不必要的数据。节点不需要发送数据时，过度侦听。信道分配时，控制消息过多。第25 页，本讲稿共35 页WSN 的协议（续）l MAC 协议 节点无线通信模块的状态包括：发送状态、接受状态、侦听状态、睡眠状态。各状态耗能按上述顺序依次减少，因此通常采用”侦听/睡眠”交替使用的无线信道使用策略。第26 页，本讲稿共35 页WSN 的协议（续）l MAC 协议 针对不同的传感器网络应用，提出不同的MAC 协议，主要分3 类：时分复用（TDMA）的MAC 协议。随机竞争的MAC 协议。其他MAC 协议。如：频分复用或码分复用等协议。第27 页，本讲稿共35 页WSN 的协议（续）l MD 协议 节点平均耗能表示为：P=a*P0+（1-a）*PsP：平均功耗。a：节点工作占空比。P0：活动状态下的功耗。Ps：待机状态下的功耗。第28 页，本讲稿共35 页WSN 的协议（续）l MD 协议 对于大多数应用P0Ps.所以可以通过降低占空比来延长寿命。但是对于极低的占空比来说，节点间同步非常困难，网络工作时，所有节点99.9%处于待机状态，引入仲裁设备就是保持功耗最小化的同时实现稳定的时间同步。工作过程如下：第29 页，本讲稿共35 页WSN 的协议（续）l MD 协议 节点A 连续发送RTS 信标并等待RTS 应答。节点B 醒来发送一个查询信标，MD 记录A、B之间的时间偏移。收到节点B 的查询信标后，MD 发送一个响应消息给节点B，告诉B 节点A要发消息给它。并告诉它与A 之间的时间差。B 收到MD 的查询响应消息后，调节与A 同步，传消息。得到消息被收到的确认后，A 和B 均返回原来状态。第30 页，本讲稿共35 页WSN 的协议（续）l 路由协议 和传统的路由协议相比，无线传感器的路由协议有以下特点：能量优先基于局部拓扑信息以数据为中心应用相关第31 页，本讲稿共35 页WSN 的协议（续）l 路由协议分类能量感知路由协议。基于查询的路由协议。地理位置的路由协议。可靠的路由协议。第32 页，本讲稿共35 页关键技术l 网络拓扑控制l 网络协议l 网络安全l 时间同步l 定位技术l 数据融合l 数据管理l 无线通信技术l 嵌入式操作系统l 应用层技术第33 页，本讲稿共35 页未来发展机遇展望 可能会有人这样想，既然其还处于科研到应用的过渡阶段，那么其所有领域都是未来的发展机会，的确，但是还有些领域值得特别关注：如无线adhoc 网络路由算法、开发真正低功耗混合信号的CMOS工艺、开发使用的能量收集系统，各种实用的系统也许是未来无线传感器网络发展中的最大机会。无线传感器网络的发展将是无线行业今后的主要增长点！第34 页，本讲稿共35 页 谢谢大家！第35 页，本讲稿共35 页