无线传感器网络技术课件.ppt

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1、物联网技术导论物联网技术导论第二章第二章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术第二章第二章第二章第二章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术无线传感器网络技术无线传感器网络技术2.12.12.22.2无线传感器网络概述无线传感器网络概述无线传感器网络硬件基础无线传感器网络硬件基础无线传感器网络操作系统无线传感器网络操作系统2.32.32.42.42.52.5无线传感器网络的关键技术无线传感器网络的关键技术无线传感器网络中间件软件无线传感器网络中间件软件面向多类型网络的无线传感器网络接入技术面向多类型网络的无线传感器网络接入技术2.62.62.1.12.1.1 什么是无线传感器网络？什么是无线传

2、感器网络？无线传感器网络无线传感器网络(Wireless Sensor(Wireless Sensor NetworkNetwork，WSN)WSN)是由具有感知、处理和无是由具有感知、处理和无线通信能力的微型节点通过自组织方式形线通信能力的微型节点通过自组织方式形成的网络，是一种全新的信息获取平台，成的网络，是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等检测与跟踪

3、，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。特点，有着广阔的应用前景。2.1.22.1.2 无线传感器网络体系结构无线传感器网络体系结构监控终端监控终端无线或有线无线或有线无线或有线无线或有线网网网网 络络络络 监控接入监控接入簇头节点簇头节点簇头节点簇头节点2.1.22.1.2 无线传感器网络体系结构无线传感器网络体系结构图2-2无线传感器网络协议栈 2.1.32.1.3 无线传感器网络基本特点无线传感器网络基本特点 以以传传输输数数据据，完完成成通通信信为为目目的的，中中间间节节点点仅仅负负责责分分组组数数据据的的转转发发，通通常常节节点点具具有有持持续续的的能能量量供供给给。他他

4、们们注注重重在在高高度度移移动动的的环环境境中中通通过过优优化化路路由由和和资资源源管管理理策策略略，最最大大化化带带宽宽利利用用率率，同同时时提提供供高高性性能能的的服服务务质质量量QoS(Quality of Service)。以以数数据据为为中中心心，以以获获取取信信息息为为目目的的，中中间间节节点点不不但但要要转转发发数数据据，还还要要进进行行与与具具体体应应用用相相关关的的数数据据处处理理、融融合合和和缓缓存存，除除了了少少数数节节点点可可能能移移动动外外，大大部部分分节节点点都都是是静静止止的的。有有时时运运行行在在恶恶劣劣甚甚至至危危险险的的远远程程环环境境中中，传传感感器器节节

5、点点的的电电池池无无法法补补充更新。充更新。无线传感器网络无线传感器网络传统的无线网络和传统的无线网络和MANETMANET网络网络2.1.42.1.4 无线传感器网络的关键技术无线传感器网络的关键技术 1.1.物理层关键技术；物理层关键技术；2.2.信道接入技术；信道接入技术；3.3.无线传感器网络路由；无线传感器网络路由；4.4.无线传感器网络拓扑控制技术；无线传感器网络拓扑控制技术；5.5.无线传感器网络覆盖技术；无线传感器网络覆盖技术；6.6.无线传感器网络数据融合技术；无线传感器网络数据融合技术；7.7.无线传感器网络定位与跟踪技术。无线传感器网络定位与跟踪技术。灵活、自适应的网络协

6、议体系；灵活、自适应的网络协议体系；跨层设计；跨层设计；寻求系统节能策略；寻求系统节能策略；节点的自动配置；节点的自动配置；与其他网络的融合与其他网络的融合2.1.52.1.5 无线传感器网络的发展现状与趋无线传感器网络的发展现状与趋势势2.1.62.1.6 无线传感器网络面临的挑战无线传感器网络面临的挑战低能耗；低能耗；实时性；实时性；低成本；低成本；安全和抗干扰；安全和抗干扰；协作。协作。2.1.72.1.7 无线传感器网络的主要应用领域无线传感器网络的主要应用领域无线传感器网络战场评估地震监测深海监控医疗状况监控目标跟踪和检测小区安全监控精细农业森林火灾监控生活习性监测第二章第二章第二章

7、第二章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术无线传感器网络技术无线传感器网络技术2.12.12.22.2无线传感器网络的基本概念无线传感器网络的基本概念无线传感器网络硬件基础无线传感器网络硬件基础无线传感器网络操作系统无线传感器网络操作系统2.32.32.52.5无线传感器网络的关键技术无线传感器网络的关键技术无线传感器网络中间件软件无线传感器网络中间件软件面向多类型网络的无线传感器网络接入技术面向多类型网络的无线传感器网络接入技术2.62.62.42.42.2.12.2.1无线传感器网络硬件设备概述无线传感器网络硬件设备概述 在无线传感器网络中，传感器节点既要实现数据采在无线传感器网络中，传

8、感器节点既要实现数据采集和处理转化，又要实现数据的融合和路由，并对本身采集的集和处理转化，又要实现数据的融合和路由，并对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发回监控终端。数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发回监控终端。无线传感器无线传感器网络节点网络节点传感节点传感节点汇聚节点汇聚节点网关节点网关节点2.2.12.2.1无线传感器网络硬件设备概述无线传感器网络硬件设备概述 由由南南京京邮邮电电大大学学传传感感网网研研究究中中心心自自主主研研发发的的UbiCellUbiCell系系列列节节点点是是国国内内无无线线传传感感器器网网络络节节点点的的典典型型代代表表之之一一，同

9、同时时也也提提供供了了该该系系列列节节点点的的开开发发套套件件。开开发发套套件件包包括括多多种种规规格格的的UbiCellUbiCell系系列列节节点点、可可插插拔拔下下载载编编程程转转接接器器、可可上上传传式式烧烧写写器器等等部部分分。UbiCellUbiCell套套件件提提供供了了完完整整的的无无线线传传感感器网络节点的开发平台。器网络节点的开发平台。国国外外的的许许多多机机构构由由于于对对无无线线传传感感器器网网络络的的研研究究起起步步较较早早，因因此此已已开开发发成成功功的的传传感感器器节节点点较较多多。比比较较典典型型的的有有UC UC BerkeleyBerkeley的的Smart

10、 Smart dustdust、CrossbowCrossbow公公司司的的MicaMica系系列列节节点点、IntelIntel公公司司的的Intel Intel Mote2Mote2以以及及MoteIVMoteIV公公司司的的TmoteTmote系系列列节节点点。国国内内一一些些科科研研机机构构由由于于对对无无线线传传感感器器网网络络的的研研究究起起步步较较晚晚，因因此此已已成成功功开开发发的的节节点点不不多多，主主要要有有中中科科院院计计算算所所宁宁波波分分所所研研发发的的GAINSGAINS和和GAINZGAINZ系系列列节节点点以以及及上上一一节节提提及及的的南南京京邮邮电电大大学学

11、研研发发的的UbiCellUbiCell系列节点等。系列节点等。2.2.22.2.2典型的无线传感器网络节点典型的无线传感器网络节点2.2.22.2.2典型的无线传感器网络节点典型的无线传感器网络节点 Smart dustSmart dustSmart dustSmart dust的主要特点如下：的主要特点如下：使用太阳能作为其工作能量的来源，具有长期工作使用太阳能作为其工作能量的来源，具有长期工作的潜力。的潜力。采用采用MEMSMEMS技术，体积微小，整个传感器节点可以控技术，体积微小，整个传感器节点可以控制在制在1 1立方毫米左右。立方毫米左右。采用光通信方式。一方面功耗比无线电小；另一方

12、采用光通信方式。一方面功耗比无线电小；另一方面不需要长长的天线，在体积上也可以做得更小。面不需要长长的天线，在体积上也可以做得更小。另外，通信信道空分复用，所以基站可以同时与多另外，通信信道空分复用，所以基站可以同时与多个节点通信。个节点通信。光通信方式降低了节点功耗，但是其传输的方向性、光通信方式降低了节点功耗，但是其传输的方向性、无视距阻碍的要求给节点的部署带来很大挑战。无视距阻碍的要求给节点的部署带来很大挑战。2.2.22.2.2典型的无线传感器网络节点典型的无线传感器网络节点 MicaMicaMicaMica系列节点系列节点系列节点系列节点是加州大学伯克利分校研制的是加州大学伯克利分校

13、研制的用于传感器网络研究的演示平台的试验节点。产品包用于传感器网络研究的演示平台的试验节点。产品包括括WeCWeC、ReneeRenee、MicaMica、Mica2Mica2、Mica2dotMica2dot和和SpecSpec等，其等，其中中Mica2Mica2和和Mica2dotMica2dot节点已经由节点已经由CrossbowCrossbow公司包装生产。公司包装生产。MicaMica系列节点在硬件上由运算和通信平台和传感器平系列节点在硬件上由运算和通信平台和传感器平台构成。两者之间通过台构成。两者之间通过5151针的自定义接口进行连接。针的自定义接口进行连接。Mica2dotMic

14、a2dot是是Mica2Mica2的一个微缩版，对的一个微缩版，对 Mica2Mica2的外围电路的外围电路进行了如下的简化：外部指示灯从三个减少到一个；进行了如下的简化：外部指示灯从三个减少到一个；外部接口引脚从外部接口引脚从5151个减少到个减少到1818个，以环形方式排布；个，以环形方式排布；接口的减少使得其外部可用的接口的减少使得其外部可用的I/OI/O资源变少；使用资源变少；使用4MHz4MHz的外部时钟，降低系统运行时的功率消耗。的外部时钟，降低系统运行时的功率消耗。2.2.22.2.2典型的无线传感器网络节点典型的无线传感器网络节点 Tmote SkyTmote SkyTmote

15、 SkyTmote Sky是是 MoteIV MoteIV 公司出品的超低功耗、公司出品的超低功耗、高数据传输率的下一代无线传感器网络平台；使用高数据传输率的下一代无线传感器网络平台；使用TITI公司的超低功耗微处理器芯片公司的超低功耗微处理器芯片MSP430MSP430，通信模块采用，通信模块采用了了TITI公司支持公司支持 IEEE802.15.4IEEE802.15.4标准和标准和ZigBeeZigBee协议的协议的CC2420CC2420芯片，可与其它芯片，可与其它IEEE802.15.4IEEE802.15.4的设备协同工作；的设备协同工作；250kbps250kbps的数据收发速率

16、可以使节点更快完成通信事件的数据收发速率可以使节点更快完成通信事件的处理，快速休眠，节省系统能量；编程和数据获取的处理，快速休眠，节省系统能量；编程和数据获取通过通过 USBUSB接口，最大的特点是具有接口，最大的特点是具有10KBits 10KBits 的片上的片上RAM RAM 作为数据处理使用，作为数据处理使用，1Mbits1Mbits的外部数据存储器，集成的外部数据存储器，集成了湿度、温度、光等敏感元件，能够独立作为传感器了湿度、温度、光等敏感元件，能够独立作为传感器节点使用，但内部的节点使用，但内部的FLASHFLASH空间较小。空间较小。2.2.22.2.2典型的无线传感器网络节点

17、典型的无线传感器网络节点 GAINS3GAINS3GAINS3GAINS3节点节点节点节点的主要特性如下：的主要特性如下：（1 1）通信距离编程可调）通信距离编程可调0300m0300m，有效距离达，有效距离达100m100m以上；以上；（2 2）采用的元器件大都为低功耗器件，在睡眠状）采用的元器件大都为低功耗器件，在睡眠状态，电流仅为态，电流仅为5mA5mA，在掉电节能模式下，电流更是，在掉电节能模式下，电流更是只有只有110A110A左右；左右；（3 3）功能丰富、接口清晰的协议栈。）功能丰富、接口清晰的协议栈。2.2.22.2.2典型的无线传感器网络节点典型的无线传感器网络节点 由南京邮

18、电大学研发的由南京邮电大学研发的UbicellUbicellUbicellUbicell系列节点系列节点系列节点系列节点，涵，涵盖了从测量普通温、湿度数据到音频、图像、视频等多盖了从测量普通温、湿度数据到音频、图像、视频等多媒体数据的多种无线传感器网络节点。普通媒体数据的多种无线传感器网络节点。普通UbiCellUbiCell节节点拥有强大的点拥有强大的8 8位精简指令系统微处理器，处理速度和位精简指令系统微处理器，处理速度和精确性完全可以满足各种应用需求精确性完全可以满足各种应用需求;图像和音频图像和音频UbiCellUbiCell节点采用了与普通节点采用了与普通UbiCellUbiCell

19、节点相同的处理器，但是扩节点相同的处理器，但是扩展了存储空间，采用了更为强大的无线通信芯片。展了存储空间，采用了更为强大的无线通信芯片。UbiCellUbiCell视频节点则采用了强大的集成了硬件视频视频节点则采用了强大的集成了硬件视频CODECCODEC的的ARM9ARM9处理器，采用了更高像素的处理器，采用了更高像素的CMOSCMOS摄像头，无线通摄像头，无线通信模块采用支持信模块采用支持802.11802.11标准的标准的WiFiWiFi模块。模块。无无线线传传感感器器网网络络节节点点是是无无线线传传感感器器网网络络的的主主要要组组成成部部分分，节节点点不不仅仅需需要要成成本本低低廉廉，

20、而而且且要要求求它它的的工工作作时时间间要要尽尽可可能能长长。无无线线传传感感器器网网络络中中不不应应该该存存在在专专门门的的路路由由器器节节点点，每每个个节节点点既既是是终终端端节节点点，又又是是路路由由器器节节点点。节节点点间间采采用用无无线线自自组组织织网网络络联联系系起起来来，并并采采用用多多跳跳的的路路由由机机制制进进行行通通信信。因因此此，在在单单个个的的节节点点上上，一一方方面面硬硬件件必必须须低低能能耗耗，采采用用无无线线传传输输方方式式；另一方面软件必须支持多跳的路由协议。另一方面软件必须支持多跳的路由协议。2.2.32.2.3无线传感器网络硬件节点无线传感器网络硬件节点2.

21、2.32.2.3无线传感器网络硬件节点无线传感器网络硬件节点应用程序应用程序嵌入式操作系统嵌入式操作系统设备驱动层设备驱动层硬件功能层硬件功能层存储器存储器系统总线系统总线I/O接口接口定时器定时器中断系统中断系统系统电源管理系统电源管理图2-3 无线传感器网络硬件节点的基本构架2.2.32.2.3无线传感器网络硬件节点无线传感器网络硬件节点 中央主控处理模块中央主控处理模块中央主控处理模块中央主控处理模块 用户界面接口用户界面接口用户界面接口用户界面接口 无线通信模块无线通信模块无线通信模块无线通信模块典型的无线传感器网络节点的硬件系统主要包括：典型的无线传感器网络节点的硬件系统主要包括：信

22、息传感模块信息传感模块信息传感模块信息传感模块 能量供应模块能量供应模块能量供应模块能量供应模块要选择合适的处理器以满足设计需求要选择合适的处理器以满足设计需求 主要是根据具体的要求选择合适的接口形式比主要是根据具体的要求选择合适的接口形式比如采用屏幕显示和输入设备实现或者采用常如采用屏幕显示和输入设备实现或者采用常用的通信接口比如用的通信接口比如UARTUART与中央主控处理模块与中央主控处理模块进行通信进行通信 核心是射频芯片的选择和射频电路核心是射频芯片的选择和射频电路PCBPCB的的设计设计 一是直接将传感器集成在节点上；二是将传一是直接将传感器集成在节点上；二是将传感器以插件的方式同

23、节点连接感器以插件的方式同节点连接 该模块设计的好坏决定着传感器网络的该模块设计的好坏决定着传感器网络的寿命寿命2.2.42.2.4无线多媒体传感器网络硬件节点无线多媒体传感器网络硬件节点（1 1）无线音频传感器节点设计与实现）无线音频传感器节点设计与实现a.a.滤波电路模块滤波电路模块b.b.音频放大模块音频放大模块c.c.音频编解码模块音频编解码模块（2 2）无线图像传感器节点设计与实现）无线图像传感器节点设计与实现 多多媒媒体体图图像像传传感感器器节节点点的的基基本本结结构构包包括括了了一一个个CMOSCMOS图图像像传传感感器器、一一个个高高性性能能的的微微控控制制器器（如如ATmeg

24、a128LATmega128L）、一一个个辅辅控控制制器器（Tiny12Tiny12）以以及及外外围围辅助电路。辅助电路。（3 3）无线视频节点）无线视频节点处处理理器器与与视视频频处处理理模模块块采采用用高高集集成成度度、极极小小体体积积的的片上系统设计，可以采用片上系统设计，可以采用Freescale i.MX27Freescale i.MX27处理器。处理器。无无线线通通信信模模块块要要有有足足够够大大的的带带宽宽来来满满足足视视频频传传输输的的需要。需要。摄像头选用摄像头选用OmniVisionOmniVision公司的公司的OV2640OV2640。视视频频采采集集端端和和接接收收端

25、端通通过过Wi-FiWi-Fi无无线线网网络络联联接接，可可采采用用UDP SocketUDP Socket进行数据传输。进行数据传输。视频解码模块采用视频解码模块采用ffmpegffmpeg库进行解码。库进行解码。2.2.42.2.4无线多媒体传感器网络硬件节点无线多媒体传感器网络硬件节点2.2.52.2.5无线传感器网络硬件开发套件无线传感器网络硬件开发套件图图像像音音频频传传感感器器的的核核心心处处理理器器为为Mega128Mega128，可可以以采采用用JTAG JTAG ICEICE仿仿真真器器进行仿真。进行仿真。图图像像传传感感器器的的辅辅处处理理器器为为Tiny12Tiny12，

26、可可以采用以采用stk500stk500与之通信。与之通信。视视频频传传感感器器的的核核心心处处理理器器为为i.MX27i.MX27，开开发发板板的的flashflash中中已已经经配配置置好好嵌嵌入入式式LinuxLinux。2.2.62.2.6面向多类型网络接入的无线传感器网络网关面向多类型网络接入的无线传感器网络网关 网网关关设设备备将将重重点点面面向向TD-SCDMATD-SCDMA、GSMGSM等等主主流流移移动动通通信信网网络络标标准准及及InternetInternet网网络络系系统统，全全面面构构建建可可接接入入多多种种异异构构网网络络的的无无线线传传感感器器网网关关节节点点设

27、设备备，其其拟拟订订的的系系统统架架构构如如图图2-52-5所所示示，其其硬硬件件部部分分通通常常包包括括如如下下五五个个主主要要模模块块：处处理理器器模模块块、外外部部网网络络接接入入与与控控制制设设备备、802.15.4802.15.4无无线线通通信信模块、外部存储器模块和能量供应模块。模块、外部存储器模块和能量供应模块。2.2.62.2.6面向多类型网络接入的无线传感器网络网关面向多类型网络接入的无线传感器网络网关图2-5 网关节点设备系统结构实例第二章第二章第二章第二章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术无线传感器网络技术无线传感器网络技术2.12.12.32.3无线传感器网络的基本

28、概念无线传感器网络的基本概念无线传感器网络操作系统无线传感器网络操作系统无线传感器网络硬件基础无线传感器网络硬件基础2.22.22.52.5无线传感器网络的关键技术无线传感器网络的关键技术无线传感器网络中间件软件无线传感器网络中间件软件面向多类型网络的无线传感器网络接入技术面向多类型网络的无线传感器网络接入技术2.62.62.42.42.3.12.3.1无线传感器网络操作系统概述无线传感器网络操作系统概述针针对对传传感感器器网网络络应应用用的的多多样样性性、硬硬件件功功能能有有限限、资资源源有有限限、节节点点微微型型化化和和分分布布式式多多协协作作等等特特点点，研研究究和和设设计计新新的的基基

29、于于传传感感器器网网络络的的操操作作系系统统成成为为当当前前提提高高无无线线传感器网络性能的一个重要课题。传感器网络性能的一个重要课题。由由于于传传感感器器网网络络的的特特殊殊性性，需需要要操操作作系系统统能能够够高高效效地地使使用用传传感感器器节节点点有有限限的的系系统统资资源源，且且能能够够对对各各种种特特定定应应用用提提供供最最大大的的支支持持。在在面面向向传传感感器器网网络络的的操操作作系系统统支支持持下下，多多个个应应用用可可以以并并发发地地使使用用各各类类系系统统资资源源，如如计计算算、存存储储和和通通信信等等。因因此此需需要要设设计计针针对对无无线线传传感感器器网络的操作系统网络

30、的操作系统。2.3.22.3.2TinyOSTinyOS操作系统操作系统 TinyOSTinyOS是是一一个个典典型型的的无无线线传传感感器器网网络络操操作作系系统统。它它是是由由美美国国加加州州大大学学伯伯克克利利分分校校开开发发的的开开源源嵌嵌入入式式操操作作系系统统。它它采采用用一一种种基基于于组组件件（Component-BasedComponent-Based）的的开开发发方方式式，能能够够快快速速实实现现各各种种应应用用。TinyOSTinyOS的的程程序序核核心心往往往往都都很很小小（核核心心代代码码和和数数据据大大概概在在400Bytes400Bytes左左右右），能能够够有有

31、效效缓缓解解传传感感器器存存储储资资源源少少的的问问题题，使使其其有有效效的的运运行行在在无无线线传传感感器器网网络络上上。它它还还提提供供一一系系列列可可重重用用的的组组件件，可可以以简简单单方方便便的的编编制制程程序序，用用来来获获取取和和处处理传感器的数据并通过无线电来传输信息。理传感器的数据并通过无线电来传输信息。2.3.22.3.2TinyOSTinyOS操作系统操作系统TinyOSTinyOS操操作作系系统统、库库程程序序和和应应用用服服务务程程序序均均由由nesCnesC语语言言编编写写，TinyOSTinyOS的的很很多多特特性性，如如并并发发模模型型、组组件件结构等等都是由结

32、构等等都是由nesCnesC语言体现的。语言体现的。nesCnesC在在设设计计时时强强调调组组件件化化的的编编程程思思想想，提提高高开开发发的的方便性和代码的有效性，其基本特性如下：方便性和代码的有效性，其基本特性如下：（1 1）结构和内容的分离。）结构和内容的分离。（2 2）根据接口的设置说明组件功能。）根据接口的设置说明组件功能。（3 3）组件通过接口彼此静态地相连。）组件通过接口彼此静态地相连。2.3.22.3.2TinyOSTinyOS操作系统操作系统 TinyOSTinyOS的的应应用用程程序序中中，每每个个组组件件需需要要指指明明其其使使用用的的 接口以及提供的接口。接口以及提供

33、的接口。TinyOSTinyOS中中的的通通信信遵遵循循主主动动消消息息（Active Active MessageMessage，AMAM）通通信信模模型型，它它是是一一个个简简单单的的可可扩扩展展的的面面向向消消息息通通信信的的高高性性能能通通信信模模式式，一一般般广广泛泛地地应应用用在在并并行行分分布布式式处理系统中。处理系统中。2.3.32.3.3MantisOSMantisOS操作系统操作系统 MantisOSMantisOS是是一一种种无无线线传传感感器器网网络络操操作作系系统统，它它的的内内核核和和APIAPI采采用用标标准准C C语语言言，提提供供LinuxLinux和和Win

34、dowsWindows开开发发环环境境，易易于于用用户户使使用用。MantisOSMantisOS提提供供抢抢占占式式任任务务调调度度器器，采采用用节节点点循循环环休休眠眠策策略略来来提提高高能能量量利利用用率率。其其对对RAMRAM的的最最小小需需求求可可到到500B500B，对对FLASHFLASH的的需需求求可可小小于于14KB14KB。它它提提供供集集成成的的硬硬件件和和软软件件平平台台，适适合合广广泛泛的的传传感感器器网网络络应应用用程程序序，它它是是一一个个多多模模型型系系统统，可可以以进进行行多多频频率率通通讯，适合多任务传感器节点，可动态重新编程。讯，适合多任务传感器节点，可动

35、态重新编程。2.3.32.3.3MantisOSMantisOS操作系统操作系统图2-6 MantisOS 体系结构第二章第二章第二章第二章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术无线传感器网络技术无线传感器网络技术2.12.12.42.4无线传感器网络的基本概念无线传感器网络的基本概念无线传感器网络的关键技术无线传感器网络的关键技术无线传感器网络硬件基础无线传感器网络硬件基础2.22.22.52.5无线传感器网络操作系统无线传感器网络操作系统无线传感器网络中间件软件无线传感器网络中间件软件面向多类型网络的无线传感器网络接入技术面向多类型网络的无线传感器网络接入技术2.62.62.32.32.4

36、.12.4.1无线传感器网络物理层关键技术无线传感器网络物理层关键技术 无无线线传传感感器器网网络络物物理理层层的的作作用用主主要要有有实实现现信信道道的的选选择择、无无线线信信号号的的监监测测、信信号号的的发发送送与与接接收收等等功功能能，设设计计目目标标是是以以尽尽可可能能少少的的能能量量损损耗耗获获得得较较大大的的链链路路容容量量。目目前前，对对无无线线传传感感器器网网络络物物理理层层的的研研究究迫迫切切需需要要解解决决的的问问题题有有：在在降降低低硬硬件件成成本本方方面面需需要要研研究究集集成成化化、全全数数字字化化、通通用用化化的的电电路路设设计计方方法法；在在节节能能方方面面需需要

37、要设设计计具具有有高高数据率、低符号率的编码、调制算法。数据率、低符号率的编码、调制算法。2.4.12.4.1无线传感器网络物理层关键技术无线传感器网络物理层关键技术 为为了了满满足足低低功功耗耗、低低成成本本的的无无线线网网络络的的要要求求，IEEEIEEE标标准准委委员员会会在在20002000年年1212月月份份正正式式批批准准并并成成立立了了IEEE IEEE 802.15.4802.15.4工工 作作 组组，其其 任任 务务 就就 是是 开开 发发 一一 个个 低低 速速 率率 的的WPANWPAN（LR-WPANLR-WPAN，Low-rate Low-rate wireless

38、wireless Personal Personal Area Area NetworkNetwork）标标准准化化工工作作，它它具具有有复复杂杂度度低低、成成本本极极少少、功功耗耗很很小小的的特特点点，能能在在低低成成本本设设备备（固固定定、便便携携或或可可移移动的）之间进行低数据率的传输。动的）之间进行低数据率的传输。IEEE IEEE 802.15.4802.15.4标标准准满满足足国国际际标标准准组组织织（ISOISO）开开放放体体系系互互联联（OSIOSI）参参考考模模式式，包包括括物物理理层层、介介质质访访问问层层（MACMAC层层）、网网络络层层以以及及高高层层。体体系系结结构构

39、如如图图2-82-8所所示：示：2.4.12.4.1无线传感器网络物理层关键技术无线传感器网络物理层关键技术图 2-8 IEEE 802.15.4标准体系结构2.4.12.4.1无线传感器网络物理层关键技术无线传感器网络物理层关键技术 IEEE IEEE 802.15.4802.15.4标标准准所所定定义义的的物物理理层层具具有有的的功功能能有有：激激活活和和休休眠眠无无线线电电收收发发器器，当当前前信信道道的的能能量量检检测测、接接收收数数据据包包的的链链路路质质量量指指示示、信信道道频频率率选择和数据的发送与接收。选择和数据的发送与接收。近近几几年年来来，物物理理层层的的超超宽宽带带UWB

40、UWB（Ultra Ultra Wide Wide BandBand）短短距距离离无无线线通通信信引引起起了了全全球球通通信信技技术术领领域域极极大大的的重重视视。超超宽宽带带通通信信技技术术以以其其传传输输速速率率高高、抗抗多多径径干干扰扰能能力力强强等等优优点点成成为为短短距距离离无无线线通通信极具竞争力和发展前景的技术之一。信极具竞争力和发展前景的技术之一。2.4.22.4.2无线传感器网络无线传感器网络MACMAC层关键技术层关键技术 目目前前，对对大大多多数数传传感感器器硬硬件件平平台台而而言言，无无线线通通信信模模块块是是传传感感器器节节点点能能量量的的主主要要消消耗耗者者，而而M

41、ACMAC协协议议直直接接控控制制着着无无线线射射频频收收发发器器的的活活动动，决决定定何何时时发发送送数数据据或或接接收收数数据据，所所以以MACMAC协协议议节节能能效效果果的的好好坏将严重影响网络的生命周期。坏将严重影响网络的生命周期。此此外外，传传感感器器节节点点的的能能量量、存存储储、计计算算和和通通信信带带宽宽等等资资源源有有限限，无无线线传传感感器器网网络络的的强强大大功功能能需需要要众众多多节节点点密密切切协协作作才才能能实实现现。局局部部范范围围内内的的多多点点通通信信需需要要MACMAC协协议议协协调调节节点点间间的的无无线线信信道道分分配配，以以高高效效的的支支持持在在整

42、整个个网网络络范范围围内内的的路路由由选选择择与与通通信信路路径的正确连通。径的正确连通。2.4.22.4.2无线传感器网络无线传感器网络MACMAC层关键技术层关键技术 因因此此，在在设设计计无无线线传传感感器器网网络络的的MACMAC协协议议时时，需要着重考虑以下几个方面：需要着重考虑以下几个方面：（1 1）能源有效性；）能源有效性；（2 2）可扩展性；）可扩展性；（3 3）性能的综合测评；）性能的综合测评；（4 4）分布式算法；）分布式算法；（5 5）可靠性。）可靠性。2.4.32.4.3无线传感器网络路由关键技术无线传感器网络路由关键技术 无线传感器网络路由概述无线传感器网络路由概述无

43、线传感器网络路由概述无线传感器网络路由概述路路由由协协议议的的作作用用是是寻寻找找一一条条或或多多条条满满足足一一定定条条件件的的，从从源源节节点点到到目目的的节节点点的的路路径径，将将数数据据分分组组沿沿着着所所寻寻找找的的路路径径进进行行转转发发，由由此此可可以以看看出出路路由由协协议议的的功功能能主要有以下两个方面：主要有以下两个方面：（1 1）搜搜索索满满足足条条件件的的从从源源节节点点到到目目的的节节点点的的优优化路径；化路径；（2 2）转发数据分组。）转发数据分组。2.4.32.4.3无线传感器网络路由关键技术无线传感器网络路由关键技术 无线传感器网络路由概述无线传感器网络路由概述

44、无线传感器网络路由概述无线传感器网络路由概述目目前前，研研究究人人员员根根据据无无线线传传感感器器网网络络的的结结构构、路路由由协协议议自自身身特特点点以以及及应应用用类类型型等等，将将路路由由协协议议分分为为以以下几个类型。下几个类型。（1 1）以数据为中心的路由协议；）以数据为中心的路由协议；（2 2）基于层次结构（树结构）的路由协议；）基于层次结构（树结构）的路由协议；（3 3）基于地理信息路由协议；）基于地理信息路由协议；（4 4）基于多路径的路由协议。）基于多路径的路由协议。2.4.32.4.3无线传感器网络路由关键技术无线传感器网络路由关键技术 路由协议设计的关键问题路由协议设计的

45、关键问题路由协议设计的关键问题路由协议设计的关键问题在设计路由协议时需要考虑到以下关键问题在设计路由协议时需要考虑到以下关键问题 ：（1 1）节点部署）节点部署 ；（2 2）数据精确性前提下的能耗）数据精确性前提下的能耗 ；（3 3）以数据为中心的数据报告模型）以数据为中心的数据报告模型 ；（4 4）鲁棒性与容错性）鲁棒性与容错性 ；（5 5）网络动态性）网络动态性 ；（6 6）数据融合）数据融合 。2.4.32.4.3无线传感器网络路由关键技术无线传感器网络路由关键技术 几种典型的路由协议几种典型的路由协议几种典型的路由协议几种典型的路由协议(1)Flooding(1)Flooding(1)

46、Flooding(1)Flooding路由协议路由协议路由协议路由协议 FloodingFlooding路路由由协协议议是是传传统统网网络络中中最最为为经经典典和和简简单单的的路路由由协协议议，是是基基于于洪洪泛泛机机制制的的路路由由协协议议，可可以以应应用用到到无无线线传传感感器器网网络络中中。FloodingFlooding路路由由协协议议不不要要求求维维护护网网络络的的拓拓扑扑结结构构和和相相关关路路由由计计算算信信息息，仅仅要要求求节节点点在在接接收收到到信信息息后后以以广广播播的的方方式式向向邻邻居居节节点点转转发发数数据据包包，邻邻居居节节点点重重复复执执行行上上述述过过程程（转转

47、发发时时除除去去刚刚刚刚发发送送给给它它们们的的节节点点），直直到到数数据据包包到到达达目目的的地地或或者者该该数数据据包包的生命周期结束。的生命周期结束。2.4.32.4.3无线传感器网络路由关键技术无线传感器网络路由关键技术 几种典型的路由协议几种典型的路由协议几种典型的路由协议几种典型的路由协议(1)Flooding1)Flooding1)Flooding1)Flooding路由协议路由协议路由协议路由协议 FloodingFlooding路路由由协协议议的的优优点点是是实实现现简简单单，每每个个节节点点只只需需将将接接收收到到的的数数据据包包进进行行广广播播，而而无无需需进进行行查查找

48、找路路由由表表，选选择择下下一一跳跳节节点点的的计计算算；其其次次，其其无无需需特特殊殊的的算算法法保保持持网网络络拓拓扑扑信信息息的的更更新新以以及及新新路路由由的的发发现现。但但是是FloodingFlooding路路由由协协议议的的漏漏洞洞也也是是十十分分明明显显且且致致命命的的，主主要要有有以以下下三三个个方方面面：a.a.信信息息内内爆爆（ImplosionImplosion）；b.b.部分重迭（部分重迭（overlapoverlap）现象；）现象；c.c.网络资源利用不合理。网络资源利用不合理。2.4.32.4.3无线传感器网络路由关键技术无线传感器网络路由关键技术 几种典型的路由

49、协议几种典型的路由协议几种典型的路由协议几种典型的路由协议(2)2)2)2)定向扩散路由协议定向扩散路由协议定向扩散路由协议定向扩散路由协议 定定向向扩扩散散路路由由协协议议是是一一种种典典型型的的以以数数据据为为中中心心，基基于于查查询询的的路路由由机机制制。汇汇聚聚节节点点根根据据不不同同的的应应用用需需求求定定义义不不同同的的兴兴趣趣请请求求消消息息，并并通通过过洪洪泛泛的的方方式式将将兴兴趣趣请请求求消消息息数数据据包包发发送送至至全全网网或或者者局局部部网网络络的的传传感感器器节节点点。在在进进行行兴兴趣趣请请求求消消息息洪洪泛泛发发送送过过程程的的同同时时，每每个个节节点点根根据据

50、缓缓存存中中的的兴兴趣趣列列表表，沿沿着着兴兴趣趣请请求求消消息息发发送送方方向向的的反反向向建建立立数数据据传传输输梯梯度度，当当兴兴趣趣请请求求消消息息到到达达源源节节点点后后，源源节节点点则则将将数数据据沿沿着着之之前前建建立立好好的的传传输输梯梯度传输，直到汇聚节点。度传输，直到汇聚节点。2.4.32.4.3无线传感器网络路由关键技术无线传感器网络路由关键技术 几种典型的路由协议几种典型的路由协议几种典型的路由协议几种典型的路由协议(3)Leach3)Leach3)Leach3)Leach路由协议路由协议路由协议路由协议 LEACHLEACH也也可可以以说说是是一一种种自自适适应应分分