无线传感器网络学习教案.pptx

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1、会计学1无线传感器网络无线传感器网络(wnglu)第一页，共36页。1、1概述概述(i sh)n n科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术和最基本的技术传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命来一场信息革命 n n无线传感器网络（无线传感器网络（WirelessSensorNetwor

2、kWirelessSensorNetwork）综合了微电子技术、嵌入式计算技）综合了微电子技术、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先进技术，能够协同术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过其进行处理，处理后的信息通过(tnggu)(tnggu)无线方式发送，并以自组多跳的网无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。络方式传送给观察者。第1页/共36页第二页，共36页。12无线传

3、感器网络无线传感器网络(wnglu)特特点点n n1 1传感器节点数目大，密度高，采用空间位置寻址。传感器节点数目大，密度高，采用空间位置寻址。n n2 2传感器接点的能量、计算能力和存储能力有限（能量、计算存储低、传感器接点的能量、计算能力和存储能力有限（能量、计算存储低、关键在有效简单的路由协议）关键在有效简单的路由协议）n n3 3无线传感网络的拓扑结构易变化，有自组织能力。（与传统的有不无线传感网络的拓扑结构易变化，有自组织能力。（与传统的有不同的特点和技术要求：它根据需要可以在工作和休眠之间切换，因此网同的特点和技术要求：它根据需要可以在工作和休眠之间切换，因此网络的拓扑结构容易发生

4、变化于是运用了嵌入式系统。传统重在络的拓扑结构容易发生变化于是运用了嵌入式系统。传统重在QOSQOS和更和更大的宽带保证，并且是静止的。无线的要节省能量，连通性和延长运行大的宽带保证，并且是静止的。无线的要节省能量，连通性和延长运行寿命寿命(shumng)(shumng)）n n4 4传感器节点具有数据融合能力（与传感器节点具有数据融合能力（与MeshMesh网络区别，数据小，移动，网络区别，数据小，移动，重能源。重能源。与无线与无线Ad-hocAd-hoc网络比数量多、密度大、易受损、拓扑结构频网络比数量多、密度大、易受损、拓扑结构频繁、广播式点对多通信、节点能量、计算能力受限。）繁、广播式

5、点对多通信、节点能量、计算能力受限。）第2页/共36页第三页，共36页。1、3无线传感器网络系统及协议无线传感器网络系统及协议(xiy)系统结构系统结构n n1 1、3 3、1 1无线传感器网络系统无线传感器网络系统 n n 无线传感器网络体系结构无线传感器网络体系结构11如图如图1 1所示所示,传感器网络通常包括传感器节点，汇聚节点和管理传感器网络通常包括传感器节点，汇聚节点和管理节点。传感器节点任意的分布在某一监测区域内，节点以自组织节点。传感器节点任意的分布在某一监测区域内，节点以自组织(z(z zh)zh)的形式构成网络，通的形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传送到汇聚节点，最后

6、通过过多跳中继方式将监测数据传送到汇聚节点，最后通过InternetInternet或其他网络通讯方式将监测信或其他网络通讯方式将监测信息传送到管理节点。同样的，用户可以通过管理节点进行命令的发布，告知传感器节点收集息传送到管理节点。同样的，用户可以通过管理节点进行命令的发布，告知传感器节点收集监测信息。监测信息。n n第3页/共36页第四页，共36页。图图1 无线传感器网络体系结构图无线传感器网络体系结构图 第4页/共36页第五页，共36页。无线传感器通信协议系统结构无线传感器通信协议系统结构n n物理层技术n n 为数据流传输所需的物理连接的建立、维护(wih)和释放提供的机械的、电气的、

7、功能和规程性的模块就叫做物理层n n 在物理层面上，无线传感器网络遵从的主要是标准（Zigbee）第5页/共36页第六页，共36页。数据数据(shj)链路层（链路层（MAC层协层协议）议）n n数据链路层（数据链路层（MAC层协议层协议(xiy)）n n 信号的传输要靠信道，因此信道也就成信号的传输要靠信道，因此信道也就成为了一种宝贵的资源。怎样合理有效的分配为了一种宝贵的资源。怎样合理有效的分配信道，就是数据链路层中的信道，就是数据链路层中的MAC子层要解子层要解决的问题了决的问题了第6页/共36页第七页，共36页。网络层（网络层（路由）路由）n n网络层（路由）n n两个基本功能：确定最佳

8、路径(ljng)和通过网络传输信息n n1 泛洪式路由n n2 SPIN（SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协 议）n n3 LEACH（LEACH是一种分层网络协议，它以循环的方式随机选择簇首节点，将全网络的能量负载平均分配到每个传感器节点，从而达到降低网络能源消耗的目的。这里要解释一下簇，簇是分层路由协议的概念，根据分层路由协议，网络被划分成不同簇，每一个簇由一个簇首和簇成员组成，多个簇首形成高级的网络，簇首节点不仅负责其辖下簇内信息的收集和融合处理，还负责簇之间数据的转发）n n4 PEGASIS（PEGASIS可谓LEACH的升级版本。）第7页/共36页第八页，共36页。传

9、输层与应用层传输层与应用层n n传输层传输层传输层传输层 n n 传输层提供无线传感器网络内部以数据为基础的寻址方式变换为外部传输层提供无线传感器网络内部以数据为基础的寻址方式变换为外部传输层提供无线传感器网络内部以数据为基础的寻址方式变换为外部传输层提供无线传感器网络内部以数据为基础的寻址方式变换为外部网络的寻址方式，也就是完成数据格式的转换。网络的寻址方式，也就是完成数据格式的转换。网络的寻址方式，也就是完成数据格式的转换。网络的寻址方式，也就是完成数据格式的转换。n n应用层应用层应用层应用层n n 无线传感器网络也有一个属于自己的操作系统无线传感器网络也有一个属于自己的操作系统无线传感

10、器网络也有一个属于自己的操作系统无线传感器网络也有一个属于自己的操作系统TinyOSTinyOS。这个系统不。这个系统不。这个系统不。这个系统不同于传统意义上的操作系统，它更像一个编程构架，在此构架下，搭配一同于传统意义上的操作系统，它更像一个编程构架，在此构架下，搭配一同于传统意义上的操作系统，它更像一个编程构架，在此构架下，搭配一同于传统意义上的操作系统，它更像一个编程构架，在此构架下，搭配一组必要的组件，就能方便地编译出面向组必要的组件，就能方便地编译出面向组必要的组件，就能方便地编译出面向组必要的组件，就能方便地编译出面向(min xin(min xin)特定应用的操作系统特定应用的操

11、作系统特定应用的操作系统特定应用的操作系统第8页/共36页第九页，共36页。2 2、1 1无线传感网络拓扑结构无线传感网络拓扑结构无线传感网络拓扑结构无线传感网络拓扑结构(jigu)(jigu)n n 平面网络结构(jigu)n n 分级网络结构(jigu)n n 混合网络结构(jigu)n n Mesh网络结构(jigu)第9页/共36页第十页，共36页。2、2无线传感器网络覆盖问题无线传感器网络覆盖问题(wnt)覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题，因为传感器节点可能(knng)任意分布在配置区域，它反映了一个无线传感网络某区域被鉴测和跟踪的状况 第10页/共36页第十一页，共3

12、6页。三、无线传感器网络三、无线传感器网络(wnglu)关键技术关键技术第11页/共36页第十二页，共36页。3.1 无线传感器网络无线传感器网络(wnglu)MAC协议协议n n所谓的MAC协议，就是通过一组规则(guz)和过程来更有效、有序和公平地使用共享介质。它实现两大基本功能目标：在密集散布的传感器现场能够有助于建立起一个基本网络基础设施所需的数据通信链路；协调共享介质的访问 第12页/共36页第十三页，共36页。无线传感器网络无线传感器网络(wnglu)路由协议路由协议 主要主要(zh(zh yo)yo)完成两大功能：一是选择适合的优化路完成两大功能：一是选择适合的优化路径，一是沿着

13、选定的路径正确转发数据径，一是沿着选定的路径正确转发数据泛洪协议泛洪协议 SPINSPIN协议协议 定向扩散定向扩散(DirectedDiffusion)(DirectedDiffusion)协议协议 LEACHLEACH协议协议 第13页/共36页第十四页，共36页。无线传感器能量无线传感器能量(nngling)管管理机制理机制n n1)动态功率(gngl)管理(dynamic power management,简称DPM)n n2)动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS)第14页/共36页第十五页，共36页。动态动态(dngti)功率管理功率管理(d

14、ynamic power management,简称简称DPM)n n 在多数传感器网络的应用中在多数传感器网络的应用中,监测事件具有很强的偶发性监测事件具有很强的偶发性,节点上所有节点上所有的工作单元没有必要时刻保持在正常的工作状态的工作单元没有必要时刻保持在正常的工作状态.处于沉寂状态处于沉寂状态,甚至完全甚至完全关闭关闭,必要时加以唤醒是一种有效的系统节能方案必要时加以唤醒是一种有效的系统节能方案.传感器网络节点的主要传感器网络节点的主要功耗器件有处理器、内存、带功耗器件有处理器、内存、带A/DA/D的传感器和无线收发单元的传感器和无线收发单元.Sinhua.Sinhua等人根等人根据它

15、们的状态组合的有效性据它们的状态组合的有效性,将整个节点分为将整个节点分为5 5种工作状态种工作状态,在嵌入式操作在嵌入式操作系统的支持下进行切换系统的支持下进行切换,既满足既满足(mnz)(mnz)了功能的需要了功能的需要,又节省了功耗又节省了功耗.第15页/共36页第十六页，共36页。动态电压调度动态电压调度(diod)(dynamic voltage scheduling,简称简称DVS)第16页/共36页第十七页，共36页。n n无线传感器网络无线传感器网络QOS保证技术保证技术n n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 n n无线传感器网络安全机制无线传感器网络安全机

16、制n n无线传感器网络定位无线传感器网络定位(dngwi)技技术术n n无线传感器网络同步管理机制无线传感器网络同步管理机制第17页/共36页第十八页，共36页。四、无线传感器网络四、无线传感器网络(wnglu)硬件平台硬件平台第18页/共36页第十九页，共36页。4、1硬件硬件(yn jin)结构结构n n传感器节点传感器节点n n汇聚节点汇聚节点n n管理管理(gunl)平台平台第19页/共36页第二十页，共36页。传感器节点传感器节点(ji din)nn无线传感器网络微型无线传感器网络微型(wixng)(wixng)节点由数据采集单元、数据处理单节点由数据采集单元、数据处理单元、数据传输

17、单元和电源管理单元元、数据传输单元和电源管理单元4 4部分组成部分组成第20页/共36页第二十一页，共36页。汇聚汇聚(hu j)节点节点n n当节点作为汇聚节点时，其主要功能就足连接传感器网络与外部网当节点作为汇聚节点时，其主要功能就足连接传感器网络与外部网络络(如如Internet)Internet)，将传感器节点采集到的数据通过互联网或卫星，将传感器节点采集到的数据通过互联网或卫星(wixng)(wixng)发送给用户。发送给用户。第21页/共36页第二十二页，共36页。管理管理(gunl)平台平台n n管理平台对整个网络(wnglu)进行检测、管理，它通常为运行有网络(wnglu)管理

18、软件的PC机或者手持终端设备第22页/共36页第二十三页，共36页。4、2无线传感器网络无线传感器网络(wnglu)硬硬件平台件平台n n目前传感器节点种类繁多，很多科研机构都开放自己(zj)的硬件平台，但是这些硬件平台之间主要区别在于所采用的处理器、无线通信方式、传感器配置不同。下面具体介绍几家公司的硬件平台。第23页/共36页第二十四页，共36页。Crossbow(公司公司(n s)n nWireless Module 第24页/共36页第二十五页，共36页。Sensor Boards 第25页/共36页第二十六页，共36页。Gateways 第26页/共36页第二十七页，共36页。Mot

19、e(公司公司(n s)的的 Tmote Sky 第27页/共36页第二十八页，共36页。Tmote Connect 第28页/共36页第二十九页，共36页。其他其他(qt)的一些硬件平台的一些硬件平台n nIntel 公司(n s)的intel mote2n nChipcon 公司(n s)的cc2420ZDKn nEmber公司(n s)的em250 Development kit n nFreescale公司(n s)的 mc13191n n中科院的minigains系列第29页/共36页第三十页，共36页。自行设计传感器节点自行设计传感器节点(ji din)n n数据采集单元数据采集单元

20、数据采集单元数据采集单元n n 负责监测区域内信息的采集和数据转换，本设计中数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，本设计中数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，本设计中数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，本设计中数据采集单元包括了温度、湿度、光强度、加速度和大气压力传感器；数据处理单包括了温度、湿度、光强度、加速度和大气压力传感器；数据处理单包括了温度、湿度、光强度、加速度和大气压力传感器；数据处理单包括了温度、湿度、光强度、加速度和大气压力传感器；数据处理单元负责控制整元负责控制整元负责控制整元负责控制整 个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、个节点

21、的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等；数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制任务管理等；数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制任务管理等；数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制任务管理等；数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发消息和收发消息和收发消息和收发(shuf)(shuf)采集数据；电源管理单元选通采集数据；电源管理单元选通采集数据；电源管理单元选通采集数据；电源管理单元选通 所用到的传感器，所用到的传感器，所用到的传感器，所用

22、到的传感器，节点电源由两节碱性电池组成，今后将采用微型纽扣电池，以进一步节点电源由两节碱性电池组成，今后将采用微型纽扣电池，以进一步节点电源由两节碱性电池组成，今后将采用微型纽扣电池，以进一步节点电源由两节碱性电池组成，今后将采用微型纽扣电池，以进一步减小体积。为了调试方便及可扩展性，将数据采集单元独立出来，做减小体积。为了调试方便及可扩展性，将数据采集单元独立出来，做减小体积。为了调试方便及可扩展性，将数据采集单元独立出来，做减小体积。为了调试方便及可扩展性，将数据采集单元独立出来，做成两块能相互套接的可扩展主板成两块能相互套接的可扩展主板成两块能相互套接的可扩展主板成两块能相互套接的可扩展

23、主板第30页/共36页第三十一页，共36页。第31页/共36页第三十二页，共36页。数据数据(shj)处理单元处理单元 n n如设计中数据处理单元选用如设计中数据处理单元选用AtmelAtmel公司的公司的ATmega128LATmega128L微控制器，它是采用低功耗微控制器，它是采用低功耗COMSCOMS工艺生产的基于工艺生产的基于RISCRISC结构的结构的8 8位微控制器，是目前位微控制器，是目前AVRAVR系列中功能最强大的单片机。系列中功能最强大的单片机。n n ATmega128L ATmega128L具有丰富具有丰富(fngf)(fngf)的资源和极低的功耗。它具有片内的资源和

24、极低的功耗。它具有片内128KB128KB的程序的程序FlashFlash，4KB4KB的数据的数据SRAMSRAM，可外扩到，可外扩到64KB64KB的的E2PROME2PROM。此外，它还有。此外，它还有8 8个个1010位位ADCADC通道，通道，2 2个个8 8位和位和2 2个个1616位硬件定时位硬件定时/计数器，并可在多种不同的模式下计数器，并可在多种不同的模式下工作；工作；8 8个个PWMPWM通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器；通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器；UARTUART、SPISPI、I2CI2C总线接口；总线接口；JTAGJTAG

25、接接口。除了正常操作模式外，还具有六种不同等级的低功耗操作模式，每种模式具有不同的功耗口。除了正常操作模式外，还具有六种不同等级的低功耗操作模式，每种模式具有不同的功耗 第32页/共36页第三十三页，共36页。无线收发无线收发(shuf)模块设计模块设计n nCC2420是Chipcon公司开发的首款符合(fh)Zigbee标准的2.4 GHz射频芯片，集成了所有Zigbee技术的优点，可快速应用到Zigbee产品中。Zigbee是建立在定义的可靠的PHY(物理层)和MAC(媒体访问控制层)之上的标准，它定义了网络层、安全层和应用层。Zigbee的协议架构如图2所示 第33页/共36页第三十四页，共36页。图3数据传输单元(dnyun)接口电路第34页/共36页第三十五页，共36页。操作系统操作系统(co zu x tn)n nTinyOSn nMANTISn nOSn nSOSn nMagnetOSn nPEEROSn nAmbitentRT第35页/共36页第三十六页，共36页。