概述-《无线传感器网络技术》.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,16/11/8,#,无 线 传 感 器 网 络,郝洁,南京航空航天大学,办公室：计算机学院,104,电子邮件,:haojie,1,课程目标,2,通过本课程的学习，了解无线传感器网络的关键技术、现状及前景,。,课程,将讲授无线传感器网络典型应用、体系结构、组网、软件、支撑技术的基本原理、关键技术、设计方案及其应用。通过本课程的学习，要求学生理解无线传感器网络中的主要问题和核心技术,，,结合,实验课程学习无线传感网应用开发为以后的学习和工作打下基础。,课程内容,32,课时,第一部分 无线传感器,网络综述,第二部分 无线传感器网络体系架构,第三部分 通信和组网技术,第四,部分 支撑技术,第五章 通用技术等,3,参考文献,国际杂志,综述性质,IEEE Communications Magazine Ad Hoc and Sensor Network Series,IEEE Network Magazine,IEEE Wireless Communications,学术研究：,IEEE/ACM Transactions on networking,Computer networks,IEEE Transactions on Wireless Communications,IEICE Transactions on Communications,(ACM/Springer)Wireless Networks,Ad Hoc networks,IEEE Transactions on Mobile Computing,国际会议,ACM SIGCOMM,Mobicom,Mobihoc,IEEE INFOCOM,、,ICNP,、,Sensys,SECON,MASS,，,IPSN,、,ICC,、,GLOBECOM,、,ICCCN,，,WCNC,、,VTC,中国期刊网,通信学报、电子学报、软件学报、计算机学报等,4,参考网址,ieeexplore.ieee.org,portal.acm.org/dl.cfm,无线传感器网络综述,WSN,定义,WSN,国内外现状,WSN,国内外标准化,WSN,发展趋势,6,定义,无线传感器网络（,Wireless,sensor,networks,）是由大量静止移动的传感器以,自组织,和,多跳,的方式构成无线网络，目的是,协作,地,探测、处理和传输,网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。,传感器技术、,计算机技术和通信技术是现代信息技术,的三大基础技术,9,无线传感器网络,无线网络：,有基础设施网（无线分组网）,无基础设施网,a,d,hoc,网络,WSN,无线网络的发展历程：,无线分组网,-,无线自组网,-,无线传感器网络,10,无线分组网,分组无线网是一种利用无线信道进行分组交换,的通信网络，即网络中传送的信息要以“分组”或者称“信包”为基本单元。,分组是由若干比特组成的信息段。通常包含“包头”和“正文”两部分。,包头中含有该分组的源地址、宿地址和有关路由等信息等。正文是真正需要传送的信息。,适用特点：分组无线网特别适用于实时性要求不严和短消息比较多的数据通信。,网络结构：星形结构 分布式结构,11,无线自组网,IEEE,将无线自组网定义为一种特殊的自组织、对等式、多跳、无线移动网络（,MANET,），它是在无线分组网的基础上发展起来的,无线自组网有多个英文名称，如,Ad hoc network,、,Self-organizing network,、,Infrastructureless network,与,Multi-hop network,1991,年,5,月，,IEEE,正式采用“,Ad hoc,网络”术语,Ad hoc,在英语中的含义是“,for the specific purpose only,”，即“专门为某个特定目的、即兴的、事先未准备的”意思,12,无线自组网的基本概念,Ad hoc,网络,物理结构与,拓扑结构,自组织与独立组网,无中心,多跳路由,动态拓扑,无线传输的局限与节点能量的限制性,网络生存时间的限制,13,无线传感网络,14,我们为什么要学习传感网？,传感网,是,物联网,的感知技术,学术界、产业界对“物联网”尚未形成一个统一的定义,物联网,(IoT,Internet of Things),指的是将各种信息传感设备,如射频识别,(RFID),装置、传感器等种种装置与互联网、移动通信网结合起来而形成的一个巨大“物,物”互联网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起,方便识别和管理,物联网,感知物理世界,!,强调的是“感”和“知”两个层面,15,16,传感网与物联网的关系,(,续,),16,ITU,提出：传感网,是物联网,的底层支撑，,IEEE,、,ISO,、,IEC,等标准化组织认可,未来“,U,社会”与“,e,社会”的根本差别,综合信息服务：集感知、计算、传输为一体,感知层,应用层,管道：,仅仅只是带宽的增加（信息的传输）,核心网络,传感网与物联网的关系,(,续,),两者的不同之处,:,内涵不同,传感网更多的强调的是通过传感器实现感知、自治互联、数据上报；,物联网则是传感网、,RFID,与互联网、蜂窝网以及现有其它通信网络设施高效融合的产物；物联网实现的是物与物、人与物、人与自然之间的对话与交互，是连接虚拟信息世界与物理世界的网络系统。,体系架构不同,物联网从宏观上看在网络架构上可以分为三层：感知层、网络层和应用层；传感网只是其中的一层。,发展阶段不同,传感网是物联网的初级阶段，物联网是由传感网泛在化发展的高级阶段，而传感网与互联网、蜂窝网等的融合是物联网发展的必经阶段,物联网的发展大致需要经历独立的传感网、传感网泛在化和物联网融合深化发展三个过程，最终形成一个融合传感网、互联网、移动蜂窝网等现有主要通信网络的全面感知高度智能网络,17,第一章 无线传感器网络综述,WSN,定义,WSN,应用和行业现状,WSN,国内外标准化,WSN,发展趋势,18,传感器网络的各种应用,无线传感器网络（,WSN,Wireless Sensor Network,）将大量各种传感器节点组成网络，形成实现对物理世界感知的综合信息系统。,雷达、卫星等：宏观远程侦察；传感网：微观近距侦察,移动通信网络：人人互联；传感网：人与物、物与物互联,互联网：虚拟信息空间；传感网：现实物理世界,物联网：连接；传感网：感知,19,20,传感器网络的应用,军事,21,短距感知、抵近侦察,无线传感网是对雷达和卫星等远程侦察手段的有益补充，为部侦用户提供有力的技术手段。,大量传感节点对目标进行短距协同感知,将是传统侦察手段的有益补充。,传感器网络的应用,军事,22,军用无线传感网战场感知系统的优点,多传感器节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比；,传感网低成本、高冗余的设计与部署原则为系统提供较强的容错能力；,传感器对目标的抵近探测大大消除了环境噪声对感知性能的影响；,传感网中多传感器的联合应用与融合决策有利于提高探测准确度；,多节点协同感知，可以加大实时探测区域；,23,传感器网络的应用,环境,森林火险监测,洪水监测,精确农耕,大气监测,环境的生物复杂性地图,24,传感器网络的应用,-,健康,远程监控人体的生理数据（心脏速率、血压）,采集的数据通过网络送到负责病人的主管医生,病人获得极大的行动自由度,跟踪和监督医院内的病人和医生,医院的药物管理,正确地识别病人的敏感反应避免误诊,老人家庭环境下的护理,(tele-care),随着社会老龄化的加剧而日趋重要,25,智慧医疗意义,病人,可以随时掌握自己的健康状况,医生,通过电子病历对患者病源的判断进行治一致性治疗，提升诊断的准确性,医疗研究人员,通过系统获得大量准确的医疗信息和大量高质量的有效案例，既可以对大规模的疾病爆发做出准确的预测，更能够推进国家医疗行业的发展,药物供应商,实现及时和准确的药品配送而节省大量成本,管理系统,高效、高质量的智慧医疗解决现在城乡医疗资源不平衡，和大医院的拥挤情况，政府付出更少的成本去提高对于医疗行业的监督，提高国民的生活质量，促进社会和谐发展,26,27,传感器网络的应用,-,家居,当前家居环境存在的问题,家居能耗过高,家庭安防手段落后,家用电器使用不便,28,海尔“物联之家”,29,30,传感器网络的应用,-,智能楼宇,31,传感器网络的应用,-,商用,32,传感器网络的应用,-,智能交通,33,传感器网络的应用,-,电力输送,能源输送,在电度表上装上传感器，供电部门随时都可知道用户的用电情况。,江西省电网对分布在全省范围内的,2,万台配电变压器的运行状态进行实时监测，实现用电检查、电能质量监测、负荷管理、线损管理、需求侧管理等高效一体化管理，一年降低电损,1.2,亿千瓦时。,34,传感器网络的应用,-,桥梁监控,桥梁监控,35,WSN,在地震监测中的应用,地震预测,1.,大量、长期、自动化采集数据,2.,大范围，低成本，高准确,3.,实时性，连续获取地震前兆数据,36,WSN,在地震监测中的应用,地震预警,震源,城市,距离：,120km,地震传感器检测到,P-Wave,光速,如上图所示：,位于城市的地震传感器当接收到距城市,120km,外的震中地区传递过来的,P-Wave,时，将从,P-Wave,中提取的地震信息传递给城市的地震预警中心。由于,P-Wave,和,S-Wave,之间的速率差，因此地震预警能在,S-Wave,到达前,40,秒对城市进行地震警报。,P-Wave 6.5km/s,S-Wave 3.5km/s,日本、墨西哥、台湾等地震预警系统的应用,37,WSN,在地震监测中的应用,地震预警,38,WSN,在地震监测中的应用,预警之外的应用场景,除了提前预警之外，基于,WSN,的地震预警系统可用于灾后搜救。,利用桥梁、隧道、公路等关键部位传感器，城市指控中心能够在灾后第一时间为救援队提出合理的救援线路；,灾后重建中，基于,WSN,的地震预警系统为重建人员提供宝贵的建筑经验：传感网地震发生过程中建筑物“摇晃倒塌”整个过程的力学情况（类似于黑盒子）,可对震后危险建筑物进行预警并进行局部维修。,39,地震次生灾害监测,40,自动抄表,41,感知边疆,Massive applications!,42,43,传感器网络国内重要行业的需求调研,电力,安全,智能交通,我国机动车拥有量以每年,10%,以上的速度增长,预计,2010,年达到,1.3,亿多辆。道路交通设施及管理设施虽然有较大改观,但跟不上机动车增长速度，总体水平与发达国家有较大差距。,公安部统计,07,年全国运营车辆,1400,万，按,17,增长率，,2010,年达,2300,万，车载传感网终端需求将超过,100,亿元。智能交通传感网基础设施建设需求将更为巨大。,平安家居,高档收入家庭,1400,万，其他城镇家庭,15600,万，预测,2010,年家庭市场传感网终端需求可达,2500,万户，按平均每户投资,1000,元计，市场规模将达,250,亿元。,我国将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展方向。,国家建设部计划到,2010,年，,60%,以上的新房将具有一定的“智能型家居”功能。,通过手机远程对入室、访客、环境、灾害等进行进行监控报警；远程对家电设备等进行控制；提高生活质量。,健康医疗,据,我国城市居家养老服务研究,，中国城市居家养老、护理服务的潜在市场规模超过,700,亿元，,2010,年将增加到,1300,亿元。若每位儿童通过传感网技术实现儿童看护,200,元,/,年，将产生,500,亿市场规模。,关于全面推进居家养老服务工作的意见,明确提出了“十一五”期间城乡居家养老服务工作的目标任务。,中国儿童发展状况报告（,2003,2004,）显示，意外伤害成为目前我国,14,岁以下儿童的第一位死因。,今后五年，我国电网建设总投资将超过万亿元，安全技术改造可达,1000,亿元左右规模。我国,35KV,以上输电塔架约,300,万个，仅以监控,3,5,点,/,塔架计算，市场价值约,100,亿元以上。全国大中型水库约,3000,座，大坝监控市场达,150,亿元以上。,国家电网“十一五”电力工业发展规划 要求：35-110KVA输配电设备必须安装监测终端，涉及到输配变调计量五大环节的智能化管理,。要保障整个电力系统的安全就必须采用先进的无人值守技术，达到对整个系统（电厂、大坝，变电站，高压输电线路，用户终端等）的实时远程监控。,环境保护,到,2020,年，国家和企业用于环境保护和生态监测的无线传感器设备总产值预计可达百亿元左右。未来市场效益将更大。,国家“十一五”环境保护规划,：到,2010,年基本遏制生态环境恶化趋势，改善重点地区和城市的环境质量。,中国绿色国民经济核算研究报告,：,2004,年全国因环境污染造成经济损失,5118,亿元，虚拟治理成本,2874,亿元。,交通,100,亿,电力,环保,城市轨道交通反恐,其他,行业,1300,亿,100,亿,100,亿,物流、建筑、汽车、金融等,家居,250,亿,要地,防入侵,120,亿,健康,1800,亿,传感器网络渗透到各个行业、生活各方面中，其准确市场价值难以估量。,美国,福布斯,杂志：“未来的传感器网络比现在的,Internet,大得多。”,44,第一章 无线传感器网络综述,WSN,定义及应用,WSN,国内外现状,WSN,国内外标准化,WSN,发展趋势,45,46,国内外标准化推进,与无线传感网相关的国际标准化活动,IETF,（互联网工程任务组）,基于低功耗无线个域网的,IPv6,协议,主要面向,IPv6,网络的延伸应用,存在问题：如何裁剪,IP,协议栈,6LowPAN=IPv6+LowPAN(Low power PAN),；,RoLL(Routing for low power and Lossy Networks),ITU-T,（国际电信联盟）,涉及传感器网络的应用和服务需求、中间件需求以及安全需求等,IEEE 1451.x,：,传感器到网络的接口标准,IEC,（国际电工委员会）,:,工业控制、智能电网等,6LowPAN,体系架构,47,国内外标准化推进,ISO/IEC,传感网国际标准化,第一届传感网标准化大会,2008,年,6,月在上海举行,会上，我国提出的三层传感网参考设计模型、传感网标准化框架得到了一致认可；,第二届传感网标准化大会在德国慕尼黑举行，会议将着重讨论上述顶层方案。,韩国希望与我国联合商讨共同牵头传感网标准化组事宜。,48,国外标准化推进,我国提出的三层传感网参考设计模型,这一架构已得到,ISO/IEC JTC1,认可并获得通过,49,国外标准化推进,我国提出的传感网标准化框架,这一架构已得到,ISO/IEC JTC1,认可并通过,我国正在,ISO/IEC JTC1,正在进行的标准化工作还有：,智能电网中传感器网络应用与接口标准；,智能传感器网络中的协同处理服务和接口标准；,50,国内标准化推进,我国传感网标准体系框架,第一章 无线传感器网络综述,WSN,定义及应用,WSN,国内外现状,WSN,国内外标准化,WSN,发展趋势,51,52,WSN,发展趋势,1.,发展路线,传感网的发展将经历以下三阶段：,信息聚合,WSN,协同融合,WSN,泛在传感网,(I-WSN)(C-WSN)(USN),信息聚合,WSN,：国家自然科学基金委（,NSFC,）、,863,在基础理论和关键技术部分做了一定安排，攻克了部分关键技术，使得信息聚合,WSN,能够形成一定规模的示范和应用；,863,在自组织通信领域对无线自组织网络协议方面作出了安排，但没有包含随机布设组网、分簇技术、面向任务组网等；科学院、军口在应用示范方案做了安排，推动了相关关键技术的发展；,协同感知,WSN,：多传感节点自主协同，面向任务的自治组网；,泛在传感网：,USN,将是未来泛在网的重要组成部分之一,推动作用：组网技术、协同信息处理技术的发展,53,WSN,发展趋势,2.,网络架构及其发展,大规模随机布设分簇网,多层异构传感网,任务驱动的协同自治组网,多网融合：,WSN,、移动网、,固定网、短距超宽带网络互,联融合,孤立系统 多行业共用,运营的方向发展,54,WSN,发展趋势,3.,传输,现代意义传感网初始定位为中低速分布式感知系统,当前，传感网发展出现了中高速发展趋势，如多媒体无线传感网：,中高速无线传输中远距离技术,分布式信源编码技术,多种类传感器协同技术,服务质量保障技术,55,WSN,发展趋势,4.,关键技术趋势,上述发展路线、网络和传输对组网、软件、协同等方面关键技术提出了新的要求,组网技术：,节能自治组网技术,面向未来泛在网络的容迟传感网络技术,面向任务的自治组网技术,移动无线传感网技术,传感网与短距互联网络互联互通与共存技术,56,WSN,发展趋势,4.,关键技术趋势（续）,软件技术,专用操作系统：传感网的受限协同要求新的商用,OS,中间件：连接应用与网络,网络管理技术：可信、可管、可诊断、未来可运营,其它,安全传感网技术：传感网部署环境的恶劣性,容错传感网技术：节点能力、低成本特性，要求节,点和网络具备容错能力。,57,WSN,发展趋势,5.,节点微型化,传感器节点的设计、制造正向着,小型化、,微型化,发展,MEMS,、,NEMS,传感器、微型能源、纳米级,IC,、等技术将提供支撑,58,WSN,发展趋势,6.,应用,行业应用,公众应用,行业应用：公共安全、智能交通、环保、,工业自动化等为代表,公众应用：远程医疗、平安家居等为代表,59,结束语,物联网、传感网是国家新兴战略性产业，对国计民生具有重大的意义和价值。,我国在物联网、传感网领域具有一定的优势，并在部分关键技术取得优势，抓住机遇，推进传感网系统、设备、芯片研制，将能够积极推进传感网产业化、商业化。,