传感网原理与技术绪论李士宁等编著.pptx

第一章第一章 绪论绪论主要内容主要内容n1.1 传感网的起源与发展传感网的起源与发展n1.2 传感网的体系结构传感网的体系结构n1.3 传感网的核心技术传感网的核心技术n1.4 传感网的主要特点传感网的主要特点n1.5 传感网的应用传感网的应用n1.6 传感网与物联网的关系传感网与物联网的关系n1.7 本章小结与进一步阅读的文献本章小结与进一步阅读的文献1.1 传感网传感网的起源与发展的起源与发展n传感网的起源传感网的起源 传感网（传感网（WSNWSN）最早是由美国军方提出的，）最早是由美国军方提出的，起源于起源于19781978年美国国防高级研究计划局年美国国防高级研究计划局（DARPADARPA）资助卡内基梅隆大学进行分布式传）资助卡内基梅隆大学进行分布式传感网的研究项目。感网的研究项目。1.1 传感网传感网的起源与发展的起源与发展n传感网的发展传感网的发展第第1阶阶段：段：冷冷战时战时期的期的军军事事传传感器网感器网络络 冷冷战时战时期，美国将广泛的声信号网期，美国将广泛的声信号网络络使用于使用于潜艇潜艇监视监视，同，同时时国家海洋和大气管理局国家海洋和大气管理局(NOAA)也使用其中的一部分也使用其中的一部分传传感器感器监测监测海洋海洋的地震活的地震活动动。1.1 传感网传感网的起源与发展的起源与发展n传感网的发展传感网的发展第第2阶阶段：段：国防高国防高级级研究研究计计划局的倡划局的倡议议 20世世纪纪80年代初，在年代初，在美国美国国防高国防高级级研究研究计计划划局（局（DARPA）赞赞助助项项目的推目的推动动下，下，传传感器网感器网络络的研究取得了的研究取得了显显著著进进步。步。1.1 传感网传感网的起源与发展的起源与发展n传感网的发展传感网的发展第第3阶阶段：段：20世世纪纪80年代、年代、90年代的年代的军军事事应应用开用开发发和部署和部署 以以DARPA的研究和的研究和测试测试平台的平台的发发展展为为基基础础，在在军军事事领领域采用域采用传传感网技感网技术术，使其成，使其成为为网网络络中中心心战战的关的关键组键组成部分。成部分。1.1 传感网传感网的起源与发展的起源与发展n传感网的发展传感网的发展第第4阶阶段：段：现现今的今的传传感器网感器网络络研究研究进进入入21世世纪纪，美国美国军军方方加大了加大了对无无线传线传感器网感器网络络的研究的研究。目前，美国有目前，美国有许许多大学有多大学有专门专门的的课课题题研究小研究小组组从事无从事无线传线传感器网感器网络络的研究，同的研究，同时时许许多大型企多大型企业业也投入巨也投入巨资进资进行无行无线传线传感器网感器网络络的的产业产业化开化开发发。1.1 传感网传感网的起源与发展的起源与发展n传感网的发展传感网的发展第第4阶阶段：段：现现今的今的传传感器网感器网络络研究研究欧洲、澳洲和欧洲、澳洲和亚亚洲的一些工洲的一些工业业化国家的高等院化国家的高等院校、研究机构和企校、研究机构和企业业也也积积极极进进行无行无线传线传感器网感器网络络的相关研究的相关研究。加拿大、英国、德国、芬加拿大、英国、德国、芬兰兰、日本和意大利等、日本和意大利等国家的研究机构都先后开始了无国家的研究机构都先后开始了无线传线传感器网感器网络络的研究。的研究。1.1 传感网传感网的起源与发展的起源与发展n传感网的发展传感网的发展第第4阶阶段：段：现现今的今的传传感器网感器网络络研究研究我国我国对传对传感网的研究起步感网的研究起步较较晚晚，首次正式启，首次正式启动动出出现现于于1999年中国科学院知年中国科学院知识创识创新工程点新工程点领领域方向研究的域方向研究的“信息与自信息与自动动化化领领域研究域研究报报告告”中中。现在，在，国内有越来越多的企事国内有越来越多的企事业业单位位关注关注传传感器网感器网络络技技术术的的发发展。展。1.2 传感网传感网的的体系结构体系结构n传感器网络传感器网络（简称传感网）（简称传感网）传传感器网感器网络络是由大量部署在作用区域内的是由大量部署在作用区域内的、具具有无有无线线通信与通信与计计算能力的算能力的传传感器感器节点点组组成成，这这些些节节点通点通过过自自组织组织方式构成方式构成传感器感器网网络络，其，其目目的的是是协协作感知、作感知、采集和采集和处处理网理网络络覆盖地理区域覆盖地理区域中的感知中的感知对对象信息并象信息并发发布布给观给观察者。察者。1.2.1 传感网节点传感网节点体系结构体系结构 节节点通常是一个微型嵌入式系点通常是一个微型嵌入式系统统，它的，它的处处理能力、存理能力、存储储能力和通信能力是受限能力和通信能力是受限的的。节节点要正常工作，需要硬点要正常工作，需要硬软软件系件系统统的密切配合的密切配合。1.2.1 传感网节点传感网节点体系结构体系结构 节节点由感知点由感知单单元元、处处理理单单元、通信元、通信单单元、元、能量能量供供给单给单元和其他元和其他应应用相关用相关单单元元组组成成。n节点硬件系统节点硬件系统1.2.1 传感网节点传感网节点体系结构体系结构感知感知单元元 感知感知单单元主要用来采集元主要用来采集现实现实世界的各种信息世界的各种信息，如温度、湿度、如温度、湿度、压压力、声音等物理信息，并将力、声音等物理信息，并将传传感器采集到的模感器采集到的模拟拟信息信息转换转换成数字信息，交成数字信息，交给处给处理理单单元元进进行行处处理理。1.2.1 传感网节点传感网节点体系结构体系结构处理理单元元 处处理理单单元元负责负责整个整个传传感器感器节节点的数据点的数据处处理和理和操作，存操作，存储储本本节节点的采集数据和其他点的采集数据和其他节节点点发发来来的数据。的数据。通信通信单元元 通信通信单单元元负责负责与其他与其他传传感器感器节节点点进进行无行无线线通通信信、交、交换换控制消息和收控制消息和收发发采集数据。采集数据。1.2.1 传感网节点传感网节点体系结构体系结构能量供能量供给给单元元 能量供能量供给单给单元提供元提供传传感器感器节节点运行所需的能点运行所需的能量，是量，是传传感器感器节节点最重要的点最重要的单单元之一元之一。此外，此外，节节点需要相点需要相应应的的应应用支持用支持单单元元，如位，如位置置查查找找单单元和移元和移动动管理管理单单元元。1.2.1 传感网节点传感网节点体系结构体系结构n节点软件系统节点软件系统操作系操作系统统（OS）微微码码传传感器感器驱动驱动模模块通信通信处处理理模模块通信通信驱动驱动模模块数据数据处处理理mini-app模模块块1.2.2 传感网的传感网的网络结构网络结构n无线传感器网络的体系结构无线传感器网络的体系结构1.2.2 传感网的传感网的网络结构网络结构传传感器感器节节点分散在点分散在监测监测区域内，区域内，这这些些传传感器感器节节点能点能够够采集和接收数据、分析数据并且把采集和接收数据、分析数据并且把数据路由到一个指定的数据路由到一个指定的汇汇聚聚节节点点。传传感器感器节节点之点之间间通通过过自自组织组织方式构成网方式构成网络络，可以根据需要智能地采用不同的网可以根据需要智能地采用不同的网络络拓扑拓扑结结构。构。1.2.2 传感网的传感网的网络结构网络结构传传感器感器节节点的点的监测监测数据可能被多个数据可能被多个节节点点处处理理，通常以多跳的方式沿着其他通常以多跳的方式沿着其他节节点逐跳点逐跳传输传输，经过经过路由到其他中路由到其他中间节间节点点进进行数据融合和行数据融合和转转发发，到达，到达汇汇聚聚节节点，点，最后通最后通过过互互联联网或者网或者卫卫星到达用星到达用户户可以操作的任可以操作的任务务管理管理节节点点。任任务务管理管理节节点可以点可以对对无无线传线传感器网感器网络进络进行配行配置和管理置和管理。1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n路由协议路由协议nMAC协议协议n拓扑控制拓扑控制n定位技术定位技术n时间同步时间同步n数据管理技术数据管理技术1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n路由协议路由协议 路由路由协议负责协议负责将数据分将数据分组组从源从源节节点通点通过过网网络络转发转发到目的到目的节节点点，协议的的主要功能主要功能是是寻寻找源找源节节点和目的点和目的节节点点间间的的优优化路径，将数据分化路径，将数据分组组沿着沿着优优化路径正确化路径正确转发转发。1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n传感器网络路由机制要求传感器网络路由机制要求能量高效能量高效可可扩扩展性展性鲁鲁棒性棒性快速收快速收敛敛性性1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n路由协议的分类路由协议的分类平面路由和平面路由和层层次路由；次路由；主主动动路由路由、按需路由和混合路由、按需路由和混合路由；基于位置的路由和非基于位置的路由；基于位置的路由和非基于位置的路由；基于基于Qos的路由和不基于的路由和不基于Qos的路由的路由；基于数据融合的路由和非基于数据融合的路基于数据融合的路由和非基于数据融合的路由；由；1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n路由协议的分类路由协议的分类能量感知路由能量感知路由协议协议和非能量感知路由和非能量感知路由协议协议；查询驱动查询驱动和非和非查询驱动查询驱动路由；路由；单单路径和多路径路由；路径和多路径路由；安全路由与非安全路由安全路由与非安全路由。1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术nMAC协议协议 介介质访问质访问控制控制(MAC)协议协议决定无决定无线线信道的使信道的使用方式，在用方式，在传传感器感器节节点之点之间间分配有限的无分配有限的无线线通通信信资资源，用来构建源，用来构建传传感器网感器网络络系系统统的底的底层层基基础础结结构。构。1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术nMAC协议协议 MAC协议处协议处于于传传感器网感器网络协议络协议的底的底层层部分，部分，对传对传感器网感器网络络的性能有的性能有较较大影响，是保大影响，是保证证无无线线传传感器网感器网络络高效通信的关高效通信的关键键网网络协议络协议之一。之一。1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术nMAC协议设计时的考虑因素协议设计时的考虑因素节节省能量省能量可可扩扩展性展性网网络络效率效率1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n拓扑控制拓扑控制 拓扑控制拓扑控制的的主要研究主要研究问题问题是在是在满满足网足网络络覆盖覆盖度和度和连连通度的前提下，通通度的前提下，通过过功率控制和骨干网功率控制和骨干网节节点点选择选择，剔除，剔除节节点之点之间间不必要的通信不必要的通信链链路，路，形成一个数据形成一个数据转发转发的的优优化网化网络结络结构。构。1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n拓扑控制拓扑控制的分类的分类节节点功率控制点功率控制功率控制机制功率控制机制调节调节网网络络中每个中每个节节点的点的发发射功率，在射功率，在满满足网足网络连络连通度的前提下，均衡通度的前提下，均衡节节点的点的单单跳可达跳可达邻邻居数目。居数目。层层次型拓扑次型拓扑控制控制层层次型拓扑控制利用分簇机制次型拓扑控制利用分簇机制，让让一些一些节节点作点作为为簇簇头节头节点，由簇点，由簇头节头节点形成一个点形成一个处处理并理并转发转发数据的骨数据的骨干网，其他非骨干网干网，其他非骨干网节节点可以点可以暂时暂时关关闭闭通信模通信模块块，进进入休眠状入休眠状态态以以节节省能量。省能量。1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n定位技术定位技术 传传感器感器节节点必点必须须明确自身位置才能明确自身位置才能详细说详细说明明“在什么在什么位置或区域位置或区域发发生了特定事件生了特定事件”，实现对实现对外部目外部目标标的定位的定位和追踪；另一方面，了解和追踪；另一方面，了解传传感器感器节节点位置信息点位置信息还还可以可以提高路由效率，提高路由效率，为为网网络络提供命名空提供命名空间间，向部署者，向部署者报报告告网网络络的覆盖的覆盖质质量，量，实现实现网网络络的的负载负载均衡以及网均衡以及网络络拓扑拓扑的自配置。的自配置。1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n时间同步技术时间同步技术 传传感器感器节节点将感知到的目点将感知到的目标标位置位置、时间时间等信等信息息发发送到送到传传感器网感器网络络中的中的汇汇聚聚节节点，点，汇汇聚聚节节点点在在对对不同不同传传感器感器发发送来的数据送来的数据进进行行处处理后便可理后便可获获得目得目标标的移的移动动方向、速度等信息。方向、速度等信息。为为了能了能够够正确地正确地监测监测事件事件发发生的生的顺顺序，就必序，就必须须要求要求传传感感器器节节点之点之间实现时间间实现时间同步。同步。1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n时间同步技术时间同步技术 在无在无线传线传感器网感器网络络系系统统中中，单单个个节节点的能力点的能力非常有限，整个系非常有限，整个系统统所要所要实现实现的功能需要网的功能需要网络络内所有内所有节节点相互配合共同完成。点相互配合共同完成。时间时间同步在无同步在无线传线传感器网感器网络络系系统统中起着非常重要的作用。中起着非常重要的作用。1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n数据管理数据管理技术技术无无线传线传感器网感器网络络本本质质上是一个以数据上是一个以数据为为中心中心的网的网络络，它，它处处理的数据理的数据为传为传感器采集的感器采集的连续连续不断的数据流不断的数据流。由于由于传传感器网感器网络络能量、通信和能量、通信和计计算能力有限，算能力有限，因此因此传传感器网感器网络络数据管理系数据管理系统统在一般情况下在一般情况下不会把数据都不会把数据都发发送到送到汇汇聚聚节节点点进进行行处处理，理，而而是尽可能在是尽可能在传传感器网感器网络络中中进进行行处处理理。1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n数据管理数据管理技术技术数据管理数据管理技技术包括包括传感网数据的存感网数据的存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行行为的理的理论和和技技术。1.4 传感网的传感网的主要特点主要特点 与传统的网络相比，无线传感器网络拥有自与传统的网络相比，无线传感器网络拥有自己的资源和设计方面的限制。在传感器节点中，己的资源和设计方面的限制。在传感器节点中，资源约束包括能源受限、通信距离短、带宽低、资源约束包括能源受限、通信距离短、带宽低、处理和存储能力不足等。设计约束则是依赖于应处理和存储能力不足等。设计约束则是依赖于应用程序和所监控的环境。用程序和所监控的环境。1.4 传感网的传感网的主要特点主要特点n大规模大规模n自组织自组织n动态性动态性n容错性容错性n资源受限资源受限n应用相关应用相关1.5 传感网的传感网的应用应用n1.5.1 军事应用军事应用n1.5.2 环境监测环境监测n1.5.3 医疗医疗卫生卫生n1.5.4 智能家居智能家居n1.5.5 其他方面其他方面1.5.1 军事应用军事应用n战场侦察与监视战场侦察与监视美国美国陆军的的“灵巧灵巧传传感器网感器网络络通信通信”计计划划n战场态势感知战场态势感知美美军军的的“无人无人值值守地面守地面传传感器群感器群”项项目目n战场目标战场目标追踪追踪美国海美国海军军的网状的网状传传感器系感器系统统CEC1.5.1 军事应用军事应用n核、生、化监测核、生、化监测借助于生物和化学借助于生物和化学传感器，可以及早感器，可以及早发现己方己方阵地上的生物和化地上的生物和化学学污染，可以染，可以较为安全地安全地获取一些核、生、化爆炸取一些核、生、化爆炸现场的的详细数数据，据，为己方己方组织防防护提供快速反提供快速反应时间从而减少从而减少损失。失。1.5.2 环境监测环境监测 无无线传感器网感器网络可用于可用于监视农作物灌作物灌溉情况、土情况、土壤空气情况、家畜和家禽的壤空气情况、家畜和家禽的环境和迁移状况、无境和迁移状况、无线土壤生土壤生态学、大面学、大面积的地表的地表监测等，也可用于行星等，也可用于行星探探测、气象和地理研究、洪水、气象和地理研究、洪水监测等。等。还可以通可以通过跟踪跟踪鸟类、小型、小型动物和昆虫物和昆虫进行种群复行种群复杂度的研究度的研究等。等。1.5.2 环境监测环境监测n实例实例1:美国国家生态观测网络美国国家生态观测网络(NEON)NEON将美国划分将美国划分为20个不同的区域，用于个不同的区域，用于长期期观测生物圈生物圈对土地土地利用和气候利用和气候变化的响化的响应以及土壤圈、水圈和大以及土壤圈、水圈和大气圈的相互反气圈的相互反馈机制。机制。1.5.2 环境监测环境监测n实例实例2：大鸭岛动物栖息地监控：大鸭岛动物栖息地监控2002年，由英特年，由英特尔的研究小的研究小组和加州大学伯克利分校以和加州大学伯克利分校以及巴港大西洋大学的科学家及巴港大西洋大学的科学家把无把无线传感器网感器网络技技术应用用于于监视大大鸭岛海海鸟的栖息情的栖息情况。他况。他们使用了包括光、湿使用了包括光、湿度、气度、气压计、红外外传感器、感器、摄像像头在内的近在内的近10种种传感器感器类型数百个型数百个节点，系点，系统通通过自自组织无无线网网络，将数据，将数据传输到到300英尺外的基站英尺外的基站计算算机内，再由此机内，再由此经卫星星传输至至加州的服加州的服务器。器。1.5.2 环境监测环境监测n实例实例3:西北工西北工业大学的大学的国家科技国家科技支撑支撑计计划划项项目目“西部西部优势优势农产农产品生品生产产精准管理关精准管理关键键技技术术研究与示范研究与示范”（在精准在精准农业农业中的中的一个一个典型典型应应用用）1.5.3 医疗医疗卫生卫生n远程健康监测系统远程健康监测系统在病人身上安置体温采集、呼吸、血在病人身上安置体温采集、呼吸、血压等等测量量传感器，医生可以感器，医生可以远程了解病人的情况程了解病人的情况1.5.3 医疗医疗卫生卫生n远程健康监测系统远程健康监测系统Smart Sensors and Integrated Microsystems(SSIM)项目目（美国美国韦恩州立大恩州立大学学）The world is entering a new age of technology,and the Smart Sensors and Integrated Microsystems(SSIM)Program at Wayne State University is blazing the trail.Located on the campus of a major,urban research institution,the program and its researchers are developing novel materials,methods and prototype devices for everything from automotive,environmental and biomedical applications to advances in energy,communications and aerospace technology.1.5.4 智能家居智能家居 智能智能家居家居是是以住宅以住宅为平台，利用平台，利用综综合布合布线线技技术、网、网络通信技通信技术、安全防范技安全防范技术术、自自动动控制控制技技术术、音、音视频技技术将家居生活有关的将家居生活有关的设施集成施集成起来，构建高效的住宅起来，构建高效的住宅设施与家庭日程事施与家庭日程事务的的管理系管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并性，并实现环保保节能的居住能的居住环境境。1.5.4 智能家居智能家居海海尔U-home智能家居系智能家居系统解决方案解决方案1.5.5 其他方面其他方面n在空间探索中的应用在空间探索中的应用Sensor Webs项目目1.5.5 其他方面其他方面n在特殊环境中的应用在特殊环境中的应用对石油石油管道管道的的实时监实时监控控1.6 传感网与物联网的关系传感网与物联网的关系n传感网的定义传感网的定义 传传感网是由大量部署在作用区域内的、具有感网是由大量部署在作用区域内的、具有无无线线通信与通信与计计算能力的算能力的传传感器感器节节点点组组成，成，这这些些节点通点通过自自组织方式构成方式构成传感网，其目的是感网，其目的是协作感知、采集和作感知、采集和处理网理网络覆盖地理区域中的感覆盖地理区域中的感知知对象信息并象信息并发布布给观察者。察者。1.6 传感网与物联网的关系传感网与物联网的关系n物联网定义一物联网定义一早期的物早期的物联网是指依托射网是指依托射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）技）技术和和设备，按按约定的通信定的通信协议与互与互联网相网相结合，使物品信合，使物品信息息实现智能化智能化识别和管理，和管理，实现物品信息互物品信息互联而形成的网而形成的网络。1.6 传感网与物联网的关系传感网与物联网的关系n物联网定义二（物联网定义二（ITU对物联网的定义）对物联网的定义）通通过二二维码识读设备、射、射频识别（RFID）装置、）装置、红外感外感应器、全球定位系器、全球定位系统和激光和激光扫描器等信息描器等信息传感感设备，按，按约定的定的协议，把任何物品与互，把任何物品与互联网相网相连接，接，进行信息交行信息交换和通信，以和通信，以实现智能化智能化识别、定、定位、跟踪、位、跟踪、监控和管理的一种网控和管理的一种网络。1.6 传感网与物联网的关系传感网与物联网的关系n物联网定义三物联网定义三 （工信部（工信部2011年发布的物联网年发布的物联网白皮书中对物联网的定义）白皮书中对物联网的定义）物物联网是通信网和互网是通信网和互联网的拓展网的拓展应用和网用和网络延延伸，它利用感知技伸，它利用感知技术与智能装置与智能装置对物理世界物理世界进行感行感知知识别，通，通过网网络传输互互联，进行行计算、算、处理和知理和知识挖掘，挖掘，实现人与物、物与物之人与物、物与物之间的信息交互和无的信息交互和无缝链接，达到接，达到对物理世界物理世界实时控制、精确管理和科控制、精确管理和科学决策的目的。学决策的目的。1.6 传感网与物联网的关系传感网与物联网的关系n从概念上看传感从概念上看传感网和物联网的网和物联网的区别区别物物联网的核心和基网的核心和基础仍然是互仍然是互联网，是在互网，是在互联网基网基础上延伸和上延伸和扩展的网展的网络。物物联网的概念相网的概念相对比比传感网大一些。感网大一些。传感网技感网技术可以可以认为是物是物联网网实现感知功能感知功能的关的关键技技术。1.6 传感网与物联网的关系传感网与物联网的关系n从物联网的网络架构来看物联网和传感从物联网的网络架构来看物联网和传感网的关系网的关系物联网的网络架构物联网的网络架构1.6 传感网与物联网的关系传感网与物联网的关系n从物联网的网络架构来看物联网和传感从物联网的网络架构来看物联网和传感网的关系网的关系在物在物联网的整个网网的整个网络架构当中包含有架构当中包含有传感网，感网，传感网主要用于信息采集和近距离的信息感网主要用于信息采集和近距离的信息传递。要真正要真正实现物物联网，做到物物相网，做到物物相连，离不开，离不开传感网，但是也不能把感网，但是也不能把传感网看作物感网看作物联网，网，因因为它不是物它不是物联网的全部。网的全部。1.7 本章小结与进一步阅读的文献本章小结与进一步阅读的文献n小结小结 本章本章首先介首先介绍了了传感网的起源和感网的起源和历史史发展，然展，然后从后从节点和网点和网络结构两个方面描述了构两个方面描述了传感网的体感网的体系系结构，介构，介绍了了传传感网的关感网的关键键技技术术，接着提接着提炼了了传传感网的感网的主要特点，通主要特点，通过一些具体一些具体实例介例介绍了了传传感网的感网的主要主要应用用领域，最后分析了域，最后分析了传感网与物感网与物联网的关系。网的关系。1.7 本章小结与进一步阅读的文献本章小结与进一步阅读的文献n进一步阅读的文献进一步阅读的文献ACM/IEEE重要国重要国际会会议中关于中关于传感网的一感网的一些些综述性述性论文。文。