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[实用参考]无线传感器网络简明教程(第二版).ppt

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无线传感器网络PPT课件

无线传感器网络PPT课件

• 数据链路层（MAC层协议）
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信道，就是数据链路层中的MAC子层要解 决的问题了
第6页/共36页
网络层（路由）
• 网络层（路由）
两个基本功能：确定最佳路径和通过网络传输信息 1 泛洪式路由 2 SPIN（SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协 议） 3 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
三、无线传感器网络关键技 术
第11页/共36页
3.1 无线传感器网络MAC协议
• 所谓的MAC协议，就是通过一组规则和过程来更有效、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21页/共36页
管理平台
• 管理平台对整个网络进行检测、管理，它通常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终端设备
第22页/共36页
4、2无线传感器网络硬件平台
• 目前传感器节点种类繁多，很多科研机构都开放自己的硬件平台，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3页/共36页
图1 无线传感器网络体系结构图
第4页/共36页
无线传感器通信协议系统结构
• 物理层技术 为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做
物理层 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
数据链路层（MAC层协议）
• Intel 公司的intel mote2 • Chipcon 公司的cc2420ZDK • Ember公司的em250 Development kit • Freescale公司的 mc13191 • 中科院的minigains系列
无线传感器网络技术原理及应用-ppt课件-第9章

无线传感器网络技术原理及应用-ppt课件-第9章

评估 IEEE802.11 设备及网络的性能测量、性能指标及测试过程的推荐方法，大写 字母 T 表示推荐而不是技术标准
修正物理层和 MAC 层，提供一个通用及标准的方法与非 IEEE802.11 网络(如蓝牙、 WIMAX)共同工作
扩大了网络吞吐量，减少冲突，提高网络管理的可靠性 扩展了 IEEE802.11 对数据帧的管理和保护以提高网络安全
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
7
由于802.11在速率和传输距离上都不能满足需要， 1999年，IEEE小组又相继推出两个补充版本：802.11a和 802.11b。802.11a定义了一个在5GHz的ISM频段上，数据传 输速率可达到54Mbit/s的物理层；802.11b定义了一个在 2.4GHz的ISM频段上，但数据传输速率高达11Mbit/s的物理 层，成为第一个在WIFI标准下将产品推向市场的标准。 1999年，工业界成立了WIFI联盟，致力解决符合802.11标 准的产品的生产和设备兼容性问题。2003年6月，IEEE 802.11g规范正式批准，物理层速率提高到54 Mb/s，并提高 了与IEEE802.11b设备在2.4GHz ISM频段的公用能力。
WIFI全称为Wireless Fidelity，又称IEEE802.11b标准， 它的最大优点就是传输速度较高，可以达到11 Mb/s，另外 有效距离也较长，与已有的各种IEEE802.11DSSS设备兼容。 本章介绍WIFI技术的技术标准、组网方式及协议架构。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
无线传感器网络的理论及应用PPT教学课件

无线传感器网络的理论及应用PPT教学课件


2020/12/11
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多跳路由
由于节点发射功率限制，节点的覆盖范围 有限，通常只能与它的邻居节点通信。
多跳路由是由普通网络节点协作完成，没 有专门的路由设备。每个节点既可以是信 息的发起者，也可以是转发者。
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安全性差
由于采用了无线信道、分布式控制等技术， 网络更容易受到被动窃听、主动入侵等攻 击。
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网络管理平台
拓扑控制：拓扑控制利用链路层、路由层完成拓扑生成，反过来又为 它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议，降低能耗。 服务质量管理：服务质量（QoS）管理在各个协议层设计队列管理、 优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理。 能量管理：每个协议层次中都要增加能量控制代码，并提供给操作系 统进行能量分配决策。 安全管理：传统安全机制无法使用。采用扩频通信、接入认证/鉴权、 数字水印和数据加密等技术。 移动管理：监测和控制节点的移动，维护到汇聚节点的路由，还可以 使传感器节点跟踪它的邻居。 网络管理：对无线传感器网络上的设备及传输系统进行有效监视、控 制、诊断和测试所采用的技术和方法。它要求协议各层嵌入各种信息 接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协 议组件的运行。
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应用支撑平台
包括一系列基于监测任务的应用层软件， 通过应用服务接口和网络管理接口来为终 端用户提供各种具体应用的支持： 时间同步 定位 应用服务接口 网络管理接口
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27
无线传感器网络的研究进展
无线传感器网络的发展历程 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络所面临的挑战
29
无线传感器网络的理论及应用PPT教学课件

无线传感器网络的理论及应用PPT教学课件


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13
以数据为中心
在无线传感器网络中，人们通常只关心某 个区域内某个观测指标的数值，而不会去 具体关心单个节点的观测数据。 用户使用传感器网络查询事件时，直接将 所关心的事件通告给网络，而不是通告给 某个确定编号的节点。网络在获得指定事 件的信息后汇报给用户。
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网络的通信保密和安全性十分重要，信道 加密、抗干扰、用户认证和其他安全措施 都需要特别考虑。
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无线传感器网络的特征
深入研究表明，无线传感器网络有着与无 线自组网络明显不同的技术要求和应用目 标。无线自组网络以传输数据为目的，致 力于在不依赖于任何基础设施的前提下为 用户提供高质量的数据传输服务；而无线 传感器网络以数据为中心，将能源的高效 使用作为首要设计目标。
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无线传感器网络的体系结构概述
应用服务接口
网络管理接口
安
全
/
拓 扑 控
服 务 质 量
移 动
/ 能
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无线传感器网络的特征
作为Internet在无线和移动范畴的扩展和延伸，无线自组网络 （Ad-hoc Network）由若干采用无线通信的节点动态地形成一个 多跳的移动性对等网络，从而不依赖于任何基础措施。
无线传感器网络与 无线自组网络的共 同特点：
分布式 自组织 拓扑变化 多跳路由 安全性差
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6
多跳路由
由于节点发射功率限制，节点的覆盖范围 有限，通常只能与它的邻居节点通信。
多跳路由是由普通网络节点协作完成，没 有专门的路由设备。每个节点既可以是信 息的发起者，也可以是转发者。
无线传感器网络简明教程 第二章

无线传感器网络简明教程 第二章


传感器是生物体感官的工程模拟物；反过来， 传感器是生物体感官的工程模拟物；反过来，生物体的感官又可 是生物体感官的工程模拟物 以看作是天然的传感器。随着数字化和信息技术与机械装置的融合， 以看作是天然的传感器。随着数字化和信息技术与机械装置的融合， 传感器和执行器已经开始实现数据共享、控制功能和控制参数协调一 传感器和执行器已经开始实现数据共享、 体化，并通过现场总线与外部连接。 体化，并通过现场总线与外部连接。随着基础自动化控制功能的重新 分配，许多计算机控制功能下放到传感器和执行器中完成， 分配，许多计算机控制功能下放到传感器和执行器中完成，如参数检 控制、诊断和维护管理等。 测、控制、诊断和维护管理等。 传感器的作用类似于人的感觉器官， 传感器的作用类似于人的感觉器官，是实现测试与控制的首要 的作用类似于人的感觉器官 环节。 环节。
第2章
微型传感器的基本知识
2.1 传感器概述
1、传感器的定义和作用
传感器网络的终端探头通常代表了用户的功能需求， 传感器网络的终端探头通常代表了用户的功能需求， 终端传感器技术是支撑和最大化网络应用性能的基石， 终端传感器技术是支撑和最大化网络应用性能的基石， 为网络提供了丰富多彩的业务功能。 为网络提供了丰富多彩的业务功能。 什么是传感器？ 什么是传感器？一般来说能够把特定的被测量信息 （物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可 物理量、化学量、生物量等） 用信号（电信号、光信号等）的器件或装置， 用信号（电信号、光信号等）的器件或装置，我们把它称 为传感器。 为传感器。
所谓线性度是指传感器的实际输入-输出曲线（校准曲线） 所谓线性度是指传感器的实际输入-输出曲线（校准曲线）与 线性度是指传感器的实际输入 拟合直线之间的吻合（偏离）程度。选定拟合直线的过程， 拟合直线之间的吻合（偏离）程度。选定拟合直线的过程，就是传 感器的线性化过程。实际曲线与它的两个端尖连线（称为理论直线） 感器的线性化过程。实际曲线与它的两个端尖连线（称为理论直线） 之间的偏差称为传感器的非线性误差。 之间的偏差称为传感器的非线性误差。取其中最大值与输出满度值 之比作为评价线性度（或非线性误差）的指标。 之比作为评价线性度（或非线性误差）的指标。
第5章 无线传感器网络简介 《物联网技术与应用(第2版)》课件

第5章 无线传感器网络简介 《物联网技术与应用(第2版)》课件

无线收发单元由无线通信模块组成，负责与其他传感 器节点进行通信，交换控制信息和收发采集数据；电 源单元能够为传感器节点提供正常工作所必需的能源， 通常采用微型电池。
无线传感器网络的体系结构由分层的网络通信协议、 网络管理平台以及应用支撑平台这三个部分组成。
应用支撑平台
应用服务接口
网络管理接口
应用层
(1)时间同步
(2)定位
(3)应用服务接口
(4)网络管理接口
无线传感器网络的特点 (1)分布式 (2)自组织 (3)拓扑变化 (4)多跳路由 (5)安全性差
无线传感器网络与无线自组网络有着许多相似之处， 但是无线自组网络以传输数据为目的，致力于在不依 赖于任何基础设施的前提下为用户提供高质量的数据 传输服务；而无线传感器网络以数据为中心，将能源 的高效使用作为首要设计目标，专注于从外界获取有 效信息。除此之外，无线传感器网络还具有以下一些 区别于无线自组网络的独有特征。
2．无线传感器网络 1) Sensor IT 2)WINS 3)Smart Dust 4)Sea Web 5)Hourglass 6)Sensor Webs 7)IrisNet 8)NEST
3．普适计算 1991年，Mark Weiser提出了“普适计算(Pervasive
欧盟的EYES(自组织和协作有效能量的传感网络)是 为期3年的一项计划，从2002年开始实施。研究的范 围包括分布式信息处理、无线通信和移动计算。该项 目集中研究体系结构，协议和软件，使结点“聪明”， 自组织及相互协作。他们提出应具备的两层结构，低 层处理传感器和传感网络，上层则根据低层提供的信 息，为应用提供服务。在通信网络方面开发的新技术 包括内部传感器结构，分布无线接入，路由协议，可 靠的端到端传输，节点时间同步和定位；在服务层， 支持移动传感器应用，包括信息收集、查找、发现和 安全等。
自考无线传感器网络简明教程PPT课件

自考无线传感器网络简明教程PPT课件

无线传感器网络可以看成是由数据获取子网、数据 分布子网和控制管理中心三部分组成。它的主要组成部 分是集成了传感器、数据处理单元和通信模块的节点， 各节点通过协议自组织成一个分布式网络，将采集来的 数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。传感 器节点在实现各种网络协议和应用系统时，也存在一些 限制和约束。
1.2.2 传感器网络节点的结构
第1页/共14页
1.2.3 网络体系结构
1、节点的体 系组成
从无线联网 的角度来看， 传感器网络节 点的体系由分 层的网络通信 协议、网络管 理平台和应用 支撑平台三个 部分。
第2页/共14页
(1) 网络通信协议 类似于传统
Internet网络中 的TCP/IP协议体 系，它由物理层、 数据链路层、网 络层、传输层和 应用层组成。
应用业务、安全性 应用层
可靠性、流量控制、 传输层 吞吐量
连接/无连接、路由、 网络层 可达性
介质访问、功率管 理、帧格式
信道编码、无线传 输、调制解调
第3页/共14页
数据链路层
IEEE802.15.4
物理层
(2) 网络管理平台 网络管理平台主要是对传感器节点自身的管理和用户对传感器网 络的管理，包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、 移动管理、网络管理等。
第9页/共14页
1、电源能量有限
传感器节点消耗能量的模块 20
包括传感器模块、处理器模块
和无线通信模块。随着集成电 路工艺的进步，处理器和传感 15
器模块的功耗变得很低，绝大
功率/mW
部分能量主要消耗在无线通信 10
模块上。
从图中可知传感器节点的绝
大部分能量消耗在无线通信模 5 块。传感器节点传输信息时要
无线传感器网络技术ppt课件

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.
11
模拟调制和数字调制
数字调制是用数字基带信号对高频载波的 某一参量进行控制，使高频载波随着数字 基带信号的变化而变化。目前通信系统都 在由模拟制式向数字制式过渡，因此数字 调制已经成为了主流的调制技术。
.
12
数字调制
幅度
频率
相位
通过调节三个参数可以表达信息
.
13
幅度调制 Amplitude shift keying e.g. MICA TR1000
-110(2.4kBaud)
19.7 250k -25~0 -94(250kBaud1)9
物理层帧结构
4B
1B
1B
前导码
SFD 帧长度（7位） 保留位
同步头
帧的长度，最大为128B
可变长度 PSDU
PHY负荷
前导码：第一个字段，其字节数一般取4， 收发器在接收前导码期间会根据前导码序列 的特征完成片同步和符号同步，当然字节数 越多同步效果越好，但那需要更多的能量消 耗。
.
15
直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)
跳频(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)
跳时(Time Hopping Spread Spectrum, THSS)
宽带线性调频扩频(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，简称切普扩频)。
提供传送数据的通路 传输数据 其他管理功能
.
PPDU数据
Bit to Symbol Symbol to Chip
Modulator RF信号
2
物理接口标准
通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述：
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T4 (T3 d )
因此可以推导出右面算式：
节点S在计算时间偏差之后，将它
的时间同步到节点R。
(T2 T1) (T4 T3) 2
d (T2 T1) (T4 T3) 2
4.1.3 时间同步的应用示例
这里介绍一个例子，说明磁阻传 感器网络对机动车辆进行测速，为 了实现这个用途，网络必须先完成 时间同步。由于对机动车辆的测速 需要两个探测传感器节点的协同合 作，测速算法提取车辆经过每个节 点的磁感应信号的脉冲峰值，并记 录时间。
连接度
邻居节 点
跳数
基础设 施
到达时 间
到达时 间差
到达角 度
接收信 号强度 指示
视线关 系
非视线 关系
4.2.1 传感器网络节点定位问题
3、定位性能的评价指标 功耗
覆盖范围
定位性能
刷新速度
4.2.1 传感器网络节点定位问题
4、定位系统的设计要点
在设计定位系统的时候， 要根据预定的性能指标，在 众多方案之中选择能够满足 要求的最优算法，采取最适 宜的技术手段来完成定位系 统的实现。通常设计一个定位系统需要考虑两个主要 因素，即定位机制的物理特性和定位算法。
4.1.2 TPSN时间同步协议
1、TPSN协议的操作过程
第一个阶段生成层次结构
TPSN协议包括两个阶段：
第二个阶段实现所有树节点的时间同步
4.1.2 TPSN时间同步协议
2、相邻级别节点间的同步机制
邻近级别的两个节点对间通过交换两个消息实现时 间同步。
D R
d
d
T2
T3
tR
S 0 T1
T1 SYNC_PKT

xn2

2( xn1

xn )x

y2 n1

yn2

2(
yn1

yn ) y

d2 n1

dn2
用矩阵和向量表达为形式Ax=b，其中：
(
x1




x)2
( y1

y)2

d12
( xn

x)2
( yn

y)2

d
2 n
4.2.2 基于测距的定位技术
将第前n-1个等式减去最后等式：

x12

xn2

2(
x1

xn
)
x

y12

yn2

2(
y1

yn
)
y

d12

dn2

x2 n1
4.2.2 基于测距的定位技术
2、多边定位
假设已知信标锚点A1，A2，A3，A4，…的坐标依次分别为（x1， y1），（x2，y2），（x3，y3），（x4，y4），…，即各锚点位置为 。 如果待定位节点的坐标为（x, y），并且已知它至各锚点的测距数值
为 ，可得如下图，其中(x，y)为待求的未知坐标。
4.2.1 传感器网络节点定位问题
位置信息的分类
位置信息
物理位置
指目标在特定 坐标系下的位 置数值，表示 目标的相对或 者绝对位置
符号位置
指在目标与一个 基站或者多个基 站接近程度的信 息，表示目标与 基站之间的连通 关系，提供目标 大致的所在范围
4.2.1 传感器网络节点定位问题
2、基本术语
锚点 测距
4.2.2 基于测距的定位技术
1、测距方法
(1)接收信号强度指示(RSSI) PR PT / r n
0
-10 -20
10 n lg r 10lg PT / PR
-30
-40 -50
10lg PR A 10 n lg r
-60
-70
-80 -90
PR(dBm) A 10 nlg r
4.2 定位技术
4.2.1 传感器网络结点定位问题 4.2.2 基于测距的定位技术 4.2.3 无需测距的定位技术 4.2.4定位系统的典型应用
4.3 数据融合
4.3.1 多传感器数据融合概述
本章内容
4.3.2 传感器网络中数据融合的作用 4.3.3 数据融合技术的分类 4.3.4 数据融合的主要方法 4.3.5 传感器网络应用层的数据融合示例
无线传感器网络简明教程 （第2版）
崔逊学 左从菊 编著
第4章传感器网络的支撑技术
传感器网络终端节点
传感
感知
探测
应用层的基础性技术是支撑传感器网络完成任务的关键：
时间同步机制 定位技术 数据融合 能量管理 安全机制
本章内容
4.1 时间同步机制
4.1.1 传感器网络的时间同步机制 4.1.2 TPSN 时间同步协议 4.1.3 时间同步的应用示例
4.4 能量管理
4.4.1 能量管理的意义 4.4.2 传感器网络的电源节能方法 4.5 安全机制 4.5.1 传感器网络的安全问题 4.5.2 传感器网络的安全设计问题 4.5.3 传感器网络安全框架协议：SPINS 4.5.4 SPINS 协议的实现问题与系统性能
4.1 时间同步机制
4.1.1 传感器网络的时间同步机制
1、传感器网络Βιβλιοθήκη 间同步的意义时间同步机制是分布式 系统基础框架的一个关键机 制。
4.1.1 传感器网络的时间同步机制
在分布式系统中，时间同步涉及“物理时间”和“逻 辑时间”两个不同的概念。
“物理时间”用来表示人类社 会使用的绝对时间；
“逻辑时间”体现了事件发生 的顺序关系，是一个相对概念。
T4
tS
T1, T2, T3 ACK_PKT
4.1.2 TPSN时间同步协议
边节点S在T1时间发送同步请求分 组给节点R，分组中包含S的级别和
T1时间。节点R在T2时间收到分
组，T2 (T1 d，然)后在T3时间发送
应答分组给节点S，分组中包含节点
R的级别和T1、T2和T3信息。 节点S在T4时间收到应答，
如果将两个节点之间的距离d除 以两个峰值之间的时差Δ t，就可以 得出机动目标通过这一路段的速度
(Vel): Vel d t
4.2 定位技术
4.2.1 传感器网络节点定位问题
1、定位的含义
在传感器网络的很多应用问题中，没有节点位置 信息的监测数据往往 是没有意义的。
无线传感器网络定位 问题的含义是指自组织的 网络通过特定方法提供节 点的位置信息。
-100 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
距 离 （ m）
无线信号接收强度指示与信号传播距离之间的关系
RSSI(dBm)
4.2.2 基于测距的定位技术
(2)到达时间/到达时间差(ToA/TDoA)
To A 测距原理的过程示例
4.2.2 基于测距的定位技术
(3)到达角(AoA)
ToA 测距原理的过程示例