无线传感器网络技术.pptx

• 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

应用相关 ：由于应用环境区别很大，传感网路
由机制由应用确定
22
设计无线传感器网络路由机制的要求
(1) 能量高效 (2) 可扩展性 (3) 鲁棒性：路由机制有一定的容错能力。 (4) 快速收敛性 ：路由表更新，并将分组
发送到新的接口所用的时间。
23
路由协议分类
根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感度不同，可以将 路由协议分为四种类型：
(1)能量感知路由协议。早期传感网络路由协议仅考虑能量 因素，如能量路由算法和能量多路径路由算法。
(2)基于查询的路由协议。实时监测应用中，以数据查询为 主，通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的命令 和数据传输，同时传感器节点通常进行数据融合。
(3)地理位置路由协议。目标跟踪应用中，需要知道节点的 地理位置，以此作为路由依据。
通常采用微型电池。
14
3.无线传感器网络的协议体系
❖ 图a是早期协议栈模型，与互联网五层协议栈 对应
❖ 图b是细化后的协议栈模型
时间同步和定位子层既要依赖于数据传输通道进 行协作定位和时间同步协商，又要为其他各层提 供信息支持，如基于时分复用的MAC协议，基于 地理位置的路由协议等。
b右边诸多机制一部分融入到协议中，另一部分
19
MAC协议分类标准:
❖ 缺乏统一的分类标准，采用以下几种： 采用分布式控制还是集中控制 使用单一共享信道还是多个信道 采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式
20
采用第三种标准的MAC协议分类:
(1) 采用无线信道的时分复用方式，给每个传感器节点分配固 定的无线信道使用时段，从而避免节点之间的相互干扰。 包括基于分簇网络的MAC协议、DEANA协议、基于周期性 调度的协议、TRAMA协议、DMAC协议等。

设置了高频通讯的若干寄存器，将高频通讯的处理，
简化为对寄存器的简单读、写操作处理。
对这些寄存器进行读、写操作，就可以轻松完成无线 通讯功能。
2020/10/31
江苏大学 机械学院 仪器系
8
无线数据通讯和无线单片机发展背景
➢ 未来嵌入式无线技术市场
短距离/嵌入式无线通讯正在加速产品化，进入我们生活
采用“蓝牙”无线耳机，在美国使用得非常广泛，几乎人手一个 无线键盘和无线鼠标，基本占领了键盘鼠标市场 儿童玩游戏的手柄，已经基本无线化 日本任天堂最新的游戏机采用了带有无线加速度传感器的新手柄。
(4学时) (6学时) (6学时) (12学时)
教材及主要参考书：
1、无线传感器网络原理与应用，姚向华，高等教育出版社 2、短距离无线数据通信入门与实战，北京航空航天大学出版社，李文仲等编著，2006 3、ZigBee无线网络技术入门与实战，北京航空航天大学出版社，李文仲等编著，2007 4、无线传感器网络技术，李晓维，北京理工大学出版社，2007-8-1 5、无线传感器网络简明教程，崔逊学，清华大学出版社 6、无线传感器网络，孙利民，清华大学出版社 7、智能无线传感器网络，于海斌，科学出版社
2020/10/31
江苏大学 机械学院 仪器系
6
无线数据通讯和无线单片机发展背景
➢ 这种情况到2003年开始有了改变。在欧洲的挪威，冒 出了两家创新公司，分别是CHIPCON (2006年被TI公司2 亿美元收购)。另一家是Nordic 公司。
➢ 这两家公司采用CMOS高频技术，将无线芯片完全集成 到芯片内部，外部只有很少的元件，同时使电路板设计简化。 另外，他们也将8051单片机和高频电路进行集成在一个芯 片内，这就诞生了“无线单片机”。射频SoC 单片机 (简称 无线单片机)的出现，为不具备无线通讯经验和高频电路经 验的电子工程师，提供了非常简单的解决方案。这是因为：

42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
无线传感器网络ห้องสมุดไป่ตู้
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹

设置了高频通讯的若干寄存器，将高频通讯的处理，
简化为对寄存器的简单读、写操作处理。
对这些寄存器进行读、写操作，就可以轻松完成无线 通讯功能。
2020/10/31
江苏大学 机械学院 仪器系
8
无线数据通讯和无线单片机发展背景
➢ 未来嵌入式无线技术市场
短距离/嵌入式无线通讯正在加速产品化，进入我们生活
采用“蓝牙”无线耳机，在美国使用得非常广泛，几乎人手一个 无线键盘和无线鼠标，基本占领了键盘鼠标市场 儿童玩游戏的手柄，已经基本无线化 日本任天堂最新的游戏机采用了带有无线加速度传感器的新手柄。
➢ 短距离无线通讯，目前向两个方面发展：
一是高速度，每秒数据传输量几十/几百M 位。
二是低功耗，一个小小电池，可以用5-10年，象ZIGBEE网络。
➢ 这些发展又在不断地孵化出崭新的应用和产品。
➢ 新标准，新技术，每时每刻都在涌现，我们必须注意跟踪。
2020/10/31
江苏大学 机械学院 仪器系
18
2020/10/31
江苏大学 机械学院 仪器系
14
➢ 学习敢于创新
尝试用学到的单片机和无线通讯的知识，结合各种无 线应用，设计一些自己感兴趣的应用项目。无线单片机应 用范围非常广泛。
用在无线家庭设备，报警设备，遥控设备等。 依据课程的相关电路和软件代码程序，根据自己的应用对象修改设计，
形成新的功能、新的产品。在这个修改、动手设计过程中，会遇到很 多困难，需要解决很多意想不到的难题，克复这些困难，就理解了这 些基本内容的实质。 通过不断地思考-动手-再思考-再创新的循环，就能精通掌握。 也可以通过参加各种竞赛和设计项目，来丰富自己的知识面，加深 对这门课程的理解。
课程重点

2
本章内容简介
☆无线传感器网络概述 ☆无线传感器网络的体系结构 ☆无线传感器网络的通信协议 ☆无线传感器网络的应用 ☆无线传感器网络的研究进展 ☆无线传感器网络的仿真
无线网络教学平台 /wireless
Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press
无线网络教学平台 /wireless
Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press
5
WSN与传统网络区别特性
无线传感器网络的特性 ☆WSN是集成了监测、控制以及无线通信的网络
系统，节点数目庞大、分布密集。
13
WSN宏观系统框架
无线传感器网络包含传感器节点(Sensor Node)、 汇聚节点(Sink Node)和管理节点(Manager Node)
第7章 无线传感器网络
\
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
无线网络教学平台 /wireless
Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press
3
无线传感器网络概述
无线传感器网络的背景
☆通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞 速发展和日渐成熟 ☆各种具备感知、计算和通信能力的微型传感器 的出现 ☆由许多微型传感器共同构成的无线传感器网络 备受关注 ☆WSN可使人们在任何时间、任何地点和任何环 境条件下获得大量详实可靠的物理世界的真ss

35
1、基于距离的定位
基于距离的定位机制（range-based）是通过测量相邻节点 间的实际距离或方位进行定位的。分为三个阶段
1）测距阶段。首先未知节点通过测量接收到信标节点发出 信号的某些参数，如强度、到达时间、达到角度等，计算 出未知节点到信标节点之间的距离，这个测量出来的距离 可能是未知节点到信标节点的直线距离，也可能是二者之 间的近似直线距离。
48
2、入侵检测技术 入侵检测可以被定义为识别出正在发生的入侵 企图或已经发生的入侵活动过程 分类 基于误用的检测 基于异常的检测 基于规范的检测
49
入侵检测框架
50
国内和国际有多项标准与无线传感器网络具有关联 性，其中明确提出其研究对象为无线传感器网络标 准的组织包括国内WGSN标准工作组和国际ISO/IEC JTC1 WG7工作组
39
3、查询处理技术 动态数据查询：数据仅在一个小的时间窗内有效 历史数据查询：对检测到的历史数据进行检测、 分析走势等，此类查询通常认为每个数据都是同 等重要的，是不可缺少的
40
四、目标跟踪技术 目标跟踪是指为了维持对目标当前状态的估计， 同时也是对传感器接收的量测进行处理的过程 基本原理：当有目标进入监测区域时，由于目标 的辐射特性（通常是红外辐射特征）、声传播特 征和目标运动过程中产生的地面震动特征，传感 器会探测到相应的信号
3
二、无线传感器网络的应用领域 军事 农业 医疗 建筑工程与建筑物 智能建筑与市政建设管理
4
三、无线传感器网络的特点 体积小、电源能力有限 计算和存储能力有限 分布式、多跳自组织 通信半径小、带宽低 动态性强 以数据为中心
5
四、无线传感器网络的关键技术 网络拓扑控制 网络协议 时间同步 定位技术 数据管理 网络安全