第6章 传感器网络协议的技术标准

第一章物联网：通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

无线传感器网络综合了计算技术、通信技术及传感器技术，其任务是利用传感器节点来监测节点周围的环境，收集相关数据，然后通过无线收发装置采用多跳路由的方式将数据发送给汇聚节点，再通过汇聚节点将数据传送到用户端，从而达到对目标区域的监测。

无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点。

典型的无线传感器网络结构包括哪几部分？一般情况下由以下四个基本单元组成：数据采集单元、控制单元、无线通信单元以及能量供应单元。

无线传感器网络基本节点拓扑结构可分为基于簇的分层结构和基于平面的拓扑结构两种选择题：无线传感器网络可实现数据的采集量化，处理融合和传输应用，具有无线自组织网络的移动性、电源能力局限性，规模大、自组织性、动态性、可靠性、以数据为中心等等。

第2章无线传感器网络物理层的传输介质主要包括电磁波和声波。

无线电波、红外线、光波等负责使在两个网络主机之间透明传输二进制比特流数据成为可能，为在物理介质上传输比特流建立规则，以及在传输介质上收发数据时定义需要何种传送技术。

无线传感器网络物理层接口标准对物理接口具有的机械特性、电气特性、功能特性、规程特性进行了描述。

作为一种无线网络，无线传感器网络物理层协议涉及传输介质以及频段的选择、调制、扩频技术方式等，同时实现低能耗也是无线传感器网络物理层的一个主要研究目标。

IEEE 802.15.4 该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为关键目标，旨在个人或者家庭范围内不同设备之间建立统一的低速互连标准。

有16个信道工作于2.4GHz ISM频段，2.4GHz频段提供的数据传输速率为250kb/s，对于高数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合更加适用有1个信道工作于868MHz频段以及10个信道工作于915MHz频段。

物联网行业物联网传感器研发方案第一章绪论 (2)1.1 研究背景 (2)1.2 研究目的与意义 (2)1.3 研究内容与方法 (3)第二章物联网传感器概述 (3)2.1 物联网传感器定义与分类 (3)2.2 物联网传感器技术发展趋势 (4)2.3 物联网传感器在行业中的应用 (4)第三章传感器研发流程 (5)3.1 需求分析与规划 (5)3.2 设计与仿真 (5)3.3 硬件开发与选型 (6)3.4 软件开发与集成 (6)第四章传感器功能优化 (6)4.1 传感器功能指标分析 (6)4.2 传感器功能优化方法 (7)4.3 传感器功能测试与验证 (7)第五章传感器网络协议 (8)5.1 传感器网络协议概述 (8)5.2 常用传感器网络协议介绍 (8)5.2.1 ZigBee协议 (8)5.2.2 6LoWPAN协议 (8)5.2.3 LoRaWAN协议 (8)5.3 传感器网络协议的选择与优化 (8)第六章数据处理与分析 (9)6.1 传感器数据预处理 (9)6.1.1 数据清洗 (9)6.1.2 数据归一化 (9)6.1.3 数据降维 (9)6.2 数据分析方法 (10)6.2.1 描述性分析 (10)6.2.2 关联性分析 (10)6.2.3 聚类分析 (10)6.3 数据可视化与展示 (10)6.3.1 数据可视化方法 (10)6.3.2 数据展示平台 (11)第七章安全与隐私保护 (11)7.1 物联网传感器安全需求 (11)7.2 传感器安全机制设计 (11)7.3 隐私保护策略 (12)第八章传感器应用案例 (12)8.1 智能家居 (12)8.2 工业监测 (12)8.3 环境监测 (13)第九章传感器产业现状与发展趋势 (13)9.1 传感器产业现状 (13)9.2 传感器产业政策与标准 (14)9.3 传感器产业发展趋势 (14)第十章总结与展望 (14)10.1 研究总结 (14)10.2 存在问题与挑战 (15)10.3 未来研究方向与建议 (15)第一章绪论1.1 研究背景信息技术的飞速发展，物联网（Internet of Things, IoT）作为新一代信息技术的重要分支，已成为全球范围内产业转型升级的关键推动力。

无线传感器网络复习资料第一章概述1、什么是无线传感器网络?无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。

2、传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别是什么?（1）传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块、电源模块和嵌入式软件系统（2）传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。

另外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。

3、传感器网络的体系结构包括哪些部分？各部分的功能分别是什么？（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。

（2）网络管理平台：主要是对传感器结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。

这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。

（3）应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。

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。

第二章微型传感器的基本知识1、传感器由哪些部分组成？各部分的功能是什么？传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。

敏感元件是传感器中能感受或响应被测量的部分。

转换元件是将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的信号（一般指电信号）部分。

基本转换电路可以对获得的微弱电信号进行放大、运算调制等。

另外，基本转换电路工作时必须有辅助电源。

2、集成传感器的特点是什么?体积小、重量轻、功能强、性能好。

⽆线传感器⽹络复习⼤纲第⼀章1. 传感器（chapter1/10）⼀种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按⼀定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出。

2. ⽆线传感器⽹络传感器节点之间通过⽆线⽅式，采⽤⾃组织多跳的形式组成⼀个传感器⽹络，利⽤各类集成化微型传感器实施监测、感知和采集各种环境信息或监测对象的信息。

将收集到的信息以⽆线⽅式通过多跳路径传送到⽤户终端，传输过程中会对信息进⾏各种处理，使其能够满⾜特定对象的需求（如以图表等形式出现在⼈们眼前等），从⽽实现物理世界、计算世界和⼈类社会的连通。

3. 传感器节点包括：数据采集模块、数据处理和控制模块、通信模块、供电模块。

4. ⽆线传感器⽹络的关键性能指标：⽹络⼯作寿命、⽹络覆盖范围、⽹络的搭建成本和难易程度、⽹络响应时间。

5. 数据融合：对收集到的多份数据或信息进⾏处理，组合出更⾼效、更符合⽤户需求的数据的过程。

数据融合的作⽤：节省能量、获取更准确信息、提⾼数据收集效率。

第⼆章1. WSN的四类基本实体对象，它们之间的关系是怎样的？（p.11）4类基本实体对象：⽬标、传感器节点、汇聚节点和监测区域。

关系：在⽹络中，⼤量传感器节点随机部署在⽬标的邻近区域，通过⾃组织⽅式构成⽹络，形成对⽬标的监测区域。

传感器节点对⽬标进⾏检测了，获取的数据经本地简单处理后，再通过邻近传感器节点采⽤⽆线多跳的⽅式传输到汇聚节点。

汇聚节点再通过有线或⽆线⽅式将信息传递到外部⽹络。

2. 汇聚节点在WSN中的两种⾓⾊⽹内：作为信息收集点，被授权监听和处理⽹络的事件消息和数据作为控制者，可向⽹络发出查询请求或派发任务⽹外：作为⽹关，通过各种有线或⽆线链路连接到远端控制单元和⽤户3. ⽆线传感器⽹络的3种⽹络结构及其优缺点。

（1）平⾯⽹络结构所有节点地位平等，每个节点能和通信范围内所有节点通信，完全连接的⽹络优点：容错性强，少数节点失效不影响⽹络正常⼯作缺点：每个节点要维护庞⼤的路由记录，占⽤有限⽹络带宽（2）聚类分层的⽹络结构将⽹络分成若⼲个簇（cluster），每个簇包含⼀个簇头节点和多个簇成员。

南京邮电大学硕士研究生学位论文术语表术语表Adaptive Threshold sensitive Energy APTEEN 自适应敏感阀值节能型传感网络协议CDMA码分多址Code Division Multiple AccessCSMA 载波侦听多路访问Carrier Sense Multiple AccessDD 定向扩散Directed DiffusionGEAR 地理和能量感知路由Geographic and Energy Routing LEACH 低功耗自适应分簇协议介质访问控制Media Access ControlMCU 微控制单元Micro-Controller UnitPEGASIS Po-Efficient Gathering in SensorInformation System服务质量Quality of Service信息协商传感协议Sensor Protocol for Information viaNegotiationTCP 传输控制协议Transfer Control ProtocolTDMA 时分多址Time Division Multiple AccessTEEN 敏感阀值节能型传感网络协议Threshold sensitive Energy Efficient sensorNetwork protocol用户数据包协议User Datagram ProtocolWSN 无线传感器网络Wireless Sensor Network南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

《无线传感器网络设计与应用》课程标准课程名称：无线传感器网络设计与应用总学时：60学分：4开课单位：电气信息工程学院课程类别：专业拓展课授课方式：教、学、做一体化适用专业：电子信息工程技术专业、应用电子技术专业一、课程性质《无线传感器网络设计与应用》是电子信息工程技术专业、应用电子技术专业的一门专业拓展课。

二、课程设计思路《无线传感器网络设计与应用》课程采用“基础理论——项目化实践”的组织结构组织课程教学内容。

首先，通过基本理论的教学，使同学们了解无线传感器网络的发展历程、特征、关键技术以及应用方向。

其次，通过师生共同完成一系列完整项目的形式开展教学活动。

教师边示范，边讲解，边指导，学生边学、边做、边实践。

实现在“教中学”，在“学中做”，在“做中学”，教、学、做合一。

使学生在项目实施过程中收获知识，提高技能，掌握方法，感受实际工作过程。

三、课程基本目标本课程培养目标分为方法能力、专业能力和社会能力：1、方法能力（1）掌握搜集、整理、应用“无线传感器网络”相关学习资源的方法；（2）掌握无线传感器网络应用系统功能需求分析、系统设计、软硬件联合调试的方法；2、专业能力（1）了解无线传感器网络体系结构、路由协议、MAC协议、拓扑控制、定位技术、时间同步、安全技术、协议标准；（2）掌握IAR Embedded Workbench软件的使用；（3）掌握以TI CC2530 SoC芯片为CPU的应用系统硬件电路设计；（4）掌握TI CC2530 SoC芯片祼机软件开发；（5）掌握基于CC2530硬件平台和IAR软件平台的Zigbee Zstack协议栈应用开发。

3、社会能力（1）具有良好的职业道德和社会责任感、工作责任心，能主动参与到工作中；（2）具有团队协作精神，能主动与人合作、交流和协商；（3）具有群体意识和劳动组织能力。

（4）具有诚实守信的品质，树立环保、节能和安全意识。

四、先修课程《无线传感器网络设计与应用》课程的先修课程有《程序设计基础》、《传感器的选择与应用》、《单片机应用设计与制作》。

第一章无线传感网概述1.无线传感器网络的概念：无线传感器网路是一种由多个无线传感器节点和几个汇聚节点构成的网络，能够实时的检测、感知和采集节点部署区域的环境或感兴趣的的感知对象的各种信息，并对这些信息进行处理后一无线的方式发送出去。

2.WSN的特点及优势1）WSN与Ad hoc共有的特征：自组织；分布式；节点平等；安全性差2）WSN特有的特征：计算能力不高；能量供应不可代替；节点变化性强；大规模网络3.无线传感器网络架构：1）协议：物理层，数据链路层，网络层，传输层，应用层物理层：负责载波频率产生、信号的调制解调等工作，提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术。

数据链路层：（1）媒体访问控制。

（2）差错控制。

网络层：负责路由发现和维护，是无线传感器网络的重要因素。

传输层：负责将传感器网络的数据提供给外部网络，也就是负责网络中节点间和节点与外部网络之间的通信。

应用层：主要由一系列应用软件构成，主要负责监测任务。

这一层主要解决三个问题：传感器管理协议、任务分配和数据广播管理协议，以及传感器查询和数据传播管理协议。

2）管理平台：（1）能量管理平台（2）移动管理平台（3）任务管理平台（1）管理传感器节点如何使用资源，在各个协议层都需要考虑节省能量。

（2）检测传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。

（3）在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。

4.无线传感器网络所面临的挑战：低能耗，实时性，低成本，安全和抗干扰，协作第二章无线传感网物理层设计1.WSN物理层频率的选择：一般选用工业，科学和医疗频段。

ISM（医疗）频段的主要优点是无需注册的公用频段、具有大范围可选频段、没有特定标准、灵活使用。

欧洲使用433MHZ，美国使用915MHZ频段2.WSN结构采用的是无线射频通信第三章数据链路层1.MAC协议分类：1）按节点的接入方式：侦听（间断侦听：DEANAdeng），唤醒（低功耗前导载波侦听MAC协议），调度（主要使用在广播中）2）按信道占用数划分：单信道（主要采用），双信道，多信道3）信道分配方式：竞争型（S-MAC，T-MAC,Sift），分配型（SMACS，TRAMA），混合型（ZMAC），跨层型2.分配型MAC协议采用TDMA,CDMA,SDMA,FDMA等技术3.数据链路层的关键问题：能量效率问题，可扩展性，公平性，信道共享，网络性能的优化4.记忆竞争的S-MAC协议，具有以下特点：（1）周期性的侦听和睡眠（2）使用虚拟载波侦听和物理载波侦听进行冲突避免（3）自适应侦听（4）将长消息分成子段进行消息传递5.基于竞争的T-MAC协议：为了改进S-MAC协议不能根据网络负载调整自己的调度周期的缺点，T-MAC协议根据一种自适应占空比的原理，通过动态地调整侦听与睡眠时间的比值，从而实现节省能耗的目的。

《物联网技术及应用》课程教学大纲课程名称：物联网技术及应用课程编码：暂不填写学分： 2.0 总学时：32理论学时： 32 实验学时： 0 上机学时： 0 实践学时：0开设实验（上机）项目总数 0 个，其中，必修（0）个，选修（0）个开课单位：物联网工程学院自动化系适用专业：自动化一、课程的性质、目的该课程是物联网学院自动化专业的专业选修课，旨在帮助学生对物联网有一个整体认识，掌握其体系结构和相关技术。

通过对自动识别技术与RFID、传感技术、定位系统、智能信息设备的学习，掌握感知识别层的基本知识；通过对无线宽带网、无限低速网、移动通信网的学习，掌握网络构建层的基本知识；通过对大数据与海量信息存储、数据库系统、物联网中的信息安全与隐私保护的学习，掌握管理服务层的基本知识；通过对智能交通、智能物流、智能建筑等系统的学习，了解物联网技术在多个领域中的应用；最后还应将物联网前沿状况介绍给学生。

在这个过程中强调掌握物联网涉及的基本概念和知识，提高自身对不断变化的物联网的适应能力。

二、课程培养目标1.立德树人通过课程学习了解物联网技术的发展历史以及其应用成果，明确科技进步和科技创新对国民经济的发展、国家军事力量的进步所发挥的作用，引领学生树立为中华民族伟大复兴的中国梦努力奋斗的信念。

通过介绍国家在物联网领域所取得的进步和发展，培养学生的民族自豪感和民族自信心。

通过介绍我国物联网领域的前沿发展，引导学生树立家国情怀、民族精神以及敢为人先、开拓创新、追究卓越的科学精神。

同时要意识到我国在一些领域与国外还存在较大差距，激发学生承担社会责任，以国家富强、民族复兴为己任，努力学习。

2.课程目标通过本课程的学习，学生所具备的素质、掌握的技能、知识和能力如下：课程目标1. 使学生了解一定的物联网相关技术。

掌握低频、高频、超高频和2.4G 有源RFID 读写器的原理及应用；了解低功耗WiFi、ZigBee、Bluetooth 4.0 BLE等多种无线传感网络。

高纲1353江苏省高等教育自学考试大纲30451 无线传感器网络南京理工大学编江苏省高等教育自学考试委员会办公室Ⅰ课程性质与课程目标一、课程性质和特点《无线传感器网络》是江苏省高等教育自学考试电子工程专业的必修课，是为了培养和检验自学应考者的通信工程、信息工程基本知识和基本技能而设置的一门专业课程。

无线传感器网络是集传感器技术、微电机技术、现代网络和无线通信技术于一体的综合信息处理平台，具有广泛的应用前景，是计算机信息领域最活跃的研究热点之一。

通过本课程的学习，要求学生掌握无线传感器网络的体系结构和网络管理技术，着重掌握无线传感器网络的通信协议，了解无线传感器网络的节点定位、目标跟踪和时间同步等几大支撑技术，为在基于无线传感器网络的系统开发和应用中，深入利用关键技术，设计优质的应用系统打下基础。

二、课程目标本课程主要讲授传感器网络的基本概念、基本原理与基本方法，并介绍国内外的最新技术发展和当前的研究热点。

课程设置的目标是：1.通过本课程让学生了解无线传感器网络的体系结构和网络管理技术。

2.掌握无线传感器网络中的物理层协议、MAC协议、路由协议、拓扑控制协议以及无线网络协议IEEE802.15.4等通信协议。

3.了解无线传感器网络的节点定位、目标跟踪和时间同步等几大支撑技术。

4.掌握基于无线传感器网络的智能应用的基本设计方法，掌握其软硬件开发平台和仿真环境的使用。

三、与相关课程的联系与区别本课程的先修课程为《通信原理》、《计算机网络技术》Ⅱ考核目标用学科化的语言对三个或四个认知层次予以表述。

以《物理（工）》课程为例：本大纲在考核目标中，按照识记、领会、简单应用和综合应用四个层次规定其应达到的能力层次要求。

四个能力层次是递升的关系，后者必须建立在前者的基础上。

各能力层次的含义是：识记（Ⅰ）：要求考生能够识别和记忆本课程中有关物理概念及规律的主要内容（如定义、定理、定律、表达式、公式、原理、重要结论、方法及特征、特点等），并能够根据考核的不同要求，做正确的表述、选择和判断。

第一章概述1、什么是无线传感器网络无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。

2、传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成这些组成模块的功能分别是什么（1）传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块、电源模块和嵌入式软件系统（2）传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。

另外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。

3、传感器网络的体系结构包括哪些部分各部分的功能分别是什么（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。

（2）网络管理平台：主要是对传感器结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。

这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。

（3）应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。

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。

第二章微型传感器的基本知识1、传感器由哪些部分组成各部分的功能是什么传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。

敏感元件是传感器中能感受或响应被测量的部分。

转换元件是将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的信号（一般指电信号）部分。

基本转换电路可以对获得的微弱电信号进行放大、运算调制等。

另外，基本转换电路工作时必须有辅助电源。

2、集成传感器的特点是什么体积小、重量轻、功能强、性能好。

3、如何进行传感器的正确选型（1）测量对象与环境：分析被测量的特点和传感器的使用条件选择何种原理的传感器。

无线传感器网络传输协议研究进展摘要本文介绍了无线传感器网络协议栈,并说明标准tcp协议不能直接用于无线传感器网络的原因。

在指出无线传感器网络传输协议设计约束的基础上,对其研究现状进行综述。

关键字无线传感器网络(wsn);协议栈;传输协议研究;综述中图分类号 tp393 文献标识码 a 文章编号1674-6708(2010)18-0135-020 引言无线传感器网络(wsn,wireless sensor networks) 被认为是本世纪最重要的技术之一,已经成为国内外的研究热点。

wsn综合了通信、传感器、分布式信息处理、嵌入式等技术,通常由传感器节点、汇聚节点和管理节点组成,能够协作地实时监测、感知目标区域内被监测对象的信息,广泛应用于国防、智能建筑、公共安全、环境监测、医疗卫生、家庭等方面[1-3]。

无线传感器网络节点是资源(特别是能量)受限的,无法长时间维持大量信息传输。

从网络协议的角度来研究能量的有效性或如何节省能量以便延长网络寿命,是人们关注的重点之一。

以往,无线传感器网络协议的研究热点主要集中在物理层、数据链路层和网络层。

关于传输层协议的研究较少且不成熟。

近来,这方面的研究有逐渐增加的趋势。

本文首先介绍了无线传感器网络协议栈,其次分析了标准tcp协议直接用于无线传感器网络的不足之处,最后指出无线传感器网络传输协议的设计约束条件。

并以此为基础,对目前国内关注仍不多的无线传感器网络传输层协议研究进行综述。

1 wsn协议栈无线传感器网络协议栈由物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层5部分组成,和互联网协议栈的五层协议相对应[4]。

如图1所示。

物理层:数据收集、采样、发送、接收,以及信号的调制解调。

数据链路层:媒体接入控制,网络节点间可靠通信链路的建立,为邻居节点提供可靠的通信通道。

网络层:发现和维护路由。

应用层:提供安全支持,实现密钥管理和安全组播。

传输层:为端到端的连接提供可靠的传输、流量控制、差错控制、qos等服务。