第2.1讲 无线传感器网络技术-物理层

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。

一、无线传感器网络的概述1、无线传感器网络定义，无线传感器网络三要素，无线传感器网络的任务，无线传感器网络的体系构造示意图，组成局部〔P1-2〕定义：无线传感器网络〔wireless sensor network, WSN〕是由部署在监测区域内大量的本钱很低、微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观看者或者用户另一种定义：无线传感器网络(WSN)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，目的是协作地采集、处理和传输网络掩盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户三要素：传感器，感知对象和观看者任务：利用传感器节点来监测节点四周的环境，收集相关的数据，然后通过无线收发装置承受多跳路由的方式将数据发送给会聚节点，再通过会聚节点将数据传送到用户端，从而到达对目标区域的监测体系构造示意图：组成局部：传感器节点、会聚节点、网关节点和基站2、无线传感器网络的特点〔P2-4〕（1）大规模性且具有自适应性（2）无中心和自组织（3）网络动态性强（4）以数据为中心的网络（5）应用相关性3、无线传感器网络节点的硬件组成构造〔P4-6〕无线传感器节点的硬件局部一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块4 局部组成。

4、常见的无线传感器节点产品，几种Crossbow 公司的Mica 系列节点〔Mica2、Telosb〕的硬件组成〔P6〕5、无线传感器网络的协议栈体系构造〔P7〕1.各层协议的功能应用层：主要任务是猎取数据并进展初步处理，包括一系列基于监测任务的应用层软件传输层：负责数据流的传输掌握网络层：主要负责路由生成与路由选择数据链路层：负责数据成帧，帧检测，媒体访问和过失掌握物理层：实现信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等功能2.治理平台的功能（1）能量治理平台治理传感器节点如何使用能源。

无线传感器网络知识点归纳一、无线传感器网络的概述1、无线传感器网络定义，无线传感器网络三要素，无线传感器网络的任务，无线传感器网络的体系结构示意图，组成部分（P1-2）定义：无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）是由部署在监测区域内大量的成本很低、微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观察者或者用户另一种定义：无线传感器网络(WSN)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，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户三要素：传感器，感知对象和观察者任务：利用传感器节点来监测节点周围的环境，收集相关的数据，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体系结构示意图：组成部分：传感器节点、汇聚节点、网关节点和基站2、无线传感器网络的特点（P2-4）（1）大规模性且具有自适应性（2）无中心和自组织（3）网络动态性强（4）以数据为中心的网络（5）应用相关性3、无线传感器网络节点的硬件组成结构（P4-6）无线传感器节点的硬件部分一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块4部分组成。

4、常见的无线传感器节点产品，几种Crossbow公司的Mica系列节点（Mica2、Telosb）的硬件组成（P6）5、无线传感器网络的协议栈体系结构（P7）1.各层协议的功能应用层：主要任务是获取数据并进行初步处理，包括一系列基于监测任务的应用层软件传输层：负责数据流的传输控制网络层：主要负责路由生成与路由选择数据链路层：负责数据成帧，帧检测，媒体访问和差错控制物理层：实现信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等功能2.管理平台的功能（1）能量管理平台管理传感器节点如何使用能源。

无线传感器网络中的通信原理与技术无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由许多分布在广域范围内的自组织传感器节点组成的网络系统。

这些节点通过无线通信技术相互连接，协同工作以完成特定的任务。

本文将介绍无线传感器网络中的通信原理与技术。

一、无线传感器网络的通信原理无线传感器网络中的通信原理是基于信号传输和信息交换的。

无线传感器节点通过无线通信模块将感知到的环境信息转换为数字信号，并将信号传输给其他节点或基站。

传感器节点之间的通信依赖于以下几个原理：1.1 无线信号传输无线传感器节点之间的通信基于无线信号传输技术，通常使用的技术包括无线电频率、红外线和激光等。

其中，无线电频率是最常用的通信技术，它通过调制和解调技术将数字信息转换成无线电信号进行传输。

传感器节点通过接收和解码无线电信号来获取其他节点发送的信息。

1.2 自组织网络拓扑无线传感器网络中的节点是根据自组织网络拓扑原理进行组织和协同工作的。

自组织网络拓扑包括星形、网状和树状等结构。

其中，星形拓扑由一个中心节点连接多个传感器节点组成；网状拓扑是节点之间相互连接形成的网络结构；树状拓扑是由一个或多个父节点连接多个子节点组成的层次结构。

1.3 多跳通信由于无线传感器节点的通信范围有限，无法直接与所有其他节点进行通信。

所以，多跳通信原理被引入到无线传感器网络中。

节点通过与邻近节点的多次通信来实现与远距离节点的通信。

其中，中继节点起到重要的作用，它们负责将数据从一个节点传输到另一个节点。

二、无线传感器网络的通信技术无线传感器网络的通信技术涉及多个层次，包括物理层、数据链路层、网络层和应用层。

以下是其中几种常用的通信技术：2.1 低功耗无线通信技术由于无线传感器节点电量有限，低功耗无线通信技术被广泛应用。

其中，ZigBee是一种常见的低功耗无线通信技术，它适用于小范围、低速率的数据传输。

其他常用的低功耗通信技术包括Bluetooth Low Energy（BLE）和Z-Wave等。

无线传感器网络技术概述-2019年精选文档-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII无线传感器网络技术概述无线传感器网络被普遍认为是二十一世纪最重要的技术之一，是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，是由传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成的网络。

在无线传感器网络中各传感器节点能够相互协作完成感知、采集网络覆盖区域内的各种环境或监测对象的信息，对这些信息进行处理，以获得详实而准确的信息，并通过无线多跳方式传送给需要这些信息的用户[2]。

可以说由计算机技术、传感器技术、无线通信技术相结合产生的无线传感器网络实现了物理世界、信息世界与人类社会三元世界的连通，将会对人类社会的生产和生活产生深远而积极的影响。

一、无线传感网络的体系结构（一）传感器节点结构。

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点以无线多跳通信方式形成的自组织网络系统，其中的传感器节点能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给用户。

无线传感器网络中最基本的组成要素是传感器节点，它由数据采集单元、处理器单元、数据传输单元和能量供应单元四部分组成[2]。

如图1所示。

数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，借助形式多样的传感部件，传感器节点能够感知温度、湿度、噪声、移动物体的大小、速度和方向等信息。

处理单元负责控制整个传感器节点的操作、存储和处理数据信息。

数据传输单元负责与其他传感器节点交换控制信息和传输采集到的数据信息。

能量供应单元为传感器节点各部件提供运行所需的能量，通常采用微型电池。

（二）网络体系结构。

无线传感器网络的体系结构如图2所示，通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点[1]。

大量传感器节点随即部署在监测区域内部或附近，以自组织的方式构成网络。

传感器节点产生的数据以不同的路由方式沿着其他传感器节点逐跳传输，在传输的过程中，可能被多个节点处理，然后传输到汇聚节点。