《无线传感器网络》PPT课件

(
x1
(
x1
x)2 x)2
( y1
(y2
y)2 y)2
ρ12 ρ22
(xn x)2 ( yn y)2 ρn2
(4-3)
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
X(ATA)1ATb
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
第4章 定位技术
4.1.2 定位算法分类 在传感器网络中，根据定位过程中是否测量实际节点间
的距离，把定位算法分为基于距离的(range-based)定位算法 和与距离无关的(range-free)定位算法，前者需要测量相邻节 点间的绝对距离或方位，并利用节点间的实际距离来计算未 知节点的位置；后者无需测量节点间的绝对距离或方位，而 是利用节点间估计的距离计算节点位置。
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
第4章 定位技术
4.1 定位技术简介
4.1.1 定位技术的概念、常见算法和分类 1. 无线传感器网络定位技术概念 在传感器网络节点定位技术中，根据节点是否已知自身
标为(x，y)。对于节点A、C和∠ADC，确定圆心为O1(xO1， yO1)、半径为r1的圆，，则
(xO1 x1)2 (yO1 y1)2 r1
(xO1 x2)2 (yO1 y2)2
r1
(x1
x3)2
(y1

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
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3. MC1322X系列 MC13224是MC1322X系列的典型代表，是飞思卡尔公 司研发的第三代Zigbee解决方案。它集成了完整低功耗 2.4GHz无线电收发器，基于32位ARM7核的MCU，是高密 度低元件数IEEE802.15.4综合解决方案，能实现点对点连 接和完整的Zigbee网状网络。 MC13224支持国际802.15.4标准以及ZigBee、 ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE标准，提供了优秀的接收器灵 敏度和健壮的抗干扰性，具有多种供电模式，以及一套常 用的外设集(包括2个高速UART、12位ADC和64个通用 GPIO、4个定时器、I2C等)。
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2) 时钟和电源管理 数字内核和外设由一个1.8V低差稳压器供电。另外， CC253X系列芯片包括一个电源管理功能，可以实现使用不 同供电模式，用于延长电池的寿命，有利于低功耗运行。 3) 外设 CC253X系列芯片有许多不同的外设，允许应用程序设 计者开发先进的应用。这些外设包括调试接口、I/O控制器、 两个8位的定时器、一个16位的定时器、一个MAC定时器、 ADC和AES协处理器、看门狗电路、两个串口和USB(仅限 于CC2531)。
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6.2 应用系统组成
Zigbee是一种短距离的无线通信技术，其应用系统由 硬件和软件组成。本节将详细讲解比较常见的Zigbee芯片 及Zigbee协议栈。
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
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

8表21频段划分及主要用途频段符号频率波段波长传播特性主要用途甚低频vlf330khz超长波10010km空间波为主对潜通信低频lf30300khz长波101km地波为主对潜通信中频mf033mhz中波1000100m地波与天波通用业务无线电广播高频hf330mhz短波10010m天波与地波远距离短波通信甚高频vhf30300mhz米波101m空间波空间飞行器通信超高频uhf033ghz分米波101m空间波微波通信特高频shf330ghz厘米波101cm空间波卫星通信极高频ehf30300ghz毫米波101mm空间波波导通信9无线传感器网络在频段的选择上也必须按照相关的规定来使用
11 尽管频段的选择由很多因素决定，但对于无线传感器
网络来说，必须根据实际应用场合来选择。因为频率的选
择决定了无线传感器网络节点的天线尺寸、电感的集成度 以及节点功耗。
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2.3 通信信道
信道是信号传输的媒质。通信信道包括有线信道和无
线信道。有线信道包括同轴电缆、光纤等。无线信道是无 线通信发送端和接收端之间通路的形象说法，它以电磁波
S (t ) A(t )sin[2πf (t ) (t )]
(2-11)
34 式中，正弦波S(t)为载波，基于正弦波的调制技术即对其参
数幅度A(t)、频率f (t)和相位进行相应的调整，分别对应调
制方式的幅度调制(AM)、频率调制(FM)和相位调制(PM)。 由于模拟调制自身的功耗较大且抗干扰能力及2。
1 m d 10 m 20lg d d 20 30lg 10 m d 20 m 10 L Lfs d 29 60lg 20 m d 40 m 20 47 120lg d d 40 m 40

能耗问题
总结词
无线传感器网络的能耗问题是制约其发展的 关键因素之一。
详细描述
由于无线传感器网络中的节点通常由电池供 电，而电池寿命有限，因此如何降低能耗， 延长节点寿命是亟待解决的问题。此外，在 某些应用场景中，频繁更换电池或充电会给
维护带来困难和成本增加。
标准化问题
总结词
无线传感器网络的标准化问题涉及到不同厂商和应用 的互操作性问题。
开发工具包括硬件开发工具和软件 开发工具，硬件开发工具用于开发 传感器节点硬件电路板，软件开发 工具用于编写、调试和测试应用程 序代码。
03
无线传感器网络的通信协议
MAC协议
信道分配
MAC协议负责无线信道的分配，确保节点 间的通信不会发生冲突。
能量效率
MAC协议应考虑能量效率，避免过多的空 闲监听和数据重传。
动态环境适应性
路由协议应能适应网络拓扑的变化和 节点的动态加入/离开。
能量感知协议
能量管理
能量感知协议旨在有效地管理节点的能量，延长网络的生命周期。
节能技术
采用诸如功率控制、休眠机制等节能技术来降低能耗。
负载均衡
通过均衡节点的负载来降低能耗，避免某些节点过早耗尽能量。
能量预测
利用历史数据预测节点的剩余能量，优化路由和任务分配。
06
无线传感器网络的挑战与展望
安全性问题
总结词
无线传感器网络面临多种安全威胁，如数据 窃取、恶意攻击、篡改等。
详细描述
由于无线传感器网络中的节点通常部署在无 人值守的环境中，因此容易受到攻击者的窃 听、干扰和恶意篡改。攻击者可能通过截获 节点间的通信数据，获取敏感信息，或者对 网络进行破坏，导致网络瘫痪或数据传输错 误。

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2
• 现代微型传感器
–感知能力＋计算能力＋通信能力 –体积小 –能耗小 –由六部分组成
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3
传感器节点
• 传感器模块：信息采集、数据转换 • 处理器模块：控制、数据处理、网络协议 • 无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发
采集数据 • 能量供应模块：提供能量
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传感器网络的三要素
– 每个传感器仅具有有限的存储器和 计算资源，难以处理巨大的实时数 据流
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传感器节点的限制
• 以数据为中心
– 传感器网络不是通常的网络
• 用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件
– 用户很少询问“A节点到B节点的连接是如何实现的？” – 用户经常询问“网络覆盖区域中那些地区出现毒气？”
– 传感器网络中传感器节点密集，数量 巨大，可能达到几百、几千万，甚至 更多
– 传感器网络可以分布在很大区域，也 可以分布在险恶环境下
– 传感器数量大、分布广的特点使得网 络的维护十分困难甚至不可维护
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传感器节点的限制
• 感知数据流无限
– 传感器网络每个传感器都产生无限 的流式数据，并具有实时性
• 传感器传输1位信息需要的电能足以执行 3000条计算指令
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传感器节点的限制
• 计算能力有限
– 传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处 理器和存储器，具有计算能力
– 但是，处理器性能、存储器容量和能源都 很有限，导致传感器的计算能力十分有限
精传感器数量大、分布范围广
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传感器节点的限制 • 需要多种多样的感知 器

Contiki操作系统
2.3 安 装
Contiki操作系统
目前，Contiki操作系统开发小组将Contiki源码托管到github中。为了方便开发，我们需 要将Contiki操作系统的源码部署到本地。Cotniki源码默认环境为Linux操作系统，本节还将 介绍在Windows系统下的环境部署。
创建进程(还未投入运行)以及进程退出(此时进程还没从进程链表中删除)时，进程状态 都为PROCESS_STATE_NONE。
Contiki操作系统
1．进程初始化 系统启动后需要先将进程初始化，通常在主函数main()中调用函数process_init()，进程 初始化主要完成事件队列和进程链表初始化，将进程链表头指向NULL，当前进程也设为 NULL。 2．创建进程 创建进程实际上是定义一个进程控制块和进程执行体的函数，PROCESS宏实际上声明 了一个函数并定义了一个进程控制块，新创建的进程next指针指向NULL，进程名称为Hello world，进程执行体函数指针为process_thread_hello_world_process，保存行数的pt为0，状态 为0，优先级标记位needspoll也为0。PROCESS定义了结构体并声明了函数，还需要实现该 函数，通过宏 PROCESS_THREAD来实现。宏PROCESS_BEGIN包含switch(process_pt->lc) 语句，这样被中断的进程将再次获得执行并可通过 switch 语句跳转到相应的case，即被中断 的行。 3．启动进程 函数process_start()用于启动一个进程，首先判断该进程是否已经在进程链表中，然后将 进程加到链表，给该进程发一个初始化事件PROCESS_EVENT_INIT。
Contiki操作系统

相对应地，按照控制管理结构进行分类，无线传感器网 络管理系统的架构可分为以下三种：
(1) 集中式架构。Sink节点(汇聚节点)作为管理者，收集 所有节点信息并控制整个网络。
(2) 分布式架构。即在无线传感器网络中有多个管理者， 每个管理者控制一个子网，并与其他管理者直接通信，协同 工作以完成管理功能。
无线传感器网络管理技术
(3) 由于资源限制以及与应用环境的密切相关性，无线 传感器网络表现为动态网络，最为明显的就是网络拓扑变化 频繁，能量耗尽或者人为因素可以导致节点停止工作，同时 无线信道受环境影响很大，这些都让网络拓扑不断发生变化， 这些变化使得网络故障在无线传感器网络中是一种常态，这 在传统网络中是不可想象的。因此，无线传感器网络管理系 统应能及时收集并分析网络状态，并根据分析结果对网络资 源进行相应的协调和整合，从而保证网络的性能。
无线传感器网络管理技术
以上特征说明，无线传感器网络管理系统要根据网络的 变化动态调整当前运行参数的配置以优化性能；监视自身各 组成部分的状态，调整工作流程来实现系统预设的目标；具 备自我故障发现和恢复重建的功能，即使系统的一部分出现 故障，也不影响整个网络运行的连续性。
无线传感器网络管理技术
7.1.2 无线传感器网络管理系统设计要求 按照以上所述，在无线传感器网络管理系统的设计中，
无线传感器网络管理技术
集中式网络管理结构指的是网络的管理依赖于少量的中 心控制管理站点，这些管理站点负责收集网络中所有节点的 信息，并控制整个网络。集中式管理结构的优点是实现难度 较低。但是，它要求管理站点具有很强的处理能力。因此， 在大规模和动态网络中，管理站点往往成为网络性能和管理 的瓶颈，收集管理站点数据的开销很大，而且当管理站点出 现故障或者网络出现分裂时，网络就会完全或者部分失去控 制管理能力。此外，集中式管理结构中，“管理智能”只能 在管理站点中，网络中的绝大部分设备在出现问题时只能等 待管理站点的指示，而不能实现网络节点间通过局部直接协 商达到自适应调整的功能。

❖ 有效范围小：有效覆盖范围10~75米，具体依据实 际发射功率大小和各种不同的应用模式而定
❖ 工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧 洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的 频段
8.4 无线传感器网络的应用
❖ 最初源于军事上的需求 ❖ 后逐渐被被用于农业，医学等领域
安全/监控
闲侦听，以便接收可能传输给自己的数据。过度的 空闲侦听或者没必要的空闲侦听同样会造成节点能 量的浪费。 (4)在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多， 也会消耗较多的网络能量。
MAC协议分类标准
❖ 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
❖ 网络层(Network Layer)
网络层协议主要负责路由发现和维护
路由协议可以划分为平面路由协议和分级路由协 议
WSN 路由协议设计要遵从如下原则
❖ 能量利用率优先考虑 ❖ 数据为中心 ❖ 不影响传感器节点探测精度条件下的数据聚合 ❖ 理想的节点定位和目标追踪
❖ 传输层(Transport Layer)
❖链路层（Data Link Layer）
链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路, 主要由介质访问控制(Medium Access Control ,简称MAC) 组成,MAC协议的基本作用是避免点到点通讯时冲突的发 生。
传感器网络的MAC协议必须满足两项基本要求:首先是组 建网络底层基础设施,实现多跳并具备自组织特性的节点 无线通讯;其次是在节点通讯过程中实现平等高效的资源 共享
❖ 确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感 器网络最基本的功能之一，对无线传感器网络应用 的有效性起着关键的作用。

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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。
.
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数字调制
幅度
频率
相位
通过调节三个参数可以表达信息
.
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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。
.
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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：

信的数据量，减少能量消耗。
应用层数据融合示例如图5-5所示。
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图5-5 应用层数据融合示例
39 图中，假设汇聚节点要查询房间101～104中湿度值大
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第5章 服务支撑技术
5.1 时间同步技术
5.2 数据融合技术
5.3 定位技术 5.4 网络安全技术 5.5 容错设计技术 5.6 服务质量保证
小结
2 本章目标
理解时间同步技术。
掌握数据融合技术。 理解定位技术。
了解网络安全应用技术。
了解容错设计技术。 了解服务质量保证问题。
3 学习导航
4
5.1 时间同步技术
时间同步技术作为无线传感器网络的基础技术之一， 不仅是无线传感器网络中各种应用正常运行的必要条件，
并且其同步精度直接决定了其他服务的质量。本节主要介
绍无线传感器网络时间同步的基本概念、方法、协议和应 用。
5 5.1.1 概述
时间同步就是通过对本地时钟的某些操作，达到为分
布式系统提供一个统一时间标度的过程。在集中式系统中， 由于所有进程或者模块都可以从系统唯一的全局时钟中获
无线传感器网络是一种新的分布式系统。节点之间相
互独立并以无线方式通信，每个节点维护一个本地计时器， 计时信号一般由晶体振荡器提供。由于晶体振荡器制造工
艺的差别，并且其在运行过程中易受到电压、温度以及晶
体老化等多种外在因素的影响，每个晶振的频率很难保持 一致性，必须对其进行时间同步操作。
7 目前，无线传感器网络时间同步需要重点解决以下三个方
定介质中的传输速递是确定的，因此传输时间信息很容易
转换为距离信息。所以测距的精度直接依赖于时间同步的 精度。
32 4. 协作传输要求

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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。
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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
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入侵检测框架
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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
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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
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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
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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
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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
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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