无线传感器网与物联网学术报告A精品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
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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
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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
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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
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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。
•
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图1 无线传感器网络体系结构图
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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）
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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

布设时：可能通过飞机撒布，人员随机撒布 工作时：风吹、日晒、雨林、严寒、酷暑。
维护性 ：维护十分困难(几乎不可能)。 (2)网络结构可靠 自组织网、动态性保证基本的信息传输正常。 (3)软件可靠 (4)信息保密性强 5、以数据为中心
在互联网中终端、主机、路由器、服务器等设备都有自己的IP地址 。想访问互联网中资源，必须先知道存放资源的服务器的IP地址。所 以互联网是一个以地址为中心的网络。而无线传感器网络是任务型网 络。在WSN中，节点虽然也有编号。但是编号是否在整个WSN中统一取 决于具体需要。另外节点编号与节点位置之间也没有必然联系。用户 使用WSN查询事件时，将关心的事件报告给整个网络而不是某个节点 。许多时候只关心结果数据如何，而不关心是哪个节点发出的数据。
• 目前WSN尚处于研究阶段，为了加快其实用化进程，国外 建设了许多演示系统，相关的理论研究成果也很多。近年 来国，内一些科研院所和高校也开展WSN理论和应用的研 究。
传统的感知方法

WSN体系结构
• WSN是一种分布式网络系统，采用多跳的通信方式，其网 络拓扑结构动态变化，具有自组织、自控制以及自适应等 智能属性，有传感器节点、感知对象和观察者三者基本组 成。
WSN网络协议拓扑图 (1)时间同步和定位子协议
依赖于数据传输控制层进行定位和时间同步，同时又为 路由等几层协议提供支持。 (2)能量管理 在各个层次之中都要增加能量控制代码。
• 无线传感器网络是基于微电子技术、嵌入式计算技术、现 代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术实现的。 WSN典型工作如下：使用飞行器将大量节点抛撒到感兴趣 的区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既 是信息的采集者和发出者，也充当着信息的路由着，采集 的数据通过多跳路由到达网关。网关也是一类特殊的节点 ，可以通过lnternet、移动通信网络、卫星等与监控中心 通信。

1. 无线传感器网络的技术热点。
➢ 网络拓扑控制技术。 • 研究的内容：是满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控
一、无线传感器网络WSN概述
1. 无线传感器网络的发展现状。
➢ 欧洲2002年启动的EYES研究计划
一、无线传感器网络WSN概述
1. 无线传感器网络的发展现状。
➢ WSN的标准化工作
一、无线传感器网络WSN概述
1. 无线传感器网络的发展现状。
➢ 结论：美国和欧洲对WSN非常重视，投入巨大人力和物力广泛开展 理论和应用平台的研究开发
➢ WSN具有极其广泛的应用，如感知战场状态（军事应用）、环境监 控（如气候、地理、污染变化的监控）、物理安全（如建筑和结 构的）监控、城市道路交通监控、安全场所的视频监控……
一、无线传感器网络WSN概述
1. 无线传感器网络的发展现状。
➢ WSN应用例子—安全监控（如矿井结构、瓦斯）
一、无线传感器网络WSN概述
一、无线传感器网络WSN概述
1. 无线传感器网络的发展现状。
➢ 2002年Berkeley大学启动了NEST计划 • 目的：开发出Network Embedded Systems Technology(NEST) 开
放式的软、硬件实验平台，以加速发展面向应用多样化的算法、 服务和体系构架 ➢ 美国国防研究机构DARPA意识到传感器网络的巨大应用价值 Computing • 10年前启动了一个分布式传感器网络计划DSN（Distributed Sensor Networks program） • 2001年又启动一个传感器信息技术计划SensIT（Sensor Information Technology program）
一、无线传感器网络WSN概述

频率 3 Hz～30 Hz 30 Hz～300 kHz 300 kHz～3 MHz 3 MHz～30 MHz 30 MHz～300 MHz 300 MHz～3000 MHz
3 GHz～30 GHz
30 GHz～300 GHz
传播方式 空间波 地波 地波或天波 天波 空间波
主要用途 对潜通信 调幅无线电广播 调频无线电广播
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WIFI是基于802.11标准的通信技术，工作在2.4G频段， 带宽比较大，802.11b标准的最高带宽达到11 Mb/s， 802.11n标准已经将传输速率提高到300 Mb/s。其主要特点 为速度快，可靠性高，方便与现在的有线以太网整合。 WIFI与蓝牙相比优势在于无线电波的覆盖范围广，但是无 线通信传输的质量不是很好，数据安全性相对于蓝牙差一 些，传输质量也有待于改善。
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2002年10月24日，因特尔公司发布了“给予微型传感 器网络的新型计算机发展规划”，计划宣称因特尔公司将 致力于微型传感器网络在医学、环境监测等方面的应用。
2003年，美国自然科学基金委员会制定无线传感器网 络研究计划，并在加州大学洛杉矶分校成立了无线传感器 网络研究中心，联合周边的康奈尔大学伯克利分校、南加 州大学等，开展“嵌入式智能传感器”的研究项目。
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脉冲调制：脉冲幅度(PAM)、脉冲相位(PWM)、脉 冲编码(PCM)。
复合调制：正交幅度调制(QAM)。 数字调制：包括通断键控(ASK)、频移键控(FSK)、 相移键控(PSK)。 调制/解调按照解调方式可分为： 检波法：适合调幅(AM)。 同步解调：适合大部分调制。
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4. 短距离无线通信技术 随着通信技术的发展，出现了许多短距离无线通信技 术，而它们往往带有自己的通信协议，不同的通信协议有 着不同的应用。目前最常见的短距离无线通信技术有 IrDA/红外、蓝牙、WIFI(802.11标准)和Zigbee技术。 IrDA/红外技术最早应用于红外探测仪。1800年， F·W·赫歇尔使用水银温度计发现红外辐射，这是最原始的 热敏型红外探测仪，从此掀起红外热潮。红外应用产品种 类繁多，有红外热像、红外通信、红外光谱仪、红外传感 器，且应用范围广泛，应用于工业、农业、军事、医疗与 人们生活息息相关的各方面。

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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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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。

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。
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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。
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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。

2.5 传输层 2.5.1 传输层简介
目前，无线传感器网络传输层协议主要在能耗控制、拥塞控制和可靠性保证3个 方向开展研究与设计工作。其中，能耗控制协议又与拥塞控制协议、可靠性保证协 议紧密联系。
① 能耗控制方面。无线传感器网络的节点能量有限，网络的运行以节能控制为 首要考虑因素。
② 拥塞控制方面。在无线传感器网络中，事件发生区域中的节点监测到相关信 息后传输至汇聚节点，由于网络的分布特征，可能存在多个节点感知信息，都发往 一个汇聚节点，即形成“多对一”的传输模式。
无线传感器网络自身存在资源受限等特性，使得传统的TCP/IP协议不能直接应用 于无线传感器网络，而应根据无线传感器网络的具体应用需求、网络自身的特性与条 件来设计相应的协议，主要体现在以下几个方面。
① 无线传感器网络中节点的能量是有限的，过多的能耗会影响网络的生命周期。
② 无线传感器网络一般使用的是分布式、密集型的覆盖方式，无线传感器网络以 数据为中心，为减少数据量，节点具备一定的数据处理能力。
③ 无线传感器网络存在不稳定情况，网络拓扑结构的变化会影响TCP/IP协议的握 手机制。
④ 在无线传感器网络中，虽然传输层协议具备拥塞控制的能力，但通信质量、拓 扑结构变化等非拥塞情况也会造成丢包现象。
⑤ 无线传感器网络在大规模应用中，节点需要处理好自身与邻居节点之间的通信 即可。
无线传感器网络与物联网通信技术
针对不同的传输层协议设计与网络应用需求，一些简单的拥塞控制处理方式分为拥 塞信息反馈机制和传输路由切换机制。其中，拥塞信息反馈机制是接收节点检测到拥塞 之后，向它的发送节点发送一个包含拥塞控制信息的数据包，告知发送节点减缓甚至停 止发送数据包；传输路由切换机制是当前节点检测到拥塞之后，重新选择一条优化的路 径来传输数据，从而减少了当前节点的数据流，待拥塞缓解或消除之后，可再恢复先前 路径来继续传输数据。

无线传感器网络与物联网通信技术
2.6 应用层 2.6.2 应用层协议
无线传感器网络的应用层协议使得低层的硬件、软件 对于网络的管理应用是透明的。尽管无线传感器网络已经 有很多明确的应用领域，但其应用层协议仍然有相当大的 未开发领域。目前，主要的应用层协议有3种：传感器管理 协议（Sensor Management Protocol，SMP），任务分 派 与 数 据 广 播 协 议 （ Ta s k A s s i g n m e n t a n d D a t a Advertisement Protocol，TADAP），传感器查询与数据 分发协议（Sensor Query and Data Dissemination Protocol，SQDDP）。
无线传感器网络与物联网通信技术2.6 应用层 SQDDP协议
基于属性或位置的命名规则，该协议为无线传感器网 络的应用提供了问题查询、查询响应和答复搜集的接口。 针对不同的应用需求，SQDDP协议都有其特定的执行方 式，并为用户应用软件提供人机交互设计。
无线传感器网络与物联网通信技术
2.6 应用层 2.6.3 应用层相关技术
第2章 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络与物联网通信技术
第2章 无线传感器网络体系结构
目录
2.1 体系结构概述 2.2 物 理 层 2.3 数据链路层 2.4 网 络 层 2.5 传 输 层 2.6 应 用 层 2.7 本 章 小 结
无线传感器网络与物联网通信技术
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2.6 应用层 2.6.1 应用层简介
无线传感器网络与物联网通信技术
无线传感器网络与物联网通信技术
2.6 应用层 SMP协议
与传统网络不同，无线传感器网络中节点没有全局ID， 且网络基础设施存在不足。SMP协议使得无线传感器网络 的应用系统能够与传感器节点之间形成交互，采用基于属 性的命名和基于位置的选址来实现对节点的访问。

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数据为中心 对于无线传感器网络来说，观察者一般不会去具 体的在意某个节点感知的数据信息，主要注意的 是被监测的区域需要监测的指标参数。网络在进 行数据查询的时候，是将所要查询的信息以数据 的方式告知网络。网络通过自身的功能将查询到 的信息以数据的方式反馈回来，整个查询的过程 和节点的编号和位置无关。可以说无线传感器网 络的这种查询和传递信息的方式是以数据为中心 的。
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蓝牙技术简介 技术特点：1.蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段，工作 频段无须申请许可。2.使用1Mbit/s速率以达到最大 限制带宽。3.使用快速调频（1600跳/s）技术抗干 扰。4.在干扰下，使用短数据帧尽可能增大容量。5. 快速确认机制能在链路情况良好时实现较低的编码开 销。6.采用CVSD话音编码，可在高误码率下使用。 7.灵活帧方式支持广泛的应用领域。8.宽松链路配置 支持低价单芯片集成。9.严格设计的空中接口使功耗 最小。10.发射功率自适应，低干扰。
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自组织性
传感器节点在没有基础设施的条件下被部署，由于节点的 具体位置、节点间相邻关系预先也不确定，节点必须拥有 自组织能力，能够随时随地快速开展和自动的组网，自动 的开展配置管理，根据合适的网络算法和协议转发监测的 数据信息。传感器节点因为能量的耗尽或者环境的因素形 成了死亡，新的节点需要加入，传感器网络中节点个数总 是动态的变化，网络结构也就不断的动态变化，无线传感 器网络自组织的特点，从而更好的达到了网络拓扑的改变。
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蓝牙协议体系结构
蓝牙技术体系结构中的协议分为底层协议，中间协议和应用协议
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蓝牙体系结构中协议的基本功能分类
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蓝牙的组网方式
在组网方式上，蓝牙规范支持微微网和散射网两种模式。 不论蓝牙设备的类型和应用如何，一个微微网最多由8台 蓝牙设备组成。由多个相互重叠的微微网组成的网络成为 散射网，散射网中的各微微网之间允许重叠，允许交叉， 允许共享设备。网络中的底层硬件模块构成了蓝牙技术的 核心内容，是任何一个蓝牙设备必须具备的部分。在使用 这些硬件模块时，为方便起见，蓝牙技术规定了连接状态， 纠错方式，系统的移动性安全性。

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• 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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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