无线传感网络第七章

高纲1541江苏省高等教育自学考试大纲12573无线传感网技术南京信息工程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《无线传感网技术》课程是江苏省高等教育自学考试物联网专业（本科段）的必修课，是为培养和检验考生掌握物联网技术基本知识和基本技能而设置的一门专业基础课程。

本课程是物联网工程专业的主干课程。

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。

本课程内容主要包含无线传感器网络的体系结构和网络管理技术，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，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，TinyOS实践开发技术等。

因此，它是一门理论联系实际、工程性较强的课程。

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。

希望通过本课程的学习，加深对无线传感器网络的理解，为进一步研究和从事无线传感器网络应用开发和工程实践工作提供良好的基础和参考。

二、课程目标作为物联网工程专业的基础课，要求学生了解当今信息化社会发展的基础上，掌握传感网技术的发展和应用，了解传感网的关键技术，为以后物联网的工程实践打下基础。

本课程的目的是使学生掌握物联网技术的定义和基本原理及应用，了解物联网技术的发展，了解物联网的关键技术和方法。

课程设置的目标是鼓励考生：1．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；2．掌握无线传感器网络的节点定位、时间同步和网络安全等几大支撑技术；3．熟悉无线传感器网络的系统开发和应用，掌握NesC语言和TinyOS操作系统，掌握TinyOS平台的实际操作。

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。

4.无线传感器网络的路由协议有哪些类型路由协议的设计要求由协议主要分为四类；基于聚簇的路由协议、以数据为中心路由协议、基于地理位置路由协议和能量路由协议。

现有的无线传感器网络路由协议设计以节能、延长网路生命周期为主要目的。

1）QOS路由；目前传感器网络路由协议的研究重点主要集中在能量效率上，而在未来的研究中可能还需要解决由视频和成像传感器以及实时应用引起的QOS问题。

2）支持移动性:目前的WSNS路由协议对网络的拓扑感知能力和移动性的支持比较差，如何在控制协议开销的前提下，支持快速拓扑感知是一个重要挑战。

3）安全路由：由于WSNS的固有特性，其路由协议极易受到安全威胁，是网络攻击的主要目标，设计简单、有效、适用于WSNS的安全机制是今后努力的方向。

4）有效功能：WSNS中数据通信最为耗能，今后尽量通过使用数据融合技术、数据传输中采用过滤机制来减少通信量，并通过让各节点平均消耗的能量来保持通信量的负载均衡。

5）容错性；由于WSNS节点容易发生故障，应尽量利用节点易获得的网络信息计算路由，以确保在路由出现故障时能够尽快得到恢复，可采用多路径传输来提高数据传输的可靠性。

5、无线传感器网络的路由协议具有哪些特点1）能量优先，（2）基于局部拓扑信息（3）以数据为中心（4）应用相关6. 什么是数据融合技术，它在传感器网络中的作用是什么数据融合是一种多源信息处理技术，它通过对来自同一目标的多源数据进行优化合成，获得比单一信息源更精确、完整的估计或判决。

在传感器网络中的作用在于；节省整个网络的能量，增强所收集数据的准确性，提高数据收集效率。

第一章：1.无线传感网与自组织网络的主要异同点有哪些答：无线传感网是自组织网路的一种典型应用，虽然具有移动自组织特征，但与传统的移动自组织网络相比，又有不同之处，主要区别有以下几点：1）无线传感网以数据为中心；2）在通信方式方面，无线传感网节点主要使用广播通信，而别自组织网络节点采用点对点通信；3）在网络节点的处理能力方面，自组织网络的处理能力较强，而无线传感网节点的处理能力、计算能力和存储能力都有限；4）在网络节点规模方面，无线传感网包含的节点数量比自组织网络高几个数量级；5）由于无线传感网节点数量的原因，其节点没有统一的标示。

⽆线传感器⽹络第⼀章⽆线传感器⽹络概述1.⽆线传感器⽹络的基本概念⽆线传感器⽹络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⽹络系统，其⽬的是协作地感知、采集和处理覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观察者或者⽤户。

2.典型的⽆线传感器⽹络结构包括哪⼏部分？传感节点、汇聚节点以及互联⽹或通信卫星和管理节点。

3.⽆线传感器⽹络的体系结构（协议栈）描述⽆线传感器⽹络的协议栈，并简述各层的功能。

⽆线传感器⽹络的协议栈包括物理层、数据链路层、⽹络层、传输层和应⽤层，与互联⽹协议的五层相对应。

另外还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。

各层的功能：物理层：负责数据传输的介质规范，如规定了传感器⼯作频率、⼯作温度、数据调制、信道编码、定时、同步等标准。

研究⽬标是设计低成本、低功耗和⼩体积，简单但健壮的传感器节点。

数据链路层：负责数据成帧、帧检测、介质访问和差错控制。

⽹络层：主要实现数据融合，负责路由⽣成和路由选择；主要功能包括分组路由、路由互联、阻塞控制。

传输层：负责数据流的传输控制。

应⽤层：获取数据并进⾏初步处理，包括⼀系列⽤于检测任务的应⽤层软件。

4.⽆线传感器⽹络的基本特点传感器节点体积⼩，能量有限传感器节点计算和存储能⼒有限通信半径⼩，带宽低传感器节点数量⼤且具有⾃适应性⽆中⼼和⾃组织⽹络动态性强以数据为中⼼第⼆章物理层及信道介⼊技术1.频率分配：1W以下⽆线电波是⽬前WSN的主流传输⽅式。

对于⽆线传感器⽹络来说，频段的选择必须根据应⽤场合来选择。

因为频率的选择直接决定⽆线传感器⽹络节点的⽆线尺⼨、电感的集成度以及节点功耗。

ISM波段是⾸要的选择。

频率的选择是影响⽆线传感器⽹络性能、成本的重要参数。

基于竞争的MAC协议。

即节点在需要发送数据时采⽤某种机制随机地使⽤⽆线信道，基于固定分配的MAC协议。

即节点发送数据的时刻和持续时间是按照协议规定的标准来执⾏，这样以来就避免了冲突，基于按需分配的MAC协议。

无线传感器网络摘要：无线传感器网络在近年来得到了迅速发展和广泛应用。

该技术结合了传感器技术、通信技术和计算技术，以及其他相关领域的技术，可用于各种领域和场景，如农业、环境监测、智能交通等。

本文将介绍无线传感器网络的基本概念、组成结构和工作原理，以及其在各个领域中的应用。

1. 引言无线传感器网络是一种由许多由无线通信模块连接的小型传感器节点组成的网络。

每个传感器节点都能够感知和采集周围环境的信息，并通过无线通信方式将信息传输给网络中的其他节点。

传感器节点可以根据需求部署在不同的位置，构建一个分布式的传感器网络，从而实现对目标区域的全面监测和控制。

2. 无线传感器网络的组成结构无线传感器网络的组成结构包括传感器节点、基站节点和传感器网络。

传感器节点是无线传感器网络的核心组成部分，每个传感器节点都具有感知、处理和通信功能。

基站节点用于接收来自传感器节点的数据，并进行处理和存储。

传感器网络是由许多传感器节点和基站节点组成的网络结构，通过无线通信方式连接各个节点，实现数据的传输和共享。

3. 无线传感器网络的工作原理无线传感器网络的工作原理可以分为部署阶段和运行阶段两个阶段。

在部署阶段，传感器节点被部署到目标区域，并与基站节点进行通信，建立网络连接。

在运行阶段，传感器节点通过感知装置感知目标区域的信息，并将信息通过无线通信方式传输给基站节点。

基站节点接收到传感器节点的数据后，进行处理和存储，并向用户提供相应的服务和应用。

4. 无线传感器网络的应用领域无线传感器网络的应用领域非常广泛。

在农业领域，无线传感器网络可以用于农作物的监测和灌溉控制，实现自动化的农业生产。

在环境监测领域，无线传感器网络可以用于大气污染、水质监测等环境参数的监测和预警。

在智能交通领域，无线传感器网络可以用于车流量的监测和交通管理，提高交通运输的效率和安全性。

5. 无线传感器网络的挑战和未来发展虽然无线传感器网络在各个领域都有广泛的应用，但仍然面临着一些挑战。

无线传感器网络知识点一、什么是无线传感器网络无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量的、具有感知和通信能力的传感器节点组成的分布式网络。

这些传感器节点通常部署在监测区域内，通过无线通信方式相互连接，形成一个自组织的网络系统。

传感器节点能够感知周围环境中的物理量，如温度、湿度、压力、光照强度等，并将这些感知数据通过网络传输给汇聚节点（Sink Node）或基站。

汇聚节点负责收集和处理来自各个传感器节点的数据，并将其发送给用户或其他应用系统。

二、无线传感器网络的组成1、传感器节点传感器节点是无线传感器网络的基本单元，通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块组成。

传感器模块负责感知环境中的物理量，并将其转换为电信号。

处理器模块用于处理和存储感知数据，并执行网络协议和控制算法。

无线通信模块用于与其他节点进行通信，传输感知数据和控制信息。

电源模块为节点提供能量，通常采用电池供电。

2、汇聚节点汇聚节点也称为基站，是无线传感器网络与外部网络的接口。

它负责收集来自传感器节点的数据，并将其转发给用户或其他应用系统。

汇聚节点通常具有较强的处理能力和通信能力，并且可以通过有线或无线方式连接到外部网络。

3、网络协议网络协议是无线传感器网络中节点之间进行通信和数据传输的规则和标准。

常见的网络协议包括路由协议、MAC 协议、拓扑控制协议等。

三、无线传感器网络的特点1、大规模无线传感器网络通常由大量的传感器节点组成，数量可以达到数千甚至数万个。

2、自组织传感器节点可以自动组成网络，无需人工干预。

节点之间通过相互协作和通信，实现网络的构建和维护。

3、动态性传感器节点的位置、能量和网络拓扑结构可能会随着时间的推移而发生变化，网络具有较强的动态性。

4、以数据为中心无线传感器网络的主要任务是收集和传输感知数据，而不是节点之间的通信。

因此，网络的设计和优化通常以数据为中心，注重数据的采集、处理和传输效率。

无线传感网络中的数据传输与处理章节一：无线传感网络简介无线传感网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是一种特殊的网络结构，由大量的分布在特定区域内的传感器节点组成。

这些节点可以自主地感知、采集和处理环境中的各种信息，并将数据传输到指定位置。

WSN广泛应用于农业、环境监测、交通控制等领域，为实时监测和数据处理提供了有效的手段。

章节二：无线传感节点的数据传输技术为了实现数据传输，无线传感节点内置了无线通信模块，通常采用无线电频率传输数据。

传感节点之间通过建立自组织的网络连接，形成分布式的无线传感网络。

通信方式常见的有广播通信、多跳转发和基于路由协议的通信。

广播通信适用于小范围传输，但会导致资源浪费。

多跳转发方法则通过中继传感节点实现远距离传输。

路由协议则通过动态选择最佳路径，提高传输效率。

章节三：无线传感节点的数据处理技术WSN中的传感节点通常具备较小的存储和计算能力，因此需要采用有效的数据处理技术来降低能耗和延迟。

常见的数据处理方法包括数据压缩、聚合和选择性传输。

数据压缩通过对传感数据进行无损或有损压缩，减少数据的冗余性。

数据聚合则是将多个传感节点采集到的数据进行融合，减少冗余和重复的信息。

选择性传输在数据处理前，对数据进行筛选，只传输重要的数据，降低能耗和延迟。

章节四：数据安全与隐私保护在无线传感网络中，传输的数据可能涉及到用户的敏感信息，因此数据的安全性和隐私保护成为重要问题。

为保障数据安全，可以采用身份认证、数据加密和密钥管理等技术。

身份认证能够确保通信双方的身份合法性。

数据加密技术则通过对数据进行加密，防止数据被非法访问和篡改。

密钥管理包括密钥生成、分发和更新等过程，确保密钥的安全性。

章节五：无线传感网络中的能源管理由于传感节点通常由电池供电，能源管理是无线传感网络中的重要任务。

常见的能源管理技术包括功率控制、睡眠调度和能量回收等方法。

功率控制通过调节传感节点的发射功率，降低能耗。

无线传感器网络的工作原理无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是一种由许多分布在一定区域内的无线传感器节点组成的网络。

这些传感器节点可以通过无线通信相互连接，并集体协同工作来实现各种任务，如环境监测、数据采集、事件检测等。

本文将介绍无线传感器网络的工作原理及其应用。

一、无线传感器网络的组成与通信方式无线传感器网络由大量的无线传感器节点组成，每个节点都拥有计算、通信、传感和能源供应等功能模块。

这些传感器节点分布在被监测的区域内，通过无线通信互相交换数据。

节点之间使用无线电波进行通信，具体的通信方式可以是单跳式通信、多跳式通信或基站式通信。

二、无线传感器网络的工作原理1. 节点工作模式传感器节点在工作中常常采用低功耗的睡眠-唤醒工作模式。

节点在大部分时间处于睡眠状态，以降低能耗。

当节点周围环境发生变化或接收到其他节点的唤醒信号时，节点会被激活并开始执行相应的任务。

2. 数据采集与传输传感器节点通过感知和采集周围环境的信息，将采集到的数据进行处理并通过通信模块传输到其他节点或基站。

节点之间可以利用多跳式通信，将数据通过中间节点进行转发，以实现远距离通信。

3. 路由选择在无线传感器网络中，路由选择是一个重要的问题。

节点需要根据网络拓扑结构和传输距离等因素选择合适的路由路径进行数据传输。

常用的路由协议有LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）、PEGASIS（Power-efficient Gathering in Sensor Information Systems）等。

4. 节能调度节点的能耗是无线传感器网络中需要解决的一个主要问题。

为了延长网络的生命周期，需要对节点的能耗进行有效的调度和管理，如通过合理的休眠和唤醒策略、数据压缩和聚合等方法减少节点的能量消耗。

三、无线传感器网络的应用无线传感器网络在各个领域都有广泛的应用，如环境监测、农业、交通、医疗等。