无线传感器网络概论.
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无线传感器网络技术概论(施云波)第1-4章章 (4)
有了硬件的低功耗模式，还需要搭配软件节能策略来 实现节能。软件节能策略的核心就是尽量使节点在不需要工作 的时候进入低功耗模式，仅在需要工作的时候进入正常状态。 除了单个节点要进行节能外，整个网络也需要均衡不同节点间 的能量消耗，以保证系统的整体生命周期足够长。一方面，
第4章 无线传感器网络感知节点技术
纳起来主要有硬件平台和软件程序两大类。因此，在设计感知 节点的硬件平台和软件程序时应考虑以下四个方面：
1．低成本与微型化 低成本的节点才能被大规模部署，微型化的节点才能使
第4章 无线传感器网络感知节点技术
部署更加容易。低成本与微型化是实现传感器网络大规模部署 的前提。通常，一个传感系统的成本是有预算的。在给定预算 的前提下，部署更多的节点、采集更多的数据能大大提高系统 的整体性能。因此，降低单个节点的成本十分重要。节点的大 小对系统的部署也会产生极大的影响。就目标跟踪系统(如 VigiNet)而言，微型化的节点能以更高的密度部署，从而提高 跟踪的精度；就医疗监控(如Mercury)而言，微型化的节点更 容易使用。
第4章 无线传感器网络感知节点技术
但是，传感器节点的性能并没有达到摩尔定律给出的 发展速度。1999年，WeC传感器节点采用8位4 MHz主频的处理 器，2002年Mica节点采用8位7.37 MHz的处理器，2004年Telos 节点采用16位4 MHz的处理器，Telos节点仍然是目前最广泛采 用的传感器节点。
第4章 无线传感器网络感知节点技术
1．太阳能电源 太阳能电源发电有两种方式，一种是光—热—电转换方 式，另一种是光—电直接转换方式。光—热—电转换方式利用 太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的 热能转换成蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转 换过程，后一个过程是热—电转换过程，转换过程与普通的火 力发电一样。光—电直接转换方式的太阳能电源是根据特定材 料的光电性质制成的，这种转换方式的电源也称为太阳能电池， 其原理是利用半导体的光生伏特效应或者光化学效应直接把光 能转化成电能，如图4-3所示。
第4章 无线传感器网络感知节点技术
纳起来主要有硬件平台和软件程序两大类。因此，在设计感知 节点的硬件平台和软件程序时应考虑以下四个方面：
1．低成本与微型化 低成本的节点才能被大规模部署，微型化的节点才能使
第4章 无线传感器网络感知节点技术
部署更加容易。低成本与微型化是实现传感器网络大规模部署 的前提。通常，一个传感系统的成本是有预算的。在给定预算 的前提下，部署更多的节点、采集更多的数据能大大提高系统 的整体性能。因此，降低单个节点的成本十分重要。节点的大 小对系统的部署也会产生极大的影响。就目标跟踪系统(如 VigiNet)而言，微型化的节点能以更高的密度部署，从而提高 跟踪的精度；就医疗监控(如Mercury)而言，微型化的节点更 容易使用。
第4章 无线传感器网络感知节点技术
但是，传感器节点的性能并没有达到摩尔定律给出的 发展速度。1999年，WeC传感器节点采用8位4 MHz主频的处理 器，2002年Mica节点采用8位7.37 MHz的处理器，2004年Telos 节点采用16位4 MHz的处理器，Telos节点仍然是目前最广泛采 用的传感器节点。
第4章 无线传感器网络感知节点技术
1．太阳能电源 太阳能电源发电有两种方式，一种是光—热—电转换方 式，另一种是光—电直接转换方式。光—热—电转换方式利用 太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的 热能转换成蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转 换过程，后一个过程是热—电转换过程，转换过程与普通的火 力发电一样。光—电直接转换方式的太阳能电源是根据特定材 料的光电性质制成的，这种转换方式的电源也称为太阳能电池， 其原理是利用半导体的光生伏特效应或者光化学效应直接把光 能转化成电能，如图4-3所示。
无线传感器网络技术概论课件：无线传感器网络体系结构
无线传感器网络体系结构
2．通信能力的约束 传感器节点的通信能力关系到传感器网络监测区域内节
点部署数量，而制约其通信能力主要有两个参数，即能量损 耗和通信距离，二者之间的关系为
E = kdn
(2-1)
式中，E为传感器节点的通信能量损耗；k为一个常数，
与传感器节点的系统构成有关；d为传感器节点的通信距离；
分别接入TD-SCDMA、GSM核心网、Internet主干网及无线 局域网络等多种类型异构网络，再通过各网络下的基站或主 控设备将传感器信息分发至各终端，以实现针对无线传感器 网络的多网远程监控与调度。同时，处于TD-SCDMA、 GSM、Internet等多类型网络终端的各种应用与业务实体也 将通过各自网络连接相应的无线传感器网络网关，并由此对 相应无线传感器网络节点开展数据查询、任务派发、业务扩 展等多种功能，最终实现无线传感器网络与以移动通信网络、 Internet网络为主的各类型网络的无缝的、泛在的交互。
(2) 汇聚节点：用于连接传感器节点与Internet 等外部网 络的网关，可实现两种协议间的转换；同时能向传感器节点 发布来自管理节点的监测任务，并把WSN收集到的数据转 发到外部网络上。与传感器节点相比，汇聚节点的处理能力、 存储能力和通信能力相对较强。
(3) 管理节点：用于动态地管理整个无线传感器网络， 直接面向用户。所有者通过管理节点访问无线传感器网络的 资源，配置和管理网络，发布监测任务以及收集监测数据。
锁相回路(PLL)、解调器和功率放大器组成，所有的这些组
件都会消耗能量。对于一对收发机来说，数据通信带来的功
耗PC的组成部分可简单地用模型描述为
PC = PO + PTX + PRX
(2-2)
无线传感器网络知识点
无线传感器网络知识点一、引言在当今科技飞速发展的时代，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）正逐渐成为一个热门的研究领域，并在众多领域得到了广泛的应用。
从环境监测到工业控制，从医疗保健到智能家居，无线传感器网络的身影无处不在。
那么，什么是无线传感器网络？它由哪些部分组成？又有哪些关键技术和应用场景呢？接下来，让我们一起深入了解无线传感器网络的相关知识点。
二、无线传感器网络的定义和组成（一）定义无线传感器网络是由大量的、廉价的、具有感知能力、计算能力和通信能力的传感器节点通过自组织的方式构成的无线网络。
这些传感器节点能够实时监测、感知和采集网络覆盖区域内的各种环境或监测对象的信息，并将这些信息通过无线通信的方式传输给用户。
（二）组成1、传感器节点传感器节点是无线传感器网络的基本组成单元，它通常由传感器模块、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监测对象的信息，处理器模块负责对感知到的数据进行处理和分析，无线通信模块负责与其他节点进行通信，电源模块则为节点提供能量。
2、汇聚节点汇聚节点也称为网关或基站，它的主要功能是接收传感器节点发送的数据，并将这些数据转发给用户或其他网络。
汇聚节点通常具有较强的处理能力和通信能力，能够与外部网络进行连接。
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，它包括物理层协议、数据链路层协议、网络层协议、传输层协议和应用层协议等。
三、无线传感器网络的关键技术（一）传感器技术传感器是无线传感器网络的核心部件，它能够将被监测对象的物理量、化学量等转化为电信号。
目前，常用的传感器包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光照传感器、声音传感器等。
随着微机电系统（MEMS）技术的发展，传感器的体积越来越小、功耗越来越低、成本越来越低，为无线传感器网络的广泛应用提供了可能。
（二）低功耗技术由于传感器节点通常采用电池供电，而且电池的能量有限，因此低功耗技术是无线传感器网络中的关键技术之一。
无线传感器网络技术讲义
无线传感器网络技术讲义引言无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）是一种由大量分布式无线传感器节点组成的网络系统，通过无线通信和自组织方式协同工作，用于感知、采集、处理和传输环境信息的一种新型网络。
它具有广泛的应用前景，包括环境监测、智能交通、智能农业、物联网等各个领域。
本讲义将从无线传感器网络的基本概念、架构、通信技术、能量管理等方面进行介绍，以帮助读者深入了解无线传感器网络技术。
1. 无线传感器网络基本概念1.1 传感器节点传感器节点是无线传感器网络的基本组成单元，它由传感器、处理器、存储器、无线通信模块等要素组成。
传感器节点可以感知环境中的各种信息，如温度、湿度、光照强度等，并将这些信息传输给其他节点或基站。
1.2 无线传感器网络的特点无线传感器网络具有以下特点：•分布式：无线传感器节点可以分布在广泛的区域内，形成一个分布式的网络系统。
•自组织：无线传感器节点通过自组织的方式协同工作，能够自动适应网络拓扑变化和节点故障。
•节能：由于无线传感器网络中的节点往往由电池供电，节点之间的通信和数据处理通常需要节能处理。
•大规模：无线传感器网络可以由成千上万个节点组成，能够覆盖广泛的区域。
2. 无线传感器网络架构2.1 智能传感器节点智能传感器节点是无线传感器网络中的一个关键部分，它集成了传感器、处理器、存储器和通信模块等要素。
智能传感器节点能够感知环境中的信息，并将这些信息传输给其他节点或基站。
2.2 网络拓扑结构无线传感器网络的拓扑结构分为多种类型，包括星型拓扑、网状拓扑、层次拓扑等。
不同的拓扑结构适用于不同的应用场景，可以根据实际需求选择合适的网络拓扑。
2.3 基站基站是无线传感器网络中的一个重要组成部分，它通过与传感器节点进行通信，实现对传感器网络的管理和控制。
基站通常由一台或多台计算机组成，可以用于收集、存储和处理从传感器节点传输过来的信息。
3. 无线传感器网络通信技术3.1 传感器节点通信无线传感器节点之间的通信可以通过无线电波进行传输，常用的通信技术包括Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等。
《无线传感器网络》课件
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。
1.SMACS协议[共2页]
![1.SMACS协议[共2页]](https://img.taocdn.com/s1/m/2d423baa27284b73f3425047.png)
第3章无线传感器网络的数据链路层73图3.11 T-MAC协议的基本机制T-MAC协议在节点活动的时隙内插入了一个TA（Time Active）时隙，若TA时隙之间没有发生任何一个激活事件，则活动结束，进入睡眠状态。
T-MAC协议也采用了RTS/CTS/DATA/ACK的通信机制。
节点周期性唤醒进行侦听，在唤醒的时间周期内，如果节点没有任何活动，则继续进入休眠状态。
3.2.3 基于分配的MAC协议基于竞争型MAC协议中节点碰撞的情况经常发生，网络通信任务越大，冲突越多，越会影响无线传感器网络的正常工作。
而分配型MAC协议依据某种原则，采用分割时间槽或者分割信道并利用某种策略将划分好的时间槽或者是子信道分配给有发送任务的节点的方法来避免冲突。
这样各个节点数据发送过程被分割开来，冲突也就随之消失。
下面是几种典型的基于分配的MAC协议。
1．SMACS协议SMACS（Self Organizing Medium Access Control for Sensor Networks）协议是一种分布式结构的协议，在该协议中，每个节点能够与附近节点通信并自主建立一种数据发送和接收的调度表，而不需要任何或全局或部分的主节点来控制。
关于时间同步的问题，虽然全网不需要同步，但是在各个局部网络内节点与其临近节点的通信需要同步。
SMACS协议为了达到减少能耗的目的，在没有收发任务时，关掉无线收发装置，需要连接时，使用随机唤醒的方式连接。
因为SMACS协议有全局不同步特点，所以从属于不同子网的节点可能永远不能通信。
图3.12所示的是AB、CD间通信链路的建立过程，B节点首先向临近节点广播“邀请”消息。
A节点作为B的邻居节点在收到邀请信息后做出回应，这样在AB之间就建立了一跳通信链路，它有自己的专用频率f1。
同理CD之间的通信链路的专用频率是f2。
《无线传感器网络》PPT课件
精选ppt
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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4
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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17
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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16
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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14
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
精选ppt
19
传感器节点的限制 • 需要多种多样的感知 器
《无线传感器网络技术概论》课程标准
《无线传感器网络技术概论》课程标准无线传感器网络技术概论课程标准课程简介本课程旨在为学生提供有关无线传感器网络的技术基础知识，包括它们的设计、实现和应用。
学生将了解无线传感器网络的特点和应用领域，熟悉无线传感器网络的硬件和软件设计，并研究如何在实际问题中应用无线传感器网络。
研究目标本课程主要目标是让学生熟悉无线传感器网络技术的基本概念和应用，包括：- 理解无线传感器网络的特点、工作原理以及基本组成部分；- 熟悉无线传感器网络的硬件设计、软件设计和通信协议；- 掌握无线传感器网络应用的基本方法和实践技巧；- 能够针对特定需求设计无线传感器网络应用，并具备实际应用能力。
课程内容第一章无线传感器网络的概述1.1 无线传感器网络的概念和特点1.2 无线传感器网络的应用领域1.3 无线传感器网络的组成部分第二章无线传感器网络的硬件设计2.1 无线传感器网络的节点2.2 无线传感器网络的传感器2.3 无线传感器网络的能量管理第三章无线传感器网络的软件设计3.1 无线传感器网络的操作系统3.2 无线传感器网络的编程语言3.3 无线传感器网络的仿真软件第四章无线传感器网络的通信协议4.1 无线传感器网络的协议栈4.2 无线传感器网络的MAC协议4.3 无线传感器网络的路由协议第五章无线传感器网络应用的基本方法和实践技巧5.1 无线传感器网络应用的实验平台5.2 无线传感器网络应用的程序设计5.3 无线传感器网络应用的实际应用案例教学方式本课程采用课堂讲授、实验、讨论等多种教学方式，强调理论与实践相结合，注重学生的探究与实践能力培养。
考核方式学生的考核将包括课堂表现、实验报告、设计案例报告以及课程论文等形式。
其中，实验和设计部分的考核占主要比重。
参考书目- 《无线传感器网络技术》- 《无线传感器网络与物联网》- 《无线传感器网络的设计与实现》。
无线传感器网络技术
无线传感器网络技术在现代科技发展的大背景下，无线传感器网络技术正在成为人们关注的焦点。
随着物联网的发展和需求的增加，无线传感器网络技术作为物联网的基础和关键技术，扮演着重要的角色。
本文将对无线传感器网络技术进行全面的介绍和探讨。
一、无线传感器网络概述无线传感器网络是由大量分散在一定区域内的传感器节点组成的网络系统。
每个传感器节点拥有一定的计算、传输和感知能力，能够进行数据采集、处理和传输。
这些节点通过无线通信方式进行互联，形成一个分布式的网络系统。
二、无线传感器网络的组成无线传感器网络由传感器节点、数据传输、网络拓扑和网络协议等组成。
传感器节点负责感知环境信息，并将采集到的数据传输到其他节点或中心节点。
数据传输是通过无线通信技术实现的，可以使用无线电、红外、蓝牙等技术进行数据传输。
网络拓扑决定了节点之间的连接方式，可以采用星型、网状、树状等拓扑结构。
网络协议则用于协调和管理数据传输，在无线传感器网络中起到了至关重要的作用。
三、无线传感器网络的应用领域无线传感器网络技术广泛应用于农业、环境监测、智能交通、智能家居等领域。
在农业方面，无线传感器网络可以实现土壤湿度、气温等参数的实时监测，帮助农民提高农作物的生长质量和产量。
在环境监测方面，无线传感器网络可用于水质监测、空气质量监测等，对环境污染进行实时监控和预警。
在智能交通方面，无线传感器网络可以帮助交通管理部门实时监测路况，提供交通信息和导航服务。
在智能家居方面，无线传感器网络可以实现家庭设备的互联互通，实现智能化操控。
四、无线传感器网络的挑战与发展无线传感器网络技术在应用过程中也面临着一些挑战。
首先是能源供应问题，由于传感器节点通常部署在无人区域或者远离电源，节点的能源供应是一个难题。
其次是网络安全问题，传感器网络中涉及到的数据传输和处理需要保障信息的安全性。
此外，无线传感器网络还需要解决网络布局和拓扑优化、数据处理和传输效率等问题。
未来，无线传感器网络技术有望进一步发展。
无线传感器网络概论
15
历史以及发展现状
2019-2019年DARPA资助，加州大学伯克 利分校等25个机构联合承担的SensIT计划；
2019-2019年间海军研究办公室的SeaWeb计 划等。 • 国内：
中国的一些研究机构近年开始研究：中国 科学技术大学、清华大学、中科院计算所、上 海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智能所等 研究单位 。
发送状态、接受状态、侦听状态、睡 眠状态。
各状态耗能按上述顺序依次减少 ，因此通常采用”侦听/睡眠”交替 使用的无线信道使用策略。
39
WSN的协议
• MAC协议
针对不同的传感器网络应用，提出不同 的MAC协议，主要分3类：
– 时分复用（TDMA）的MAC协议。 – 随机竞争的MAC协议。 – 其他MAC协议。如：频分复用或码分
Traditional critical path: From the time the sender reads its clock, to when the 44 receiver reads its clock
NIC Sender
Receiver 1
Receiver 2
Critical Path
46
Any Questions
机器人与信息自动化研究所
Institute of Robotics & Automatic Information System
谢谢观看
共同学习相互提高
18
WSN的应用（续）
☆环境观测和预报系统 可以用于检视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和
家禽的环境状况和大面积的地表监测、气象和地理研究、洪 水监测等。 例：ALERT系统中就有用于监测降雨量、河水水位和土壤 水分，并依此预测爆发山洪的可能性。
历史以及发展现状
2019-2019年DARPA资助，加州大学伯克 利分校等25个机构联合承担的SensIT计划；
2019-2019年间海军研究办公室的SeaWeb计 划等。 • 国内：
中国的一些研究机构近年开始研究：中国 科学技术大学、清华大学、中科院计算所、上 海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智能所等 研究单位 。
发送状态、接受状态、侦听状态、睡 眠状态。
各状态耗能按上述顺序依次减少 ，因此通常采用”侦听/睡眠”交替 使用的无线信道使用策略。
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WSN的协议
• MAC协议
针对不同的传感器网络应用，提出不同 的MAC协议，主要分3类：
– 时分复用（TDMA）的MAC协议。 – 随机竞争的MAC协议。 – 其他MAC协议。如：频分复用或码分
Traditional critical path: From the time the sender reads its clock, to when the 44 receiver reads its clock
NIC Sender
Receiver 1
Receiver 2
Critical Path
46
Any Questions
机器人与信息自动化研究所
Institute of Robotics & Automatic Information System
谢谢观看
共同学习相互提高
18
WSN的应用（续）
☆环境观测和预报系统 可以用于检视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和
家禽的环境状况和大面积的地表监测、气象和地理研究、洪 水监测等。 例：ALERT系统中就有用于监测降雨量、河水水位和土壤 水分，并依此预测爆发山洪的可能性。