01_第1章 WSN概述.ppt.Convertor
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无线传感器网络(Wireless Sensor Network，英文简称WSN)一种全新的信息获取和处理技术。
集微机电技术、传感器技术和通信技术为一体的技术。无线通讯技术是无线传感器网络的支
撑技术之一。
无线通讯技术几个重要概念：电磁波与信道、调制与解调
电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场和磁场在空间以波的形式移动，其传播方向垂直于电
场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。
信道可以从狭义和广义两方面理解，狭义信道即信号传输的媒质，分为有线信道和无线信道；
广义信道除包括传输媒质外还包括有关的转换器
信道分为有线信道和无线信道：有线信道即常用的电缆线或光纤等，无线信道即日常生活中
的常用的收集信号的传输。
广义信道按功能可以分为模拟信道（即调制信道）和数字信道（即编码信道）。
调制信道（模拟信道）：传输模拟信号的信道称为模拟信道，模拟信号的电平随时间连续变
化，语音信号是典型的模拟信号。
编码信道（数字信道）：数字信道是一种离散信道，它只能传送离散的数字信号。
调制解调主要通过调制解调器使模拟信号与数字信号相互转换。
调制就是把数字信号转换成有线设备传输的模拟信号。
解调是把模拟信号转换为数字信号。
目前最常见的短距离的无线通信技术有IrDA/红外、蓝牙、WIFI（802.11标准）和Zigbee
技术。
IrDA/红外技术 指向性要求高，点到点通信
蓝牙技术 2.4G技术，传输数据速率小
WIFI 技术 2.4G频段，数据速率高
Zigbee 技术 2.4G频段,短距离、低复杂度、低成本
无线传感器网络最早起源于美国，应用于美国军方。
无线传感器网络的定义：
无线传感器网络，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。其
目的是协作地感知、采集和处理传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用
户。
实现了三种功能数据采集 数据处理 数据传输对应传感器技术 计算机技术 通信技术
从无线传感器网络的发展过程来看，可以划分为四个阶段：
WSN产生和发展
第一代传感器网络是将传统的传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成。
第二代传感器网络在第一代传感器网络的基础上增加了获取多种信息信号的综合处理能力，
并通过与传感控制器的相连，组成了具有信息综合和信息处理能力的传感器网络。
第三代传感器网络是指基于现场总线的智能传感器网络。现场总线是连接智能化现场设备和
控制室之间的全数字、开放式的双向通信网络。现场总线技术的发展最终导致现场总线控制
系统取代第二代传感器网络。
21世纪，微机电系统（Misro-Electro-Mecchanical Systems，简称MEMS）技术、低功耗的
模拟和数字电路技术、低能耗的无线射频技术的发展使得开发小体积、低成本、低功耗的微
传感器成为可能，将成千上万个体积小、重量轻的传感器协同工作，就构成了第四代无线传
感器网络。
传感器与WSN关系
传感器负责在传感器网络中感知和采集数据，处于无线传感器网络的感知层，是获识物体，
采集信息的设备；
传感器是传感器网络中的感知部件；
传感器网络为传感器提供网络连接，使传感器具有智能处理的能力；
无线传感器网络中传感器的应用是物与用户（包括人、组织和其他系统）的接口。
物联网的定义：物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装
置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、
物与物信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的。
物联网体系结构：
感知层实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制，并通过通信模块将物理
实体连接到网络层和应用层。
网络层主要实现信息的传递、路由和控制，包括延伸网络、接入网和核心网络。
应用层包括应用基础设施/中间件和各种物联网的应用。应用基础设施/中间件为物联网应用
提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物联网在
众多领域的各种应用。
物联网与WSN关系
1、 物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，利用感知技术与智能装置对物理世界
进行感知识别。
2、 WSN是利用各种传感器加上中低速的近距离无线通信技术构成的传感器模块和组网模
块独立网络。
3、 物联网的概念比传感器网络概念大一些，无线传感器网络是构成物联网感知层和网络层
的一部分，是物联网的重要组成部分。
4、 一个完整的物联网是由无数个WSN网络建立起来的。
WSN体系结构—网络结构
传感器节点：其功能是监测数据并沿着传感器节点逐跳的进行传输。
汇聚节点：用于连接传感器网络、互联网和Internet等外部网络，各方面能力相对于传感器
节点较强，可实现几种通信协议之间的转换。同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数
据转发到外部网络。汇聚节点可以是一个具有增强功能的传感器节点（比如：协调器），有
足够的能量和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网
关设备。
任务管理节点：直接面向用户，汇聚节点通过外部网络将传感器节点采集的数据传递给任务
管理节点，用户就可以管理数据，并发布监测信息。
检测区域内传感器节点具有特点：
大量的传感器节点以分布式随机部署在检测区域内或者附近，通过自组织方式构成网络
通常是一个微型的嵌入式系统，处理能力、存储能力和通信能力较弱
在传输过程中，检测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，所以传感器节
点不仅要对本地的信息进行采集处理，同时要协助其他节点完成数据转发的功能。
WSN体系结构—节点结构
能量供应模块为传感器节点的其他模块提供运行所需的能量，通常采用微型电池。
传感器模块包括传感器和AD/DA模块。传感器负责监测区域内信息的采集。
处理器模块包括处理器和存储器，负责控制整个节点的操作、存储和处理本身采集的数据以
及其他节点转发来的数据。
无线通信模块负责与其他节点进行无线通信、交换控制信息和收发采集数据。
嵌入式软件系统是WSN的重要支撑，软件协议栈由物理层、数据链路层、传输层、应用层
WSN体系结构—WSN协议栈
物理层：负责载波频率的产生、信号的调制解调和无线收发技术。
MAC层：负责数据成帧、帧校验、媒体接入和差错控制
网络层：负责路由的发现和维护
传输层：主要负责数据流的传输
应用层：由各种面向应用的软件系统构成
WSN体系结构—体系结构的设计
节点资源的有效利用
支持网内数据处理
支持协议跨层设计
增强安全性
支持多协议
支持有效的资源发现机制
支持可靠的低延时通信
支持容忍延时的非面向连接通信
开放性
WSN特点—与现有无线网络的区别
无线网络可以分为两种：
一种是有基础设施的网络，此类网络需要有固定的基站；
一种是无基础设施的网络，又称无线自组织网络（Ad Hoc Network）。
无线传感器网络和Ad Hoc网络差别主要集中在以下三个方面：节点规模、节点部署和工作
模式。
WSN特点—特点
大规模网络
自组织网络
动态性网络
可靠的网络
应用相关网络
以数据为中心
TinyOS操作系统：加州大学伯克利分校(UC Berkeley,UCB)的David Culler领导研究小组为
无线传感器网络量身定制的嵌入式操作系统。
TinyOS技术特点组件化编程：TinyOS提供一系列可重用的组件，一个应用程序可以通过连
接配置文件将各种组件连接起来，以完成它所需要的功能。
事件驱动模式，TinyOS的应用程序都是基于事件驱动模式的，采用事件触发去唤醒传感器
工作。
轻量级线程，即任务。任务之间是平等的，不能相互抢占，按先入先出队列进行调度。
两级调度方式，任务（即一个进程）一般都用于事件要求不是很高的应用中。
分阶段作业；主动消息通信，每一个消息都维护一个应用层的处理程序。
TinyOS体系结构 硬件抽象组件是将物理硬件映射到TinyOS的组件模型。
综合硬件组件则模拟高级的硬件行为，如感知组件、通信组件等。应用组件实现控制、路由
以及数据传输等应用层的功能。
高层软件组件向底层组件发出命令，底层组件向高层组件（应用组件）报告事件。
WSN相关技术Zigbee技术RFID技术GPRS技术
