物联网导论(第4章)无线传感器网络.pptx

第4章 无线传感器网络学习目标本章主要掌握无线传感器网络的基本构成与特点，了解无线传感器网络的关键技术与应用难点。了解IEEE 802.15.4标准及ZigBee协议规范，了解无线传感器网络的路由协议与拓扑控制、节点定位、时间同步的原a理与算法。本章知识点IEEE 802.15.4标准、ZigBee协议规范无线传感器网络的路由协议与拓扑控制节点定位无线传感器网络时间同步4.1 概述定义：无线传感器网络是物联网感知控制层的重要组成部分之一，它是由部署在感知区域内的大量传感器节点间相互通信而形成的一个多跳自组织网络系统。传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。2001年1月《MIT 技术评论》将无线传感器列于十种改变未来世界新兴技术之首。2004年《IEEE Spectrum》杂志发表一起专集：传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。我国未来 20 年预见技术的调查报告中，信息领域 157 项技术课题有7项与传感器网络直接相关。2006 年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与无线传感器的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。随着物联网的提出及进一步发展，无线传感器网络被赋予了新的内涵，它不只是简单意义上的监测、监视，而是具有了“感知”内涵，在物联网的框架内，它的发展和应用将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。4.1.1 无线传感器网络的概念与特点1无线传感器网络的概念无线传感器网络：就是部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成的，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。三要素：传感器，感知对象和观察者。基本功能：协作感知，采集和处理信息。无线传感器的拓扑结构也会随着节点的移动而发生改变。无线传感器网络节点之间以Ad hoc方式进行通信，每个节点即可以作为终端来实现感知功能，又可作为路由器来执行动态有哪些信誉好的足球投注网站，定位和恢复连接的功能。2无线传感器网络的体系结构（1）无线传感器节点结构构成：一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分构成。（2）无线传感器网络系统结构无线传感器网络系统：通常由大量的传感器结点(sensor node)、汇聚结点(sink node)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域(sensor field)，通过自组织的方式构成网络。（3）无线传感器网络协议体系结构3无线传感器网络的特点（1）电源供给有限（2）通信能力有限（3）计算能力有限（4）网络规模大，分布广（5）自组织、动态性网络（6）以数据为中心的网络（7）是与应用相关的网络4.1.2 无线传感器网络的关键技术与应用难点1 WSN的关键技术通信协议：涉及物理层、数据链路层、网络层和传输层，以及各个不同层之间的相互配合和标准接口，这就要求形成一个完整的网络的通信协议体系以满足能量受限、拓扑结构易变的特点。WSN的支撑技术：WSN支撑技术的应用可使各行各业的用户能够在各种不同的环境中建立起面向应用的信息服务。因此，WSN的支撑技术可以极大地降低应用的复杂度。自组织管理技术：包括传感器节点管理、网络资源与任务管理、无线传感器网络中各个环节的数据管理、初始化和整个网络系统的运行维护管理等。2物联网中无线传感器网络应用的难点承载通信网的异构与互联异构终端间的通信与互联大结构数据融合与异构下的数据融合安全性问题4. 2 IEEE 802.15.4标准及ZigBee协议规范ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的高层技术，该技术的物理层和MAC(Medium Access Control，MAC介质访问控制)直接引用IEEE 802.15.4。ZigBee协议规范的基础是IEEE 802.15.4，这两者之间有着非常密切的关系。4.2.1 IEEE802.15.4标准1 IEEE802.15.4主要性能IEEE802.15.4标准是短距离无线通信的个域网标准，规定了个域网中设备间的无线通信协议和接口。标准采用了CSMA/CA媒体访问控制方式，网络的拓扑结构可以是点对点或星形结构。通信协议主要描述了物理层和MAC层标准，通信距离一般在数十米的范围之内。MAC层的功能是进行处理所有对物理层的访问的，并负责完成信标的同步、支持个域网络关联和去关联、提供MAC实体问的可靠连接、执行信道接入等任务。主要性能：频段、数据传输速率及信道个数：在868MHz频段，传输为20kbit/s，信道数为1个；在915MHz频段，传输为40kbit/s，信道数为10个；在2.4GHz频段，传输为250kbit/s，信道数为16个。通信范围：室内，通信距离为10m时，传输速率为250kbit/s