物联网技术与应用武奇生电子课件201510版第5章节.ppt

尚辅网 / 物联网 武奇生 第五章 无线传感器网络简介 无线传感器网络的概念 无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Networks）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域里被监测对象的信息，并发送给远程监测中心。人们又称无线传感器网络为“智能尘埃（Smart Dust）”，将它散布于四周以实时感知物理世界的变化。 5.1 无线传感器网络概述 无线传感器网络体系结构 无线传感器网络的系统架构通常包括传感器节点(Sensor node)、汇聚节点(Sink)和管理节点(Manager Node)。 图5-1 无线传感器网络的系统架构 大量传感器节点随机密布于整个被观测区域中，通过自组织的方式构成网络。传感器节点在对所探测到的信息进行初步处理之后，以多跳中继的方式将其传送给汇聚节点，然后经卫星、互联网或是移动通信网络等途径到达最终用户所在的管理节点。终端用户也可以通过管理节点对无线传感器网络进行管理和配置、发布监测任务或是收集回传数据。 传感器节点通常是一个嵌入式系统，由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制，它的处理能力、存储能力相对较弱，通信距离也很有限，通常只与自身通信范围内的邻居节点交换数据。要访问通信范围以外的节点，必须使用多跳路由。为了保证采集 到的数据信息能够通过多跳送到汇聚节点，节点的分布要相当密集。从网络功能上看，每个传感器节点都具有信息采集和路由的双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要存储、管理和融合其他节点转发过来的数据，同时与其他节点协作完成一些特定任务。 汇聚节点通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，它既可以是一个具有足够能量供给、更多内存资源和计算能力的增强型传感器节点，也可以是一个带有无线通信接口的特殊网关设备。汇聚节点连接传感器网络与外部网络，通过协议转换实现管理节点与传感器网络之间的通信，把收集到的数据信息转发到外部网络上，同时发布管理节点提交的任务。 传感器节点由传感单元、处理单元、无线收发单元和电源单元等几部分组成。 图5-2 无线传感器网络节点结构 传感单元由传感器和数/模转换模块组成，用于感知、获取监测区域内的信息，并将其转换为数字信号； 处理单元由嵌入式系统构成，包括处理器、存储器等，负责控制和协调节点各部分的工作，存储和处理自身采集的数据以及其他节点发来的数据； 无线收发单元由无线通信模块组成，负责与其他传感器节点进行通信，交换控制信息和收发采集数据；电源单元能够为传感器节点提供正常工作所必需的能源，通常采用微型电池。 无线传感器网络的体系结构由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑平台这三个部分组成。 无线传感器网络的体系结构 分层的网络通信协议 ：类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系，网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。 网络管理平台：主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理，它包括了拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。 应用支撑平台：建立在分层网络通信协议和网络管理技术的基础之上，它包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。 (1)时间同步 (2)定位 (3)应用服务接口 (4)网络管理接口 无线传感器网络的特点 (1)分布式 (2)自组织 (3)拓扑变化 (4)多跳路由 (5)安全性差 无线传感器网络与无线自组网络有着许多相似之处，但是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，专注于从外界获取有效信息。除此之外，无线传感器网络还具有以下一些区别于无线自组网络的独有特征。 (1)规模大、密度高 (2)动态性强 (3)应用相关 (4)以数据为中心 (5)可靠性 (6)节点能力受限 5.2 无线传感器网络研究进展 无线传感器网络的发展跨越了三个阶段：无线数据网络、无线传感器网络、普适计算。 1．无线数据网络 1) ALOHA系统 2)分组无线网 3)无线局域网 4)无线个域网 5)无线自组网络 5.2.1 无线传感器网络的发展历程 2．无线传感器网络 1) Sensor IT 2)WINS 3)Smart Dust 4)Sea Web 5)Hourglass 6)Sensor Webs 7)IrisNet 8)NEST 3．普适计算 1991年，Mark Weiser提出了“普适计算(Pervasive Computing)”的思想，