1第1章 WSN概述1.1 概述 1.2 传感器与WSN 1.3 物联网与WSN 1.4 WSN体系结构 1.5 WSN特点 1.6 WSN操作系统 1.7 WSN相关技术 1.8 应用领域 小结2本章目标 理解无线传感器网络的定义。 理解物联网的概念。 理解无线传感器网络与物联网的关系。 了解传感器的分类。 了解传感器与传感器网络之间的关系。 掌握无线传感器网络的体系结构。 了解无线传感器网络的特点及应用。 了解无线传感器网络操作系统。 了解与无线传感器网络相关的技术。3学习导航4无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是一种全新的信息获取和处理技术，是集微机电技术、传感器技术和无线通信技术为一体的技术，而无线通信技术是无线传感器网络的支撑技术之一。1.1 概 述51.1.1 无线通信技术本小节将介绍无线通信技术几个重要的概念：电磁波与信道、调制解调以及几种短距离无线通信技术。1. 电磁波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传递能量和动量，其传播方向垂直于电场与磁 场构成的平面。18世纪物理学家麦克斯韦预言了电磁波的存在，后由赫兹用实验证明了电磁波的存在。6俄国的波波夫和意大利业余无线电家马克尼同时独立地发 明了天地线制(当把发射电磁波的天线与接收机的天线及地线相互连接时，电磁波将转化为脉冲电流)，至此无线电通信开始进入实用阶段。无线电波的频率范围为3 Hz300 GHz，对应的波长为1000 km1 mm。电磁波波段的划分如表1-1所示。7表1-1 电磁波波段划分8无线电波的传播方式因波长的不同产生不同的传播特性，可以分为如下三种形式： 地波：沿地球表面空间向外传播的无线电波，中、长波均利用地波方式传播。 天波：依靠电离层的反射作用传播天线的电波，短波多利用这种方式传播。 空间波：沿直线传播的无线电波，它包括由发射点直接到达接收点的直射波和经地面反射到接收点的发射波，微波的电视和雷达多采用空间波方式传播。92. 信道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，如：发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等。本小节将详细讲解广义信道。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)。广义信道模型如图1-1所示。10图1- 1广义信道模型11 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。另外，模拟信道传送数字信号必须经过数字信号和模 拟信号之间的A/D转换器，调制/解调器就是完成此项工作的。123. 调制与解调调制/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；解调则是把模拟信号转换为数字信号。两者合 称调制/解调。调制/解调的分类有多种方式，按照调制方式可分为： 模拟调制：包括三种调制方法，即模拟调制、脉冲调制和复合调制。 模拟调制：调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)。13 脉冲调制：脉冲幅度(PAM)、脉冲相位(PWM)、脉冲编码(PCM)。 复合调制：正交幅度调制(QAM)。 数字调制：包括通断键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)。调制/解调按照解调方式可分为： 检波法：适合调幅(AM)。 同步解调：适合大部分调制。144. 短距离无线通信技术随着通信技术的发展，出现了许多短距离无线通信技术，而它们往往带有自己的通信协议，不同的通信协议有着不同的应用。目前最常见的短距离无线通信技术有 IrDA/红外、蓝牙、WIFI(802.11标准)和Zigbee技术。IrDA/红外技术最早应用于红外探测仪。1800年，FW赫歇尔使用水银温度计发现红外辐射，这是最原始的热敏型红外探测仪，从此掀起红外热潮。红外应用产品种类繁多，有红外热像、红外通信、红外光谱仪、红外传感器，且应用范围广泛，应用于工业、农业、军事、医疗与人们生活息息相关的各方面。15但是红外对指向性要求较高，要求点对点通信且中间不能 有阻碍物的阻挡，并且红外无线传输对于发射功率要求较 高，使得红外应用有一些局限性。但是在某些应用场合， 红外技术仍然占据着主导地位，例如家电的遥控器。蓝牙通信是一种基于2.4G技术的无线传输协议通信方 式，由于采用的协议不同于其他2.4G技术协议，而称为蓝牙技术。就目前来说，蓝牙技术较广泛的应用是手机的蓝 牙通信和蓝牙耳机，由于大部分的手机和音频设备都集成 蓝牙功能，并且蓝牙设备不需要设置发射机，仅需要蓝牙 耳机这个接收机就可以工作，从而降低了成本。蓝牙相对 于WIFI的缺点是它的传输数据量小，仅能达到每秒1M左右，并且没有实现真正意义的组网。16WIFI是基于802.11标准的通信技术，工作在2.4G频段，带宽比较大，802.11b标准的最高带宽达到11 Mb/s，802.11n标准已经将传输速率提高到300 Mb/s。其主要特点为速度快，可靠性高，方便与现在的有线以太网整合。 WIFI与蓝牙相比优势在于无线电波的覆盖范围广，但是无线通信传输的质量不是很好，数据安全性相对于蓝牙差一些，传输质量也有待于改善。Zigbee是一种新兴的短距离、低复杂度、低数据速率、低成本的无线网络技术，同样工作在2.4G频段。Zigbee联盟于2001年8月成立。Zigbee联盟认为Zigbee和蓝牙的关系互为补充，而不是相互竞争。17Zigbee技术的特点是可靠、时延短、网络容量大、安全保密、高度的灵活性和低成本，可以形成星形、树形、网状及其共同组成的复合结构，可通过互联网或者移动网相连 。蓝牙、WIFI、Zigbee三种技术比较如表1-1所示。18表1-2 蓝牙、WIFI、Zigbee三种技术的比较191.1.2 产生和定义1. 无线传感器网络的产生无线传感器网络(简称无线传感网)的研究起源于20世纪70年代，是一种特殊的无线网络，最早应用于美国军方，例如空中预警控制系统。这种原始的传感器网络只能捕获单一信号，传感器节点进行简单的点对点通信。1980年，美国国防部高级研究计划局提出了分布式传感器网络项目，开启了现代无线传感器网络研究的先例。此项目由美国国防部高级研究计划局信息处理技术办公室 主任Robert Kahn主导，20并由卡耐基梅隆大学、匹兹堡大学和麻省理工学院等大学研究人员配合，建立一个由空间分布的低功耗传感器节点 构成网络，这些节点之间相互协作并自主运行，将信息送 达处理的节点。20世纪8090年代，无线传感器网络的研究依旧主要应用于军事领域方面，并成为网络中心站思想中的关键技 术。1994年，加州大学洛杉矶分校的Willian JKaiser教授 向DARPA提交了研究建议书“Low Power Wireless Integrated Microsensors”。1998年，GJPottie从网络的研究角度重新阐释了无线传感器网络的科学意义。同年，美国 国防部高级研究计划局投入巨资使用启动SensIT项目，目 标是实现“超视距”战场监测。211999年9月，美国商业周刊将无线传感器网络列入21世纪最重要的21项技术之一，被预见为21世纪人类信息研究领域所面临的重要挑战之一。进入21世纪后，随着无线通信技术、计算机技术和传感器技术的发展，对无线传感器网络有了更明确的定义。222. 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。在这个定义中，无线传感器网络实现了数据采集、处理和传输三种功能，对应着现代三大基础信息技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。由于无线传感器网络技术具有低功耗、低成本、分布式和自组织的特点，因此被广泛应用于工业、农业、军事、医疗方面。无线传感器网络的发展无疑给信息感知带来了意义重大的一场变革。231.1.3 WSN的发展2000年以后，无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注，被誉为是全球未来的四大高新技术产业之 一。2001年，美国陆军提出了“灵巧传感器网络通信计划”，并在20012005财政年度期间批准实施，其基本思想是：在战场上布设大量的传感器用于收集和传输信息，并对相关的原始数据进行过滤，把重要的信息传送到各数据融合中心，将大量的信息集成为一副战场全景图，使参战人员对战场态势的感知能力大大提高。242002年10月24日，因特尔公司发布了“给予微型传感器网络的新型计算机发展规划”，计划宣称因特尔公司将致力于微型传感器网络在医学、环境监测等方面的应用。2003年，美国自然科学基金委员会制定无线传感器网络研究计划，并在加州大学洛杉矶分校成立了无线传感器网络研究中心，联合周边的康奈尔大学伯克利分校、南加 州大学等，开展“嵌入式智能传感器”的研究项目。目前，美国大多数知名院校几乎都有课题组在从事传感器网络相关技术的研究，日本、英国、加拿大等国家的科研机构也加入了传感器网络的研究。这表明无线传感器网络开始深入人们生活的各方面。25从无线传感器网络的发展过程来看，可以划分为如下四个阶段： 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。26 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，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。27传感器是一种装置或器件，国家标准GB 766587对传感器的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件 和转换元件组成。”无线传感器网络通过传感器来识别物体，并采集数据。传感器不仅数量多，品种也比较复杂，是无线传感器网络的重要组成部分。1.2 传感器与WSN281.2.1 传感器传感器的作用主要是感受和测量物理世界的被测量物，将采集量按一定规律将其转换成有用输出：将非电量转换为电量。传感器的组成原理如所示。29图1-2 传感器的组成原理30 敏感元件：传感器的重要组成部分，其作用是感受物理世界的信息并将其转变为电信息，完成非电量的预变换。 变换器：将感受的非电量变换为电量的器件。例如电阻变换器和电感变换器，可将位移量直接变换为电容值、电阻值及电感值。变换器也是传感器不可缺少的重要组成部分。31在具体实现非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有的手段直接变换为电量，有些必须进行预变换，将待测的非电量变为易于转换成电量的另一种非电量。在实际情况中，由于一些敏感元件直接可以输出变换后的电信号，所以经常无法严格区分敏感元件和变换器。传感器的种类繁多，分类方法也比较多。通常可以按被测物理量、工作原理、信号变换特征、能量转换情况等分类。321.2.2 传感器与传感器网络的关系顾名思义，无线传感器网络离不开传感器，传感器负责在传感器网络中感知和采集数据。它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。传感器与传感器网络的关系如下： 传感器是传感器网络中的感知部件。传感器网络中部署了多种类型的传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器