无线传感器网络（WSN）综述,2010/5/6,主要内容：,WSN概述 历史以及发展现状 WSN的体系结构 WSN的特征 WSN的应用 WSN的协议 关键技术 未来发展机遇展望,WSN概述,无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）系统是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。,WSN概述（续）,无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）就是由部署在检测区域内大量的廉价卫星传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。 构成WSN的三要素： 传感器、感知对象、观察者。,WSN概述（续）,影响力: 美国商业周刊和MIT技术评论(技术编辑部门)在预测未来技术发展报告中将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。 传感器网络被列为未来3大高科技产业一。 美国的技术评论将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术。 商业周刊 预测的未来4大新技术中，无线传感器网络也列入其中等。,历史以及发展现状,国外： 起源于美国，根源可追溯到1978年由国防部高级研究计划署（DARPA）在卡内基-梅隆大学发起的分布式传感器研讨会。 具有代表性的项目包括：1993-2019年间由美国国防高级研究计划署(DARPA)资助，加州大学洛杉矶分校(UCLA)承担的WINS项目； 2019-2019年间由DAPRA资助UC Berkeley承担的Smart Dust项目。,历史以及发展现状（续）,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 。,历史以及发展现状（续）,之所以国内外都投入巨资研究机构纷纷开展无线传感器网络的研究，很大程度归功于其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。,WSN的体系结构,传感器网络结构,数据采集、处理、通信能力,WSN的体系结构（续）,传感器节点结构,MAC主要负责控制与连接物理层的物理介质,WSN的体系结构（续）,传感器网络协议栈,传感器网络由物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层、能量管理平面、移动性管理平面和任务管理平面八个部分组成。,WSN的特征,与无线网络的区别 传感器网络集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目庞大（上千甚至上万），分布密集，因环境和能量的耗尽，容易出现故障。能量、处理能力、存储能力、通信能力有限。不同于传统无线网络的高服务质量和高效的带宽的利用，节能是其设计的首要考虑因素。,WSN的特征（续）,节点的限制 电池能量有限 通信能力有限 能量消耗和通信距离关系E正比于d (n).2n4 计算和存储能力有限,WSN的特征（续）,传感器网络的特点： 大规模网络 自组织网络 动态性网络 可靠性网络 应用性相关的网络 以数据为中心的网络,特点之一大规模网络,传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内（原始大森林防火和环境监测），需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。,特点之二自组织网络,在传感器网络应用中，传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道（通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域）。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。,特点之三动态性网络,传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。,特点之四可靠的网络,由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器 节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。,特点之五应用相关的网络,传感器网络用来感知客观世界多种多样的物理量，不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。所以传感器网络不能像 Internet -样，有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。,特点之六以数据为中心的网络,在互联网中，网络设备用网络中惟一的 IP 地址标识。 传感器网络中的节点采用节点编号标识，由于传感器节点随机部署，节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。（如，在目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。）,WSN的应用,军事上的应用 传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合军事上的应用。通过飞机或炮弹直接将传感器节点散播到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感网络，就能隐蔽而且近距离的准确收集战场信息。 例:传感器网络已经成为美军事C4ISRT系统必不可少的一部分。,WSN的应用（续）,环境观测和保护,英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州“大鸭岛“上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。,WSN的应用（续）,医疗护理 用于人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。 例：一个可以成像的特殊发送器芯片与精巧设计的超低功率无线技术结合，就可以实现可用于一个胃肠道诊断的微型吞服摄像胶囊。患者吞下维C片大小的成像胶囊后，胶囊经过食道、胃和小肠时就可将图象广播出来。胶囊由一个摄象机、LED、电池、特制芯 片和天线组成。 （如图）,WSN的应用（续）,WSN的应用（续）,智能家居 家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连在一起。为人提供人性化的家居环境。 例：Avaak 提供一个只有1立方英寸大小的自治产品。这个微型的无线视频平台包含有一节电池、无线电、摄像相机、(彩色成像器加镜头)、控制器、天线和温度传感器。（如图 ）,WSN的应用（续）,WSN的应用（续）,建筑物状态监控 利用传感器网络监控建筑物的安全状态。 例：Microstrain在佛蒙特州的一座重载桥梁上安装了一套该公司研制的系统，将位移传感器安装在钢梁上用来测量静态和动态应力，并通过无线网络来采集数据。该无线系统可以保留在桥梁上用于长期监测桥梁是否处于正常受控状态 。 （如图 ）,WSN的应用（续）,WSN的应用（续）,完成空间探索 借助于航天器在外星体撒播一些传感器网络节点，可以对星球表面进行长时间监测。成本低、节点体积小，相互之间可以进行通信，也可以和地面站进行通信。 例：NASA的JPL（Jet Propulsion Laboratory）实验室研制的Sensor Webs(感应网)就是为将来的火星探测进行技术准备。该系统已经在实施测试和完善。,MAC协议,在无线传感器网络中，介质访问控制协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。 设计MAC协议时考虑： 节省能量 可扩展性 网络效率,MAC主要负责控制与连接物理层的物理介质,MAC协议_ MAC网络能量浪费主要原因：,数据重传，耗费节点更多能量。 节点接受不必要的数据。 节点不需要发送数据时，过度侦听。 信道分配时，控制消息过多。,MAC协议,节点无线通信模块的状态包括：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。,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：频分复用或码分复用等协议。,WSN的协议_ MD协议,节点平均耗能表示为：P=a * P0 +（1-a）* Ps P：平均功耗。 a：节点工作占空比。 P0： 活动状态下的功耗。 Ps：待机状态下的功耗。,WSN的协议（续）,MD(Mediation Device)协议 对于大多数应用P0Ps.所以可以通过降低占空比来延长寿命。但是对于极低的占空比来说，节点间同步非常困难，网络工作时，所有节点99.9%处于待机状态，引入仲裁设备(MD协议)就是保持功耗最小化的同时实现稳定的时间同步。 工作过程如下：,一个完整的唤醒周期包括休眠时段和监听时段。监听时段与唤醒时段的时间长度之比就是占空比。,WSN的协议_MD(Mediation Device)协议,节点A连续发送RTS(请求和发送)信标并等待RTS应答。 节点B醒来发送一个查询信标，MD记录A、B之间的时间偏移。收到节点B的查询信标后，MD发送一个响应消息给节点B，告诉B节点A要发消息给它。并告诉它与A之间的时间差。 B收到MD的查询响应消息后，调节与A同步，传消息。 得到消息被收到的确认后，A和B均返回原来状态。,清除发送阶段,WSN的协议（续）,路由协议 和传统的路由协议相比，无线传感器的路由协议有以下特点： 能量优先 基于局部拓扑信息 以数据为中心 应用相关,WSN的协议（续）,路由协议分类 能量感知路由协议。 基于查询的路由协议。 地理位置的路由协议。 可靠的路由协议。,关键技术,网络拓扑控制 网络协议 网络安全 时间同步 定位技术 数据融合 数据管理 无线通信技术 嵌入式操作系统 应用层技术,未来发展机遇展望,可能会有人这样想，既然其还处于科研到应用的过渡阶段，那么其所有领域都是未来的发展机会，的确，但是还有些领域值得特别关注：如无线 ad hoc网络路由算法、开发真正低功耗混合信号的CMOS工艺、开发使用的能量收集系统，各种实用的系统也许是未来无线传感器网络发展中的最大机会。无线传感器网络的发展将是无线行业今后的主要增长点！,