1江苏大学计算机学院物联网系传感网传感网与与TinyOS主讲教师：熊书明主讲教师：熊书明Mail: xsmmail.ujs.edu.cn Mobile Tel. : 139-1456-1193新的课程、新的起点、新的跨越！新的课程、新的起点、新的跨越！2江苏大学计算机学院物联网系课程基本情况课程基本情况v教材教材李士宁等李士宁等.传感器原理与技感器原理与技术，机械工机械工业出版社出版社. 2014年年5月第月第1版版 .v参考教材参考教材1.无线传感器网络技术及其应用，王汝传主编，人民邮电出版社，2011年4月第1版。2.无线传感器网络技术，郑军主编，机械工业出版社，2012年6月第1版。3.无线传感器网络的理论及应用，王殊主编，北京航空航天大学出版社，2007年7月第1版。4.ZigBee技术与应用-CC2430设计、开发与实践，郭渊博主编，国防工业出版社，2010年。v课时： 60 （其中：（其中：讲课学学时45，实验学学时15） v考考试： 2课时3江苏大学计算机学院物联网系考核方法考核方法v考考试部分部分卷面分卷面分100分，占分，占总评分数的分数的70%v平平时部分部分总计30分，由分，由课堂表堂表现、出勤及作、出勤及作业体体现计分分规则课堂表堂表现：加分加分点名缺勤：点名缺勤：减分减分作作业分分值：不交，减分；成：不交，减分；成绩好，加分好，加分4江苏大学计算机学院物联网系课程目标定位课程目标定位v专业必修必修课 、承上启下承上启下 程序设计基础物联网硬件基础通信原理概论计算机网络【操作系统】v从从传感网感网组织、无、无线传感网感网应用开用开发的两个角度分析：无的两个角度分析：无线传感网感网 工作原理及开工作原理及开发问题v强调传感网体系感网体系结构、工作原理、构、工作原理、实验技能和初步技能和初步应用开用开发能力能力学习方法推荐学习方法推荐v自学：归纳提炼自学：归纳提炼v提出疑问：搜索解决提出疑问：搜索解决v分组讨论：概括总结分组讨论：概括总结5江苏大学计算机学院物联网系本课程的内容安排本课程的内容安排 无线传感器网络的技术体系，发展现状；无线传感器网络节点体系结构；基本的无线传感器网络MAC、路由协议；无线传感器网络的相关通信标准；无线传感器网络的支撑技术，包括拓扑控制、定位机制、时间同步、网络安全等；无线传感器网络的应用技术，包括传感器节点的硬件平台、编程语言nesC、操作系统TinyOS和初步应用系统开发技术。Next!7江苏大学计算机学院物联网系第第1章章 无线传感器网络概述无线传感器网络概述v无线传感器网络是什么？是什么？v无线传感器网络的应用用v无线传感器网络发展展历程程v短距离无短距离无线网网络概述概述v相关无相关无线网网络v无线传感器网络的特征特征v传感器网络的关关键技技术v无线传感器网络仿真平台（仿真平台（软件模件模拟）TinyOS？ns2v无线传感器网络开发硬件平台8江苏大学计算机学院物联网系Wireless Sensor Network?Its a collection of devices “ sensor nodes”They are small, inexpensive, with constrained powerThey are organized in a cooperative networkThey communicate wirelessly in multi hop routingHeavily deploymentChanging network topologyzhongdian9江苏大学计算机学院物联网系New Opportunities vDevice miniaturization(微型化微型化)Moores lawProcessors envisioned as smart dustvInnovations in wireless communicationLow power communicationAntenna sizes smaller with high frequencyDevice + RF + sensors - A new breakthrough:Scattered sensor motes self-organize themselves forming a network.Sensed data aggregated, processed, and transported to base station.Low risk, low cost, and heavy penetration10江苏大学计算机学院物联网系Many WSN Applications11江苏大学计算机学院物联网系Plethora(极多极多) of Applications12江苏大学计算机学院物联网系Plethora of ChallengesvDevicesReducing energy consumptionHeavy programming constraints (16 KB RAM)vWireless Radio NetworkReliable low power communicationMedium access control (MAC)Network wide energy conservationRoutingAggregation, compression, suppression 13江苏大学计算机学院物联网系WSN ApplicationsvEnvironmental/ Habitat MonitoringEnvironmental/ Habitat Monitoring Scientific, ecological applicationsScientific, ecological applicationsNon-intrusivenessReal-time, high spatial-temporal resolutionRemote, hard-to-access areas Acoustic detectionAcoustic detection Seismic detection Seismic detection vSurveillance and TrackingSurveillance and Tracking Military and disaster applicationsMilitary and disaster applications Reconnaissance(Reconnaissance(侦侦察察察察, , 搜索搜索搜索搜索, , 勘勘勘勘测测) and ) and Perimeter( Perimeter(周界周界周界周界) ) controlcontrol Structural monitoring (e.g., bridges)Structural monitoring (e.g., bridges)131314江苏大学计算机学院物联网系WSN Applicationsv“Smart” Environments“Smart” Environments Precision AgriculturePrecision Agriculture Manufacturing/Industrial processesManufacturing/Industrial processesInventory (RFID)Process Control Smart GridSmart GridvMedical ApplicationsMedical Applications Hospital/Clinic settingsHospital/Clinic settings Retirement/Assisted Living settingsRetirement/Assisted Living settings141415江苏大学计算机学院物联网系Environment MonitoringGreat Duck Island!150 sensing nodes deployed throughout the island relay data temperature, pressure, and humidity to a central device.Data was made available on the Internet through a satellite link.http:/www.greatduckisland.net/16江苏大学计算机学院物联网系Environmental 项目开始时间：2002年参与者：英特尔研究实验室和加州大学伯克利分校17江苏大学计算机学院物联网系Habitat MonitoringThe ZebraNet ProjectThe ZebraNet Project！vCollar-mounted sensors with GPSCollar-mounted sensors with GPSvUse peer-to peer info communicationUse peer-to peer info communicationvmonitor zebra movement in Kenyamonitor zebra movement in KenyaMargaret MartonosiPrinceton University1717http:/www.princeton.edu/mrm/ 18江苏大学计算机学院物联网系Environment monitoring (2)Zebranet: a WSN to study the behavior of zebras Special GPS-equipped collars were attached to zebras Data exchanged with peer-to-peer info swaps Coming across a few zebras gives access to the data19江苏大学计算机学院物联网系冰河监测冰河监测v利用利用WSN监测冰河的冰河的变 化情况，目的在于通化情况，目的在于通过分分 析冰河析冰河环境的境的变化来推断化来推断 地球气候的地球气候的变化。化。 20江苏大学计算机学院物联网系医疗健康医疗健康21江苏大学计算机学院物联网系Medical applicationvIntel deployed a 130-node network to monitor the activity of residents in an elder care facility.vPatient data is acquired with wearable sensing nodes (the “watch”) Vital sign monitoring Accident recognition Monitoring the elderly22江苏大学计算机学院物联网系Precision AgriculturevThe “Wireless Vineyard”The “Wireless Vineyard” Sensors monitor temperature, Sensors monitor temperature, moisturemoisture Roger the dog collects the dataRoger the dog collects the dataRichard BeckwithIntel Corporation222223江苏大学计算机学院物联网系电子牧场电子牧场24江苏大学计算机学院物联网系Application:Application: Military 25江苏大学计算机学院物联网系Application:Application: Military 26江苏大学计算机学院物联网系Questions?27江苏大学计算机学院物联网系计算设备的演化历史计算设备的演化历史 28江苏大学计算机学院物联网系发展历程（一）发展历程（一）v二十世纪70年代。冷冷战时期的声音期的声音监测系系统（Sound Surveillance System-SOSUS）、空中）、空中预警与控制系警与控制系统（Air borne Warning and Control System-AWACS）。）。v1980年。DARPA的分布式的分布式传感器网感器网络项目（目（Distributed Sensor Networks-DSN）。）。v1994年 。加州大学洛杉加州大学洛杉矶分校的分校的William J. Kaiser 向向DARPA提交建提交建议书“Low Power Wireless Integrated Microsensors” ，里程碑里程碑。v二十世纪80年代至90年代之间。美国海美国海军研制的研制的协同交同交战能力系能力系统（Cooperative Engagement Capability-CEC），用于反潜的确定性分），用于反潜的确定性分布系布系统（Fixed Distributed System-FDS）和高）和高级配置系配置系统（Advanced Deployment System-ADS），以及），以及远程程战场传感器网感器网络系系统（Remote Battlefield Sensor System-REMBASS）和）和战术远程程传感器系感器系统（Tactical Remote Sensor System）等无人看管地面）等无人看管地面传感器网感器网络系系统。29江苏大学计算机学院物联网系发展历程（二）发展历程（二）v1998 年。Gregory. J. Pottie 阐释了了WSN 的科学意的科学意义，DARPA巨巨资启启动了了SensIT项目，目目，目标是是实现“超超视距距”战场监测。v1999年9月。商商业周刊将其列位周刊将其列位21世世纪最重要的最重要的21项技技术之一。橡之一。橡树岭岭国家国家实验室室(Oak Ridge National Laboratory ,ORNL) 提出了提出了“网网络就是就是传感器感器”（Network is Sensor）的）的论断。断。v2001年1月。MIT技技术评论将将WSN列于十种改列于十种改变未来世界新未来世界新兴技技术之首。之首。v2003年8月。商商业周刊周刊预测：WSN和其他三和其他三项信息技信息技术将会在不将会在不远的将来掀起新的的将来掀起新的产业浪潮。浪潮。v2004年IEEE Spectrum杂志志发表一期表一期专集：集：传感器的国度感器的国度，论述述WSN的的发展和可能的广泛展和可能的广泛应用。用。v我我们国家未来国家未来20年年预见技技术的的调查报告，信息告，信息领域域157项技技术课题中有中有7项与与传感器网感器网络直接相关。直接相关。v2006年初发布的布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技信息技术确确定了三个前沿方向，其中两个与定了三个前沿方向，其中两个与WSN的研究直接相关，即智能感知技的研究直接相关，即智能感知技术和和自自组织网网络技技术。30江苏大学计算机学院物联网系20世纪70年代。传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络，人们把它归结为第一代传感器网络。传感器网络同时还具有获取多种信息信号的综合能力，采用串/并接口（如RS-232、RS-485）与传感控制器相连，构成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。20世纪90年代后期和21世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络，这是第三代传感器网络。第四代传感器网络，用大量的具有多功能、多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。无线传感器网络发展历程：无线传感器网络发展历程：具体来说 31江苏大学计算机学院物联网系短距离无线网络概述短距离无线网络概述 什么是短距离无什么是短距离无线通信网通信网络？v到目前到目前为止，学止，学术界和工程界界和工程界对此并没有一个此并没有一个严格的定格的定义。一。一般而言，短距离无般而言，短距离无线通信的主要特点通信的主要特点为通信距离短，覆盖距离一通信距离短，覆盖距离一般般为10200m；另外，无；另外，无线发射器的射器的发射功率射功率较低，低，发射功率射功率一般小于一般小于100mW，工作，工作频率多率多为免付免付费、免申、免申请的全球通用的的全球通用的工工业、科学、医学（、科学、医学（Industrial、Scientific and Medical，ISM）频段。常用的段。常用的ISM频段有段有27MHz、315MHz、433MHz、868MHz（欧洲）、（欧洲）、902928MHz（美国）和（美国）和2.4GHz。目前，在。目前，在我国使用最多的我国使用最多的还是是27MHz、315MHz、433MHz和和2.4GHz。zhongdian32江苏大学计算机学院物联网系短距离无线通信技术短距离无线通信技术-集信息采集、信息传输、信息处理于一体集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合性智能信息系统。的综合性智能信息系统。低成本、低功耗和对等通信，是三个重要特征和优势。低成本、低功耗和对等通信，是三个重要特征和优势。首先，低成本是短距离无线通信的客观要求。因为各种通信终端的首先，低成本是短距离无线通信的客观要求。因为各种通信终端的产销量都很大，要提高终端间的直通能力。产销量都很大，要提高终端间的直通能力。其次，低功耗是相对于其他无线通信技术而言的一个特点。这与其其次，低功耗是相对于其他无线通信技术而言的一个特点。这与其通信距离短的特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的概率也通信距离短的特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的概率也小，发射功率普遍很低，通常在小，发射功率普遍很低，通常在1mW量级。量级。最后，最后，对等通信对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于基于网络基是短距离无线通信的重要特征，有别于基于网络基础设施的无线通信技术。空中接口设计和高层协议都相对较简单，无础设施的无线通信技术。空中接口设计和高层协议都相对较简单，无线资源管理通常采用竞争的方式（如载波侦听）。线资源管理通常采用竞争的方式（如载波侦听）。zhongdian33江苏大学计算机学院物联网系1IrDA技术技术红外线数据协会红外线数据协会 (Infrared Data Association，IrDA)是致力于建是致力于建立红外线无线连接的非营利组织，立红外线无线连接的非营利组织， IrDA技术是一种利用红外线进行技术是一种利用红外线进行点对点的数据传输协议，通信距离一般在点对点的数据传输协议，通信距离一般在0到到1m之间，传输速度最之间，传输速度最快可达到快可达到16Mbps,通信介质为波长通信介质为波长900nm左右的近红外线。左右的近红外线。其传输具有小角度、短距离、直线数据传输、保密性强及传输速其传输具有小角度、短距离、直线数据传输、保密性强及传输速率较高等率较高等特点特点，适于传输大容量的文件和多媒体数据。并且无需申，适于传输大容量的文件和多媒体数据。并且无需申请频率的实用权，成本低廉。请频率的实用权，成本低廉。IrDA的的不足在于不足在于它是一种视距传输，它是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必须个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，而且只适合对准，中间不能被其他物体阻隔，而且只适合2台设备之间的连接。台设备之间的连接。常用短距离无线通信技术常用短距离无线通信技术12.134江苏大学计算机学院物联网系2蓝牙技术蓝牙技术蓝牙系统一般由无线单元、链路控制单元、链路管理单元蓝牙系统一般由无线单元、链路控制单元、链路管理单元和蓝牙软件（协议栈）单元等四个单元组成。和蓝牙软件（协议栈）单元等四个单元组成。蓝牙技术的蓝牙技术的特点和优点特点和优点在于：在于：Bluetooth工作在全球开放的工作在全球开放的2.4GHz ISM频段；使用频段；使用跳频跳频频谱扩展技术，把频带分成若干频谱扩展技术，把频带分成若干个跳频，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断个跳频，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道地从一个信道“跳跳”到另一个信道。在有效范围内，可越过到另一个信道。在有效范围内，可越过障碍物进行连接，没有特别的通信视角和方向要求。组网简障碍物进行连接，没有特别的通信视角和方向要求。组网简单方便，低功耗、通信安全性好，数据传输带宽可达单方便，低功耗、通信安全性好，数据传输带宽可达1Mbps。一台蓝牙设备可同时与其他一台蓝牙设备可同时与其他7台蓝牙设备建立连接；支持语台蓝牙设备建立连接；支持语音传输。音传输。35江苏大学计算机学院物联网系Bluetooth产品涉及产品涉及PC、笔记本、移动电话等信息设备和、笔记本、移动电话等信息设备和A/V设备、设备、汽车电子、家用电器和工业设备领域。尤其是个人局域网应用，包括无汽车电子、家用电器和工业设备领域。尤其是个人局域网应用，包括无绳电话、绳电话、PDA与计算机的互联。与计算机的互联。Bluetooth同时存在植入成本高、通信对象少、通信速率较低等同时存在植入成本高、通信对象少、通信速率较低等问题问题。蓝牙的蓝牙的典型应用典型应用有：有：语音数据接入是指将一台计算机通过安全的无线链路连接到通语音数据接入是指将一台计算机通过安全的无线链路连接到通信设备上，完成与广域网的联接。信设备上，完成与广域网的联接。外围设备互连是指将各种设备通过蓝牙链路连接到主机上。外围设备互连是指将各种设备通过蓝牙链路连接到主机上。个人局域网（个人局域网（PAN），主要用于个人网络与信息的共享与交换。），主要用于个人网络与信息的共享与交换。 36江苏大学计算机学院物联网系 3. Wi-Fi技术技术Wi-Fi（Wireless Fidelity，即无线保真技术）是属于无线局域网的一种，通常，即无线保真技术）是属于无线局域网的一种，通常是指符合是指符合IEEE定义的一个无线网络通信的定义的一个无线网络通信的工业标准（工业标准（IEEE 802.11）。它使用它使用2.4GHz附近的频段，物理层定义了两种无线调频方式和一种红外传输方附近的频段，物理层定义了两种无线调频方式和一种红外传输方式。式。Wi-Fi基于基于IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g和和IEEE802.11n。最大。最大优点就是传输的有效距离很长，传输速率较高（可达优点就是传输的有效距离很长，传输速率较高（可达11Mbps），与各种），与各种802.11DSSS设备兼容。设备兼容。通过交换机能把通过交换机能把Wi-Fi无线网络从接近无线网络从接近100m的通信距离扩大到约的通信距离扩大到约6.5Km。厂商在。厂商在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点热点”，用户通过高速线，用户通过高速线路即可接入因特网。路即可接入因特网。主要特性主要特性为：速度快，可靠性高，在开放性区域通信距离为：速度快，可靠性高，在开放性区域通信距离305m，在封闭区域通信距离为，在封闭区域通信距离为76122m，方便与现有的有线以太网络整合，组网，方便与现有的有线以太网络整合，组网结构弹性化、灵活、价格较低。结构弹性化、灵活、价格较低。未来，未来，Wi-Fi最具应用潜力将主要在最具应用潜力将主要在SOHO、家庭无线网络以及不便安装电缆的、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物等场所。目前，建筑物等场所。目前，Wi-Fi已成为最为流行的笔记本电脑技术而大受青睐。已成为最为流行的笔记本电脑技术而大受青睐。37江苏大学计算机学院物联网系4RFID技术技术RFID是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。并获取相关数据。RFID系统由标签系统由标签(Tag)、解读器、解读器(Reader)和天线和天线(Antenna)三个基本要三个基本要素组成。其素组成。其基本工作原理基本工作原理是：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信是：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(PassiveTag，无源标签或被动标签，无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号，或者主动发送某一频率的信号(ActiveTag，有源标签或主动标签，有源标签或主动标签)。解读器读取信息并解码后，送至中央。解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。信息系统进行有关数据处理。RFID将渗透到包括汽车、医药、食品、交通运输、能源、军工、动物管将渗透到包括汽车、医药、食品、交通运输、能源、军工、动物管理以及人事管理等各个领域。然而，由于成本、标准等问题的局限，理以及人事管理等各个领域。然而，由于成本、标准等问题的局限，RFID技术和应用环境还技术和应用环境还很不成熟。主要表现很不成熟。主要表现在：制造技术较为复杂，智能标签在：制造技术较为复杂，智能标签的生产成本相对过高；标准尚未统一，最大的市场尚无法启动；应用环境的生产成本相对过高；标准尚未统一，最大的市场尚无法启动；应用环境和解决方案还不够成熟，安全性将接受很大考验。和解决方案还不够成熟，安全性将接受很大考验。38江苏大学计算机学院物联网系6ZigBee技术技术ZigBee技术主要用于无线个域网（技术主要用于无线个域网（WPAN），是基于），是基于IEE802.15.4无线标无线标准研制开发的，主要应用在短距离范围之内、数据传输速率不高的各种电子准研制开发的，主要应用在短距离范围之内、数据传输速率不高的各种电子设备之间。设备之间。ZigBee协议比蓝牙、高速率个人区域网络或协议比蓝牙、高速率个人区域网络或802.11x无线局域网更简单使无线局域网更简单使用。用。ZigBee可以说是蓝牙的同族兄弟可以说是蓝牙的同族兄弟，它使用，它使用2.4GHz波段，采用跳频技术。波段，采用跳频技术。与蓝牙相比，与蓝牙相比，ZigBee更简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速率更简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速率是是250kb/s，另外，它可与，另外，它可与254个节点联网。可以比蓝牙更好地支持游戏、消个节点联网。可以比蓝牙更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。费电子、仪器和家庭自动化应用。在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域将有较广泛在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域将有较广泛的的ZigBee的应用。的应用。5UWB技术技术11.139江苏大学计算机学院物联网系ZigBee技术特点技术特点主要包括：主要包括：数据传输速率低。只有数据传输速率低。只有10kb/s250kb/s,专注于低传输率应用。专注于低传输率应用。功耗低。在低耗电待机模式下，功耗低。在低耗电待机模式下，2节普通五号干电池可使用节普通五号干电池可使用6个月至个月至2年。这年。这也是也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。的支持者所一直引以为豪的独特优势。 低成本。因为低成本。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；积极投入积极投入ZigBee开发的开发的Motorola以及以及Philips，均已在，均已在2003年正式推出芯片，飞年正式推出芯片，飞利浦预估，应用于主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比蓝牙更具有价格竞利浦预估，应用于主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比蓝牙更具有价格竞争力。争力。 网络容量大。每个网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持网络最多可支持255个设备，也就是说每个个设备，也就是说每个ZigBee设备可以与另外设备可以与另外254台设备相连接。台设备相连接。 有效范围小。有效覆盖范围有效范围小。有效覆盖范围1075m之间，具体依据实际发射功率的大小和之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。 工作频段灵活。使用的频段分别为工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）（欧洲）915MHz（美（美国），均为免执照频段。国），均为免执照频段。40江苏大学计算机学院物联网系ZigBee与与BT协议栈比较协议栈比较 41江苏大学计算机学院物联网系典型无线通信技术的特点典型无线通信技术的特点802.15.142江苏大学计算机学院物联网系1 ALOHA网络网络ALOHA网络是世界上最早的无线电计算机通信网。网络是世界上最早的无线电计算机通信网。ALOHA协议分为纯协议分为纯ALOHA和时隙和时隙ALOHA两种两种。纯纯ALOHA协议的思想很简单：只要用户有数据要发送，就尽管让他们发协议的思想很简单：只要用户有数据要发送，就尽管让他们发送。送。当然，这样会产生冲突从而造成帧的破坏。但是，由于广播信道具有反馈当然，这样会产生冲突从而造成帧的破坏。但是，由于广播信道具有反馈性，因此发送方可以在发送数据的过程中进行冲突检测，将接收到的数据与性，因此发送方可以在发送数据的过程中进行冲突检测，将接收到的数据与缓冲区缓冲区的数据进行比较，就可以知道数据帧是否遭到破坏。的数据进行比较，就可以知道数据帧是否遭到破坏。同样的道理，其他用户也是按照此过程工作。同样的道理，其他用户也是按照此过程工作。如果发送方知道数据帧遭到破坏（即检测到冲突），那么它可以等待一段如果发送方知道数据帧遭到破坏（即检测到冲突），那么它可以等待一段随机长的时间后重发该帧。所谓等待一段随机长的时间，就是为了防止发生随机长的时间后重发该帧。所谓等待一段随机长的时间，就是为了防止发生冲突的用户在检测到冲突后立即重发数据，而使各个用户错开重发时间，以冲突的用户在检测到冲突后立即重发数据，而使各个用户错开重发时间，以避免连锁冲突的恶性循环。避免连锁冲突的恶性循环。无线数据网络无线数据网络zhongdian43江苏大学计算机学院物联网系时隙时隙ALOHA协议协议，是，是1972年年Roberts发明了一种能把信道利用率提高一发明了一种能把信道利用率提高一倍的信道分配策略。倍的信道分配策略。其思想其思想是用时钟来统一用户的数据发送。是用时钟来统一用户的数据发送。办法是将时间分为办法是将时间分为离散离散的时间片，用户每次必须等到下一个时间片才能的时间片，用户每次必须等到下一个时间片才能开始发送数据，从而避免了用户发送数据的随意性，减少了数据产生冲突开始发送数据，从而避免了用户发送数据的随意性，减少了数据产生冲突的可能性，提高了信道的利用率。的可能性，提高了信道的利用率。在时隙在时隙ALOHA系统中，计算机并不是在用户按下回车键后就立即发送数系统中，计算机并不是在用户按下回车键后就立即发送数据，而是要等到下一个时间片开始时才发送。这样，连续的纯据，而是要等到下一个时间片开始时才发送。这样，连续的纯ALOHA就变就变成离散的时隙成离散的时隙ALOHA。由于冲突的危险区平均减少为纯由于冲突的危险区平均减少为纯ALOHA的一半，因此，时隙的一半，因此，时隙ALOHA的的信道利用率可以达到信道利用率可以达到36.8%，是纯，是纯ALOHA协议的两倍。但是，对于时隙协议的两倍。但是，对于时隙ALOHA，用户数据的平均传输时间要高于纯，用户数据的平均传输时间要高于纯ALOHA系统。系统。zhongdian44江苏大学计算机学院物联网系2无线局域网（无线局域网（WLAN）无线局域网（无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）就是在各工作站和设备）就是在各工作站和设备之间，不再使用通信电缆，而采用无线的通信方式连接的局域网。一般来讲，凡是采之间，不再使用通信电缆，而采用无线的通信方式连接的局域网。一般来讲，凡是采用无线传输媒体的计算机局域网都可以称之为无线局域网。用无线传输媒体的计算机局域网都可以称之为无线局域网。无线局域网采用的传输媒体主要有两种无线局域网采用的传输媒体主要有两种无线电波和红外线。根据调制方式的无线电波和红外线。根据调制方式的不同，无线电波方式又可分为不同，无线电波方式又可分为扩展频谱方式和窄带调制方式扩展频谱方式和窄带调制方式。扩展频谱方式扩展频谱方式是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式，是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式，它虽然牺牲了频带带宽，却提高了通信系统的抗干扰能力和安全性；它虽然牺牲了频带带宽，却提高了通信系统的抗干扰能力和安全性；窄带调制方式窄带调制方式是指数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移到射频发射出是指数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移到射频发射出去，与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高，但是通信可靠去，与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高，但是通信可靠性较差。性较差。红外线方式红外线方式的最大优点是不受无线电干扰，且红外线的使用不必受国家无线电管的最大优点是不受无线电干扰，且红外线的使用不必受国家无线电管理委员会的限制，但是红外线对非透明物体的透过性较差，传输距离受限。理委员会的限制，但是红外线对非透明物体的透过性较差，传输距离受限。45江苏大学计算机学院物联网系3 PRNET系统系统PRNET(Packet Radio NETwork)，称为，称为“分组无线网络分组无线网络”，是，是Ad hoc网络的前身。对网络的前身。对分组无线网络的研究源于军事通信的需要，并已经持续了分组无线网络的研究源于军事通信的需要，并已经持续了20年左右。年左右。美国美国DARPA的分组无线网项目的分组无线网项目DAPRA的高残存性自适应网络（的高残存性自适应网络（SURAN, SURvivable Adaptive Network）项目。）项目。DARPA的全球移动信息系统（的全球移动信息系统（GloMo, Global Mobile Information Systems）项目。）项目。1991年成立的年成立的IEEE802.11标准委员会采用了标准委员会采用了“Ad hoc网络网络”一词来描述这种特殊的对等一词来描述这种特殊的对等式无线移动网络。式无线移动网络。 4 Amateur分组无线网络分组无线网络Amateur分组无线网络是一个由各国分组无线网络是一个由各国业余无线电爱好者业余无线电爱好者设计构建的自组、多跳、全国范设计构建的自组、多跳、全国范围的网络。围的网络。Amateur的缺陷是地区间只能使用低速率短波链路。由于在链路层以上缺乏统一的缺陷是地区间只能使用低速率短波链路。由于在链路层以上缺乏统一的协议，用户只能通过人工的方式配置路由，限制了网络的应用。的协议，用户只能通过人工的方式配置路由，限制了网络的应用。与与Amateur分组无线网络相关的在于分组无线网络相关的在于多路访问冲突避免（多路访问冲突避免（multiple access collision avoidance，MACA）无线信道接入协议的开发。无线信道接入协议的开发。MACA将载波监听多路访问机制与将载波监听多路访问机制与Apple公司的公司的Localtalk网络中使用的网络中使用的RTS/CTS通信握手机制相结合，极大地解决了通信握手机制相结合，极大地解决了“隐藏终端隐藏终端”和和“暴露终端暴露终端”问题。问题。46江苏大学计算机学院物联网系5 无线自组织网络无线自组织网络无线自组织网络，即无线自组织网络，即MANET（Mobile Ad Hoc Network），），是一个由几十到是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的、多跳的、移动性对等网上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的、多跳的、移动性对等网络。络。其其目的目的是通过是通过动态路由动态路由和和移动管理技术移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供给。流。通常节点具有持续的能量供给。无线自组织网络不同于传统无线通信网络的技术无线自组织网络不同于传统无线通信网络的技术。传统的无。传统的无线蜂窝通信网络，需要固定的网络设备如基地站的支持，进行数据的转发和用户线蜂窝通信网络，需要固定的网络设备如基地站的支持，进行数据的转发和用户服务控制。而无线自组织网络不需要固定设备支持，各节点即用户终端自行组网，服务控制。而无线自组织网络不需要固定设备支持，各节点即用户终端自行组网，通信时，由其他用户节点进行数据的转发。这种网络形式突破了传统无线蜂窝网通信时，由其他用户节点进行数据的转发。这种网络形式突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署，适合于一些紧急场合的通络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署，适合于一些紧急场合的通信需要，如战场的单兵通信系统。信需要，如战场的单兵通信系统。无线自组织网络也存在网络带宽受限、对实时性业务支持较差、安全性不高无线自组织网络也存在网络带宽受限、对实时性业务支持较差、安全性不高的弊端。的弊端。47江苏大学计算机学院物联网系6无线个域网（无线个域网（WPAN）无线个域网（无线个域网（Wireless Personal Area Networks，WPAN）是一种）是一种与无线广域网（与无线广域网（WWAN）、无线城域网（）、无线城域网（WMAN）、无线局域网）、无线局域网（WLAN）并列但覆盖范围较小的无线网络，是为了实现活动半径小、）并列但覆盖范围较小的无线网络，是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。网络技术。支持无线个人局域网的技术支持无线个人局域网的技术包括：蓝牙、包括：蓝牙、ZigBee、超频波段（、超频波段（UWB）、）、IrDA、HomeRF等，每一项技术只有被用于特定的用途、应用程序或领等，每一项技术只有被用于特定的用途、应用程序或领域才能发挥最佳的作用。域才能发挥最佳的作用。这些技术在无线个人局域网空间中相互竞争，但是常常相互之间又是这些技术在无线个人局域网空间中相互竞争，但是常常相互之间又是互补的。互补的。48江苏大学计算机学院物联网系关于关于WSN的定义的定义v目前，大多数研究者普遍接受的、既成事目前，大多数研究者普遍接受的、既成事实的的WSN定定义： 大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络、其中的节点是同构的、成本较低、体积较小、大部分节点不移动、被随意撒布在工作区域，要求网络系统有尽可能长的工作时间。 49江苏大学计算机学院物联网系WSN与与WLAN的区别的区别zhongdian50江苏大学计算机学院物联网系WSN与与Ad hoc网络网络v相同点相同点： 基本不需要人的干基本不需要人的干预，大部分工作是以自，大部分工作是以自组织的方式完成的，的方式完成的，二者二者统称称为自自组织网网络。二者都是追求低功耗的自。二者都是追求低功耗的自组织网网络设计。v不同点不同点： （1）网）网络拓扑拓扑结构和工作模式各不相同。构和工作模式各不相同。 Ad hoc网网络: 网网络拓扑拓扑结构构动态变化。化。 WSN: 网网络拓扑拓扑结构是静构是静态的。的。 （2）工作模式不同。）工作模式不同。 WSN: 多多对一一(Many-to-One)通信，通信，节点之点之间几乎不会几乎不会发生生源源-目的目的的消息交的消息交换。 Ad Hoc网网络 ：网：网络中任意两中任意两节点之点之间都有通信的可能。都有通信的可能。zhongdian51江苏大学计算机学院物联网系1大规模网络大规模网络2自组织网络自组织网络3多跳路由多跳路由4. 动态性网络动态性网络5以数据为中心的网络以数据为中心的网络6兼容性应用的网络兼容性应用的网络无线传感器网络的特征无线传感器网络的特征 传感器节点的限制传感器节点的限制1电源能量有限电源能量有限2通信能力有限通信能力有限3计算和存储能力有限计算和存储能力有限zhongdian52江苏大学计算机学院物联网系1网络拓扑控制网络拓扑控制2网络协议网络协议3网络安全网络安全4时间同步时间同步5定位技术定位技术6数据融合数据融合7数据管理数据管理8无线通信技术无线通信技术9嵌入式操作系统嵌入式操作系统10应用层技术应用层技术传感器网络的关键技术传感器网络的关键技术 53江苏大学计算机学院物联网系细分的相关技术细分的相关技术（一）（一）54江苏大学计算机学院物联网系细分的相关技术细分的相关技术（二）（二）55江苏大学计算机学院物联网系这么多技术！这么多技术！56江苏大学计算机学院物联网系目前，比较典型的目前，比较典型的仿真平台仿真平台或基于现有平台的无线传感器网或基于现有平台的无线传感器网络模型，包括络模型，包括NS-2，OPNET，GloMoSim，TOSSIM，PowerTOSSIM等。等。1. NS-2仿真平台仿真平台NS-2是著名的用于网络研究的离散事件仿真工具，主要致力于OSI模型的仿真，且其源码开放，适合二次开发。一些研究小组对NS-2进行了扩展，使它能支持无线传感器网络的仿真，包括传感器模型、电池模型、小型的协议栈、混合仿真的支持和场景工具等。但由于NS-2对数据包级进行非常详细的仿真，接近于运行时的数据包数量，使得其无法进行大规模网络的仿真。无线传感器网络仿真平台57江苏大学计算机学院物联网系基于NS2的模拟流程58江苏大学计算机学院物联网系2. OPNET仿真平台仿真平台OPNET源于源于MIT，后，后是成熟的商业化通信网络仿真平台，库中提供了很多的模型，包括TCP/IP、802.11、3G等。已有一些研究人员在OPNET上实现对TinyOS的NesC程序的仿真。但要实现无线传感器网络的仿真，还需要添加能量模型。3. GloMoSim仿真平台仿真平台GloMoSim是一个可扩展的用于无线和有线网络的仿真系统，UCLA所开发所开发，它采用ParseC进行设计开发，提供了对并行离散时间仿真的支持。但目前，其仅支持传感器网络中的物理信道特征和数据链路协议的时延等特性的仿真。59江苏大学计算机学院物联网系4. TOSSIM的系统结构及仿真方法的系统结构及仿真方法TOSSIM是用于对采用是用于对采用TinyOS的的Motes进行进行bit级级的仿真工具。它的仿真工具。它将将TinyOS环境下的环境下的NesC代码直接编译为可在代码直接编译为可在PC环境下运行的可执环境下运行的可执行文件，提供了不用将程序下载到真实的行文件，提供了不用将程序下载到真实的Mote节点上就可以对程序节点上就可以对程序进行测试的一个平台。其唯一的进行测试的一个平台。其唯一的缺点缺点是没有提供能量模型，无法对能是没有提供能量模型，无法对能耗有效性进行评价。耗有效性进行评价。5. PowerTOSSIMPowerTOSSIM是对是对TOSSIM的扩展，采用实测的的扩展，采用实测的MICA2节点的节点的能能耗模型耗模型对节点的各种操作所消耗的能量进行跟踪，从而实现无线传感对节点的各种操作所消耗的能量进行跟踪，从而实现无线传感器网络的能耗性能评价。器网络的能耗性能评价。PowerTOSSIM的的缺点缺点是所有节点的程序代是所有节点的程序代码必须相同，而且无法实现网络级的抽象算法的仿真。码必须相同，而且无法实现网络级的抽象算法的仿真。60江苏大学计算机学院物联网系TOSSIM系统结构图系统结构图 61江苏大学计算机学院物联网系PowerTOSSIM中节点层次模型中节点层次模型 62江苏大学计算机学院物联网系PowerTOSSIM体系结构体系结构 63江苏大学计算机学院物联网系操作系统操作系统TinyOS TinyOS是是UC BerkeleyDavid Culler领导的研究小的研究小组为WSN量身定制的嵌入式操作系量身定制的嵌入式操作系统。 WSN对操作系操作系统的的特殊要求（挑特殊要求（挑战）主要表主要表现在：在：v（1）节点的点的计算算资源有限，需要尽可能地减小系源有限，需要尽可能地减小系统 开开销；v（2）节点由点由电池供池供电，且要求，且要求较长的工作周期，因的工作周期，因 此需要系此需要系统的能耗管理策略与方案，包括操作的能耗管理策略与方案，包括操作 系系统的支持；的支持；v（3）节点的各模点的各模块之之间需要一定的需要一定的调度、度、协调机制，机制， 同同时支持并支持并发控制；控制；v（4）观测任任务需要操作系需要操作系统支持支持实时性。性。 zhongdian64江苏大学计算机学院物联网系TinyOS面对的节点能耗面对的节点能耗 65江苏大学计算机学院物联网系节点通信能耗与距离的关系节点通信能耗与距离的关系66江苏大学计算机学院物联网系目前，市场上无线传感器的开发平台较多，有目前，市场上无线传感器的开发平台较多，有代表性代表性的包的包括：括：Chipcon公司的公司的CC2430/CC2431/CC2480A1Jennic公司公司JN5121/JN5139/JN5148Freescale公司的公司的MC13191/MC13192/MC13201/MC13202Ember公司的公司的EM250/EM260/EM351/EM357 ZigBee系列系列开发芯片。开发芯片。Crossbow: OEM2110CA平台平台 韩伯、亿道、中智兴、博创、宁波中科、鼎轩。？韩伯、亿道、中智兴、博创、宁波中科、鼎轩。？无线传感器网络硬件开发平台zhongdian67江苏大学计算机学院物联网系未来努力有一次课未来努力有一次课未来努力有一次课未来努力有一次课DiscussionDiscussion：相关准备：相关准备：相关准备：相关准备v形成形成3-5个小个小组就无无线传感器网感器网络相关技相关技术和和应用用的topic, 搜集、整理相关课程网站、个人网站、项目网站、google搜索、百度搜索等的资料，学习、总结、列举自己的理解和观点，支持的论据【尽量从技术层面、应用层面也可以！】每组选1个代表来讲（多则2、3？），每人5-8分钟。做ppt：精益求精、展现个人/组魅力的大好时机！美观？欢迎对艺术感兴趣的同学积极参与！68江苏大学计算机学院物联网系习题一：习题一：习题一：习题一：1.阐述WSN的定义。2.简单介绍WSN的相关领域应用（23个），谈谈自己对这些应用认为的不足之处。3.简述2种短距离无线通信技术。4.简要描述3种无线网络。5. 无线传感器网络有哪些特征？6.网络仿真器NS2的特点和优点有哪些？简要描述。7.简要描述基于要描述基于CC2430的的WSN硬件硬件节点开点开发平台。平台。