传感网原理与技术绪论李士宁等编著.pptx
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1、第一章第一章 绪论绪论主要内容主要内容n1.1 传感网的起源与发展传感网的起源与发展n1.2 传感网的体系结构传感网的体系结构n1.3 传感网的核心技术传感网的核心技术n1.4 传感网的主要特点传感网的主要特点n1.5 传感网的应用传感网的应用n1.6 传感网与物联网的关系传感网与物联网的关系n1.7 本章小结与进一步阅读的文献本章小结与进一步阅读的文献1.1 传感网传感网的起源与发展的起源与发展n传感网的起源传感网的起源 传感网(传感网(WSNWSN)最早是由美国军方提出的,)最早是由美国军方提出的,起源于起源于19781978年美国国防高级研究计划局年美国国防高级研究计划局(DARPADA
2、RPA)资助卡内基梅隆大学进行分布式传)资助卡内基梅隆大学进行分布式传感网的研究项目。感网的研究项目。1.1 传感网传感网的起源与发展的起源与发展n传感网的发展传感网的发展第第1阶阶段:段:冷冷战时战时期的期的军军事事传传感器网感器网络络 冷冷战时战时期,美国将广泛的声信号网期,美国将广泛的声信号网络络使用于使用于潜艇潜艇监视监视,同,同时时国家海洋和大气管理局国家海洋和大气管理局(NOAA)也使用其中的一部分也使用其中的一部分传传感器感器监测监测海洋海洋的地震活的地震活动动。1.1 传感网传感网的起源与发展的起源与发展n传感网的发展传感网的发展第第2阶阶段:段:国防高国防高级级研究研究计计划
3、局的倡划局的倡议议 20世世纪纪80年代初,在年代初,在美国美国国防高国防高级级研究研究计计划划局(局(DARPA)赞赞助助项项目的推目的推动动下,下,传传感器网感器网络络的研究取得了的研究取得了显显著著进进步。步。1.1 传感网传感网的起源与发展的起源与发展n传感网的发展传感网的发展第第3阶阶段:段:20世世纪纪80年代、年代、90年代的年代的军军事事应应用开用开发发和部署和部署 以以DARPA的研究和的研究和测试测试平台的平台的发发展展为为基基础础,在在军军事事领领域采用域采用传传感网技感网技术术,使其成,使其成为为网网络络中中心心战战的关的关键组键组成部分。成部分。1.1 传感网传感网的
4、起源与发展的起源与发展n传感网的发展传感网的发展第第4阶阶段:段:现现今的今的传传感器网感器网络络研究研究进进入入21世世纪纪,美国美国军军方方加大了加大了对无无线传线传感器网感器网络络的研究的研究。目前,美国有目前,美国有许许多大学有多大学有专门专门的的课课题题研究小研究小组组从事无从事无线传线传感器网感器网络络的研究,同的研究,同时时许许多大型企多大型企业业也投入巨也投入巨资进资进行无行无线传线传感器网感器网络络的的产业产业化开化开发发。1.1 传感网传感网的起源与发展的起源与发展n传感网的发展传感网的发展第第4阶阶段:段:现现今的今的传传感器网感器网络络研究研究欧洲、澳洲和欧洲、澳洲和亚
5、亚洲的一些工洲的一些工业业化国家的高等院化国家的高等院校、研究机构和企校、研究机构和企业业也也积积极极进进行无行无线传线传感器网感器网络络的相关研究的相关研究。加拿大、英国、德国、芬加拿大、英国、德国、芬兰兰、日本和意大利等、日本和意大利等国家的研究机构都先后开始了无国家的研究机构都先后开始了无线传线传感器网感器网络络的研究。的研究。1.1 传感网传感网的起源与发展的起源与发展n传感网的发展传感网的发展第第4阶阶段:段:现现今的今的传传感器网感器网络络研究研究我国我国对传对传感网的研究起步感网的研究起步较较晚晚,首次正式启,首次正式启动动出出现现于于1999年中国科学院知年中国科学院知识创识创
6、新工程点新工程点领领域方向研究的域方向研究的“信息与自信息与自动动化化领领域研究域研究报报告告”中中。现在,在,国内有越来越多的企事国内有越来越多的企事业业单位位关注关注传传感器网感器网络络技技术术的的发发展。展。1.2 传感网传感网的的体系结构体系结构n传感器网络传感器网络(简称传感网)(简称传感网)传传感器网感器网络络是由大量部署在作用区域内的是由大量部署在作用区域内的、具具有无有无线线通信与通信与计计算能力的算能力的传传感器感器节点点组组成成,这这些些节节点通点通过过自自组织组织方式构成方式构成传感器感器网网络络,其,其目目的的是是协协作感知、作感知、采集和采集和处处理网理网络络覆盖地理
7、区域覆盖地理区域中的感知中的感知对对象信息并象信息并发发布布给观给观察者。察者。1.2.1 传感网节点传感网节点体系结构体系结构 节节点通常是一个微型嵌入式系点通常是一个微型嵌入式系统统,它的,它的处处理能力、存理能力、存储储能力和通信能力是受限能力和通信能力是受限的的。节节点要正常工作,需要硬点要正常工作,需要硬软软件系件系统统的密切配合的密切配合。1.2.1 传感网节点传感网节点体系结构体系结构 节节点由感知点由感知单单元元、处处理理单单元、通信元、通信单单元、元、能量能量供供给单给单元和其他元和其他应应用相关用相关单单元元组组成成。n节点硬件系统节点硬件系统1.2.1 传感网节点传感网节
8、点体系结构体系结构感知感知单元元 感知感知单单元主要用来采集元主要用来采集现实现实世界的各种信息世界的各种信息,如温度、湿度、如温度、湿度、压压力、声音等物理信息,并将力、声音等物理信息,并将传传感器采集到的模感器采集到的模拟拟信息信息转换转换成数字信息,交成数字信息,交给处给处理理单单元元进进行行处处理理。1.2.1 传感网节点传感网节点体系结构体系结构处理理单元元 处处理理单单元元负责负责整个整个传传感器感器节节点的数据点的数据处处理和理和操作,存操作,存储储本本节节点的采集数据和其他点的采集数据和其他节节点点发发来来的数据。的数据。通信通信单元元 通信通信单单元元负责负责与其他与其他传传
9、感器感器节节点点进进行无行无线线通通信信、交、交换换控制消息和收控制消息和收发发采集数据。采集数据。1.2.1 传感网节点传感网节点体系结构体系结构能量供能量供给给单元元 能量供能量供给单给单元提供元提供传传感器感器节节点运行所需的能点运行所需的能量,是量,是传传感器感器节节点最重要的点最重要的单单元之一元之一。此外,此外,节节点需要相点需要相应应的的应应用支持用支持单单元元,如位,如位置置查查找找单单元和移元和移动动管理管理单单元元。1.2.1 传感网节点传感网节点体系结构体系结构n节点软件系统节点软件系统操作系操作系统统(OS)微微码码传传感器感器驱动驱动模模块通信通信处处理理模模块通信通
10、信驱动驱动模模块数据数据处处理理mini-app模模块块1.2.2 传感网的传感网的网络结构网络结构n无线传感器网络的体系结构无线传感器网络的体系结构1.2.2 传感网的传感网的网络结构网络结构传传感器感器节节点分散在点分散在监测监测区域内,区域内,这这些些传传感器感器节节点能点能够够采集和接收数据、分析数据并且把采集和接收数据、分析数据并且把数据路由到一个指定的数据路由到一个指定的汇汇聚聚节节点点。传传感器感器节节点之点之间间通通过过自自组织组织方式构成网方式构成网络络,可以根据需要智能地采用不同的网可以根据需要智能地采用不同的网络络拓扑拓扑结结构。构。1.2.2 传感网的传感网的网络结构网
11、络结构传传感器感器节节点的点的监测监测数据可能被多个数据可能被多个节节点点处处理理,通常以多跳的方式沿着其他通常以多跳的方式沿着其他节节点逐跳点逐跳传输传输,经过经过路由到其他中路由到其他中间节间节点点进进行数据融合和行数据融合和转转发发,到达,到达汇汇聚聚节节点,点,最后通最后通过过互互联联网或者网或者卫卫星到达用星到达用户户可以操作的任可以操作的任务务管理管理节节点点。任任务务管理管理节节点可以点可以对对无无线传线传感器网感器网络进络进行配行配置和管理置和管理。1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n路由协议路由协议nMAC协议协议n拓扑控制拓扑控制n定位技术定位技术n时间同步时间同步n
12、数据管理技术数据管理技术1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n路由协议路由协议 路由路由协议负责协议负责将数据分将数据分组组从源从源节节点通点通过过网网络络转发转发到目的到目的节节点点,协议的的主要功能主要功能是是寻寻找源找源节节点和目的点和目的节节点点间间的的优优化路径,将数据分化路径,将数据分组组沿着沿着优优化路径正确化路径正确转发转发。1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n传感器网络路由机制要求传感器网络路由机制要求能量高效能量高效可可扩扩展性展性鲁鲁棒性棒性快速收快速收敛敛性性1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n路由协议的分类路由协议的分类平面路由和平面路由和层层次路由;
13、次路由;主主动动路由路由、按需路由和混合路由、按需路由和混合路由;基于位置的路由和非基于位置的路由;基于位置的路由和非基于位置的路由;基于基于Qos的路由和不基于的路由和不基于Qos的路由的路由;基于数据融合的路由和非基于数据融合的路基于数据融合的路由和非基于数据融合的路由;由;1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n路由协议的分类路由协议的分类能量感知路由能量感知路由协议协议和非能量感知路由和非能量感知路由协议协议;查询驱动查询驱动和非和非查询驱动查询驱动路由;路由;单单路径和多路径路由;路径和多路径路由;安全路由与非安全路由安全路由与非安全路由。1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n
14、MAC协议协议 介介质访问质访问控制控制(MAC)协议协议决定无决定无线线信道的使信道的使用方式,在用方式,在传传感器感器节节点之点之间间分配有限的无分配有限的无线线通通信信资资源,用来构建源,用来构建传传感器网感器网络络系系统统的底的底层层基基础础结结构。构。1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术nMAC协议协议 MAC协议处协议处于于传传感器网感器网络协议络协议的底的底层层部分,部分,对传对传感器网感器网络络的性能有的性能有较较大影响,是保大影响,是保证证无无线线传传感器网感器网络络高效通信的关高效通信的关键键网网络协议络协议之一。之一。1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术nMAC协
15、议设计时的考虑因素协议设计时的考虑因素节节省能量省能量可可扩扩展性展性网网络络效率效率1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n拓扑控制拓扑控制 拓扑控制拓扑控制的的主要研究主要研究问题问题是在是在满满足网足网络络覆盖覆盖度和度和连连通度的前提下,通通度的前提下,通过过功率控制和骨干网功率控制和骨干网节节点点选择选择,剔除,剔除节节点之点之间间不必要的通信不必要的通信链链路,路,形成一个数据形成一个数据转发转发的的优优化网化网络结络结构。构。1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n拓扑控制拓扑控制的分类的分类节节点功率控制点功率控制功率控制机制功率控制机制调节调节网网络络中每个中每个节节点的
16、点的发发射功率,在射功率,在满满足网足网络连络连通度的前提下,均衡通度的前提下,均衡节节点的点的单单跳可达跳可达邻邻居数目。居数目。层层次型拓扑次型拓扑控制控制层层次型拓扑控制利用分簇机制次型拓扑控制利用分簇机制,让让一些一些节节点作点作为为簇簇头节头节点,由簇点,由簇头节头节点形成一个点形成一个处处理并理并转发转发数据的骨数据的骨干网,其他非骨干网干网,其他非骨干网节节点可以点可以暂时暂时关关闭闭通信模通信模块块,进进入休眠状入休眠状态态以以节节省能量。省能量。1.3 传感网的传感网的核心技术核心技术n定位技术定位技术 传传感器感器节节点必点必须须明确自身位置才能明确自身位置才能详细说详细说
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