1、第第 1 1 章章概 述 目前無線網(wǎng)絡可分為兩種目前無線網(wǎng)絡可分為兩種 ：一種是有基礎(chǔ)設施的網(wǎng)絡；另一種是無基礎(chǔ)：一種是有基礎(chǔ)設施的網(wǎng)絡；另一種是無基礎(chǔ)設施網(wǎng)，又稱為無線設施網(wǎng)，又稱為無線Ad HocAd Hoc網(wǎng)絡，結(jié)點是分布式的，沒有專門的固定基站。網(wǎng)絡，結(jié)點是分布式的，沒有專門的固定基站。無線無線Ad HocAd Hoc網(wǎng)絡又可分為兩類：一類是移動網(wǎng)絡又可分為兩類：一類是移動Ad HocAd Hoc網(wǎng)絡，它的終端是快速移網(wǎng)絡，它的終端是快速移動的。另一類就是無線傳感器網(wǎng)絡，它的結(jié)點是靜止的或者移動很慢。動的。另一類就是無線傳感器網(wǎng)絡，它的結(jié)點是靜止的或者移動很慢。1.11.1無線傳感器網(wǎng)

2、絡的基本概念無線傳感器網(wǎng)絡的基本概念無線傳感器網(wǎng)絡的標準定義是這樣的：無線傳感器網(wǎng)絡是大量的靜止或無線傳感器網(wǎng)絡的標準定義是這樣的：無線傳感器網(wǎng)絡是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，目的是協(xié)作地探測、處移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，目的是協(xié)作地探測、處理和傳輸網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。它的英文是理和傳輸網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。它的英文是Wireless Sensor NetworkWireless Sensor Network，簡稱，簡稱WSNWSN。 從上述定義可以看出，傳感器、感知對象和用戶是傳感器從

3、上述定義可以看出，傳感器、感知對象和用戶是傳感器網(wǎng)絡的三個基本要素。無線網(wǎng)絡是傳感器之間、傳感器與用戶網(wǎng)絡的三個基本要素。無線網(wǎng)絡是傳感器之間、傳感器與用戶之間最常用的通信方式，用于在傳感器與用戶之間建立通信路之間最常用的通信方式，用于在傳感器與用戶之間建立通信路徑。協(xié)作式的感知、采集、處理和發(fā)布感知信息是傳感器網(wǎng)絡徑。協(xié)作式的感知、采集、處理和發(fā)布感知信息是傳感器網(wǎng)絡的基本功能。的基本功能。 傳感器結(jié)點由電源、感知部件、嵌入式處理器、存儲器、傳感器結(jié)點由電源、感知部件、嵌入式處理器、存儲器、通信部件和軟件這幾部分構(gòu)成。電源為傳感器提供正常工作所通信部件和軟件這幾部分構(gòu)成。電源為傳感器提供正常

4、工作所必需的能源。感知部件用于感知、獲取外界的信息，并將其轉(zhuǎn)必需的能源。感知部件用于感知、獲取外界的信息，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。處理部件負責協(xié)調(diào)結(jié)點各部分的工作。通信部換為數(shù)字信號。處理部件負責協(xié)調(diào)結(jié)點各部分的工作。通信部件負責與其他傳感器或用戶的通信。軟件是為傳感器提供必要件負責與其他傳感器或用戶的通信。軟件是為傳感器提供必要的軟件支持。的軟件支持。 傳感器網(wǎng)絡的用戶是感知信息的接收者和使用者，可以是傳感器網(wǎng)絡的用戶是感知信息的接收者和使用者，可以是人也可以是計算機或其他設備。人也可以是計算機或其他設備。 1.11.1無線傳感器網(wǎng)絡的基本概念無線傳感器網(wǎng)絡的基本概念1.21.2無線傳感器網(wǎng)絡

5、的特征無線傳感器網(wǎng)絡的特征1.2.11.2.1與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡的區(qū)別與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡的區(qū)別傳感器網(wǎng)絡雖然與無線自組網(wǎng)有相似之處，但同時也存在很大的傳感器網(wǎng)絡雖然與無線自組網(wǎng)有相似之處，但同時也存在很大的差別。傳感器網(wǎng)絡是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡系統(tǒng)，節(jié)點差別。傳感器網(wǎng)絡是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡系統(tǒng)，節(jié)點數(shù)目更為龐大數(shù)目更為龐大( (上千甚至上萬上千甚至上萬) )，節(jié)點分布更為密集；由于環(huán)境影響和能，節(jié)點分布更為密集；由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點更容易出現(xiàn)故障；環(huán)境干擾和節(jié)點故障易造成網(wǎng)絡拓撲結(jié)量耗盡，節(jié)點更容易出現(xiàn)故障；環(huán)境干擾和節(jié)點故障易造成網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的變化；通常情況下，

6、大多數(shù)傳感器節(jié)點是固定不動的。構(gòu)的變化；通常情況下，大多數(shù)傳感器節(jié)點是固定不動的。另外，傳感器節(jié)點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等另外，傳感器節(jié)點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的首要設計目標是提供高服務質(zhì)量和高效帶都十分有限。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的首要設計目標是提供高服務質(zhì)量和高效帶寬利用，其次才考慮節(jié)約能源；而傳感器網(wǎng)絡的首要設計目標是能源的寬利用，其次才考慮節(jié)約能源；而傳感器網(wǎng)絡的首要設計目標是能源的高效使用，這也是傳感器網(wǎng)絡和傳統(tǒng)網(wǎng)絡最重要的區(qū)別之一。高效使用，這也是傳感器網(wǎng)絡和傳統(tǒng)網(wǎng)絡最重要的區(qū)別之一。1.2.11.2.1與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡的區(qū)別與現(xiàn)有

7、無線網(wǎng)絡的區(qū)別1.2.2 1.2.2 與現(xiàn)場總線的區(qū)別與現(xiàn)場總線的區(qū)別現(xiàn)場總線是應用在生產(chǎn)現(xiàn)場和微機化測量控制設備之間、實現(xiàn)雙向現(xiàn)場總線是應用在生產(chǎn)現(xiàn)場和微機化測量控制設備之間、實現(xiàn)雙向串行多結(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底串行多結(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線作為一種網(wǎng)絡形式，專門為實現(xiàn)在嚴格的實時約層控制網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線作為一種網(wǎng)絡形式，專門為實現(xiàn)在嚴格的實時約束條件下工作而特別設計的。束條件下工作而特別設計的。由于現(xiàn)場總線通過報告?zhèn)鞲袛?shù)據(jù)從而控制物理環(huán)境，所以從某種程由于現(xiàn)場總線通過報告?zhèn)鞲袛?shù)據(jù)從而控制物理環(huán)境，所以從某種

8、程度上說它與傳感器網(wǎng)絡非常相似。我們甚至可以將無線傳感器網(wǎng)絡看作度上說它與傳感器網(wǎng)絡非常相似。我們甚至可以將無線傳感器網(wǎng)絡看作是無線現(xiàn)場總線的實例。但是兩者的區(qū)別是明顯的，無線傳感器網(wǎng)絡關(guān)是無線現(xiàn)場總線的實例。但是兩者的區(qū)別是明顯的，無線傳感器網(wǎng)絡關(guān)注的焦點不是數(shù)十毫秒范圍內(nèi)的實時性，而是具體的業(yè)務應用，這些應注的焦點不是數(shù)十毫秒范圍內(nèi)的實時性，而是具體的業(yè)務應用，這些應用能夠容許較長時間的延遲和抖動。另外，基于傳感器網(wǎng)絡的一些自適用能夠容許較長時間的延遲和抖動。另外，基于傳感器網(wǎng)絡的一些自適應協(xié)議在現(xiàn)場總線中并不需要，如多跳、自組織的特點，而且現(xiàn)場總線應協(xié)議在現(xiàn)場總線中并不需要，如多跳、自組

9、織的特點，而且現(xiàn)場總線及其協(xié)議也不考慮節(jié)約能源問題。及其協(xié)議也不考慮節(jié)約能源問題。1.2.2 1.2.2 與現(xiàn)場總線的區(qū)別與現(xiàn)場總線的區(qū)別1.2.31.2.3傳感器節(jié)點的限制傳感器節(jié)點的限制1 1電源能量有限電源能量有限 傳感器節(jié)點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。傳感器節(jié)點消傳感器節(jié)點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。傳感器節(jié)點消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊 圖圖1-11-1表示傳感器節(jié)點各部分能量消耗的情況，從圖中可知傳感器節(jié)點的絕表示傳感器節(jié)點各部分能量消耗的情況，從圖中可知傳感器節(jié)點的絕大部分能量消耗在

10、無線通信模塊。大部分能量消耗在無線通信模塊。 圖圖1-11-1傳感器節(jié)點能量消耗情況傳感器節(jié)點能量消耗情況2 2通信能力有限通信能力有限無線通信的能量消耗與通信距離的關(guān)系為：無線通信的能量消耗與通信距離的關(guān)系為： 其中其中k k是系數(shù)，參數(shù)是系數(shù)，參數(shù)n n滿足關(guān)系滿足關(guān)系22n n44，n n的取值與很多因素有關(guān)，例如傳感器的取值與很多因素有關(guān)，例如傳感器節(jié)點部署貼近地面時，障礙物多干擾大，節(jié)點部署貼近地面時，障礙物多干擾大，n n 的取值就大；天線質(zhì)量對信號發(fā)的取值就大；天線質(zhì)量對信號發(fā)射質(zhì)量的影響也很大?？紤]諸多因素，通常取射質(zhì)量的影響也很大。考慮諸多因素，通常取n n為為3 3，即通信

11、能耗與距離的三，即通信能耗與距離的三次方成正比。次方成正比。隨著通信距離的增加，能耗將急劇增加。因此，在滿足通信連通度的前提下應隨著通信距離的增加，能耗將急劇增加。因此，在滿足通信連通度的前提下應盡量減少單跳通信距離。一般而言，傳感器節(jié)點的無線通信半徑在盡量減少單跳通信距離。一般而言，傳感器節(jié)點的無線通信半徑在100m100m以內(nèi)以內(nèi)比較合適。比較合適。傳感器節(jié)點的無線通信帶寬有限，通常僅有幾百傳感器節(jié)點的無線通信帶寬有限，通常僅有幾百kbpskbps的速率。的速率。nEkd 1.2.31.2.3傳感器節(jié)點的限制傳感器節(jié)點的限制 3 3計算和存儲能力有限計算和存儲能力有限 傳感器節(jié)點是一種微型

12、嵌入式設備，要求它價格低功耗小，這些限制傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設備，要求它價格低功耗小，這些限制必然導致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。必然導致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。除了降低處理器的絕對功耗以外，現(xiàn)代處理器還支持模塊化供電和動除了降低處理器的絕對功耗以外，現(xiàn)代處理器還支持模塊化供電和動態(tài)頻率調(diào)節(jié)功能。利用這些處理器的特性，傳感器節(jié)點操作系統(tǒng)設計了動態(tài)頻率調(diào)節(jié)功能。利用這些處理器的特性，傳感器節(jié)點操作系統(tǒng)設計了動態(tài)能量管理和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)模塊，可以更有效地利用節(jié)點的各種資源。態(tài)能量管理和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)模塊，可以更有效地利用節(jié)點的各種資源。 動態(tài)能量管理是當節(jié)點周

13、圍沒有感興趣的事件發(fā)生時，部分模塊處動態(tài)能量管理是當節(jié)點周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時，部分模塊處于空閑狀態(tài)，把這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的睡眠狀態(tài)。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)于空閑狀態(tài)，把這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的睡眠狀態(tài)。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)是當計算負載較低時，通過降低微處理器的工作電壓和頻率來降低處理能是當計算負載較低時，通過降低微處理器的工作電壓和頻率來降低處理能力，從而節(jié)約微處理器的能耗。力，從而節(jié)約微處理器的能耗。1.2.31.2.3傳感器節(jié)點的限制傳感器節(jié)點的限制1.2.41.2.4傳感器組網(wǎng)的特點傳感器組網(wǎng)的特點1. 1. 自組織性自組織性2. 2. 以數(shù)據(jù)為中心以數(shù)據(jù)為中心3 3應用相關(guān)性應用相關(guān)性

14、4 4動態(tài)性動態(tài)性5 5網(wǎng)絡規(guī)模大網(wǎng)絡規(guī)模大6 6可靠性可靠性1.31.3無線傳感器網(wǎng)絡的關(guān)鍵性能指標無線傳感器網(wǎng)絡的關(guān)鍵性能指標1 1網(wǎng)絡的工作壽命網(wǎng)絡的工作壽命2. 2. 網(wǎng)絡覆蓋范圍網(wǎng)絡覆蓋范圍3. 3. 網(wǎng)絡搭建成本和難易程度網(wǎng)絡搭建成本和難易程度4. 4. 網(wǎng)絡響應時間網(wǎng)絡響應時間1.41.4無線傳感器網(wǎng)絡的應用無線傳感器網(wǎng)絡的應用1 1軍事應用軍事應用2 2環(huán)境科學環(huán)境科學3 3空間探索空間探索4 4醫(yī)療健康醫(yī)療健康5 5智能家居智能家居6 6建筑物和大型設備安全狀態(tài)的監(jiān)控建筑物和大型設備安全狀態(tài)的監(jiān)控7 7緊急援救緊急援救8 8其他商業(yè)應用其他商業(yè)應用1.51.5無線傳感器網(wǎng)絡的研究歷史無線傳感器網(wǎng)絡的研究歷史1.5.11.5.1計算設備的演化歷史計算設備的演化歷史圖圖1-21-2直觀描述了計算設備的演化歷史直觀描述了計算設備的演化歷史. . 圖圖1-21-2計算設備的演化歷史計算設備的演化歷史巨型機巨型機 小型機小型機 工作站工作站 PC PDA WSNWSN 節(jié)點等節(jié)點等 生物芯片生物芯片 1.5.21.5.2無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展的三個階段無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展的三個階段1 1第一階段：傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)第一階段：傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)2 2第二階段：傳感器網(wǎng)絡結(jié)點集成