1第3章

無線傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)2目

錄3.0無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)3.1什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)3.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用3.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議3.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議3.7無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂?.8無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)3.9無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機(jī)制3.10無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全技術(shù)3.11無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理3.12無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合33.0無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)

2009年8月7日下午，在中科院無錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心考察時，溫家寶總理指出：一是把傳感系統(tǒng)和3G中的TD技術(shù)結(jié)合起來；二是在國家重大科技專項(xiàng)中，加快推進(jìn)傳感網(wǎng)發(fā)展；三是盡快建立中國的傳感信息中心，或者叫“感知中國”中心。

43.0無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)（續(xù)）物聯(lián)網(wǎng)（TheInternetofthings）：通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；

第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物體與物體之間，進(jìn)行信息交換和通信。

5（1）傳感器及傳感節(jié)點(diǎn)技術(shù)

重點(diǎn)加強(qiáng)各類新型傳感器、低功耗傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、中高速傳感網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備及節(jié)點(diǎn)專用操作系統(tǒng)等技術(shù)研發(fā)。（2）物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)與協(xié)同處理技術(shù)

重點(diǎn)加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)與信息安全、節(jié)點(diǎn)間通信與組網(wǎng)及協(xié)同感知與處理等技術(shù)研發(fā)。（3）物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成技術(shù)

重點(diǎn)加強(qiáng)功能集成、網(wǎng)絡(luò)集成、軟硬件操作界面集成及智能控制、系統(tǒng)級軟件/中間件等技術(shù)研發(fā)。（4）物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用抽象及標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)

重點(diǎn)加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)協(xié)議與規(guī)范、平臺軟件開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具、核心框架及中間件構(gòu)造等技術(shù)研發(fā)。（5）共性支撐技術(shù)

重點(diǎn)加強(qiáng)可編程、系統(tǒng)測試、情境感知等共性技術(shù)研發(fā)及現(xiàn)代信息通信、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)微電子、新材料、新能源等基礎(chǔ)支撐技術(shù)的研究與創(chuàng)新應(yīng)用。3.0無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)（續(xù)）江蘇省正在推進(jìn)的重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域：6（1）物聯(lián)網(wǎng)核心產(chǎn)業(yè)。重點(diǎn)發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈緊密關(guān)聯(lián)的硬件、軟件、系統(tǒng)集成及運(yùn)營服務(wù)四大核心領(lǐng)域。著力打造各類傳感器、傳感節(jié)點(diǎn)、物聯(lián)網(wǎng)芯片、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫軟件、中間件、應(yīng)用軟件、系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)容服務(wù)、智能控制系統(tǒng)及設(shè)備等產(chǎn)業(yè)。（2）物聯(lián)網(wǎng)支撐產(chǎn)業(yè)。支持發(fā)展微納器件、集成電路、網(wǎng)絡(luò)與通信設(shè)備、微能源、新材料、計(jì)算機(jī)、軟件等相關(guān)支撐產(chǎn)業(yè)。（3）物聯(lián)網(wǎng)帶動產(chǎn)業(yè)。利用物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的重大變革，重點(diǎn)推進(jìn)帶動效應(yīng)明顯的現(xiàn)代裝備制造業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)、現(xiàn)代物流業(yè)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。3.0無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)（續(xù)）江蘇省正在推進(jìn)的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域：7江蘇省正在全力推進(jìn)的“十大”示范工程：智能工業(yè)智能環(huán)保城市智能交通智能災(zāi)害防控智能農(nóng)業(yè)智能公共安全智能醫(yī)護(hù)智能物流智能電網(wǎng)智能家居

3.0無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)（續(xù)）83.1什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetwork，WSN)：

由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集、傳輸和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。狹義（本章內(nèi)容）和廣義？真正實(shí)現(xiàn)5個any，基于WWAN、WMAN、WLAN、WPAN……?93.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)1．網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。（狹義？）傳感器節(jié)點(diǎn)：隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。

傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。

管理節(jié)點(diǎn)：對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。103.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）113.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）2.傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)A）傳感器模塊：負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；B）處理器模塊：負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)；C）無線通信模塊：負(fù)責(zé)與其它傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；D）能量供應(yīng)模塊：為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。

123.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）3.協(xié)議棧A）物理層：信號調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)；B）數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制；C）網(wǎng)絡(luò)層：路由生成與路由選擇；D）傳輸層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制；E）應(yīng)用層：基于檢測任務(wù)的應(yīng)用軟件。能量管理平臺：負(fù)責(zé)各協(xié)議層的能量節(jié)省問題；移動管理平臺：檢測并注冊節(jié)點(diǎn)移動信息，維護(hù)匯聚節(jié)點(diǎn)的路由；任務(wù)管理平臺

：平衡和調(diào)度檢測任務(wù)。協(xié)議棧的進(jìn)一步細(xì)化133.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)1．大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)（優(yōu)勢：P204）2．自組織網(wǎng)絡(luò)（無基礎(chǔ)設(shè)施時）3．動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)（節(jié)點(diǎn)故障或失效、無線鏈路變化、移動性、新節(jié)點(diǎn)加入等）4．可靠的網(wǎng)絡(luò)（惡劣使用條件下的魯棒性和容錯性）5．應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)（基于各種網(wǎng)絡(luò)……）6．以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)（實(shí)現(xiàn)傳感的最終目的……）143.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用1．軍事應(yīng)用2．環(huán)境觀測和預(yù)報系統(tǒng)3．醫(yī)療護(hù)理4．智能家居5．建筑物狀態(tài)監(jiān)控6．其它方面的應(yīng)用15物流應(yīng)用？（雨潤集團(tuán)）電磁兼容？（重大專項(xiàng)）橋梁安全？（土木工程）食品安全？（政府關(guān)注）藥品安全？（三寶集團(tuán)）環(huán)保監(jiān)測？（AlwaysOnline!）員工考勤？學(xué)生考勤？（鐵面無私?。o處不在……3.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用（續(xù)）163.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議MAC協(xié)議對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能是由眾多節(jié)點(diǎn)協(xié)作實(shí)現(xiàn)的。在局部范圍內(nèi)，MAC協(xié)議協(xié)調(diào)無線信道分配；在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，路由協(xié)議選擇通信路徑。173.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議（續(xù)）

設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議需要著重考慮的問題：(1)節(jié)省能量：長時間，很多應(yīng)用是無法維護(hù)的；

(2)可擴(kuò)展性

：舊節(jié)點(diǎn)失效，新節(jié)點(diǎn)加入；(3)網(wǎng)絡(luò)效率：公平性、實(shí)時性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和帶寬利用率等。183.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議（續(xù)）

可能造成網(wǎng)絡(luò)能量浪費(fèi)的主要原因：(1)如果MAC協(xié)議采用競爭方式，可能會引起多個節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致重傳消耗節(jié)點(diǎn)更多的能量。(2)節(jié)點(diǎn)接收并處理不必要的數(shù)據(jù)。(3)節(jié)點(diǎn)對無線信道的空閑偵聽，以便接收可能傳輸給自己的數(shù)據(jù)。過度的空閑偵聽或者沒必要的空閑偵聽同樣會造成節(jié)點(diǎn)能量的浪費(fèi)。（無線模塊？）(4)在控制節(jié)點(diǎn)之間的信道分配時，如果控制消息過多，也會消耗較多的網(wǎng)絡(luò)能量。發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、偵聽狀態(tài)和睡眠狀態(tài)等。193.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議（續(xù)）MAC協(xié)議分類標(biāo)準(zhǔn)分布控制/集中控制單一共享信道/多個共享信道固定分配信道方式/隨機(jī)訪問信道方式從固定分配信道方式/隨機(jī)訪問信道方式角度，可以具體有：(1)采用無線信道的時分多址方式，給每個傳感器節(jié)點(diǎn)分配固定的無線信道使用時段，從而避免節(jié)點(diǎn)之間的相互干擾。包括基于分簇網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議、DEANA協(xié)議、基于周期性調(diào)度的協(xié)議、TRAMA協(xié)議、DMAC協(xié)議等。(2)采用無線信道的隨機(jī)競爭方式，節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時隨機(jī)使用無線信道，重點(diǎn)考慮盡量減少節(jié)點(diǎn)間的干擾。包括IEEE802.11MAC、S-MAC、T-MAC、SIFT協(xié)議等。(3)其它MAC協(xié)議，如通過采用頻分多址或者碼分多址等方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間無沖突的無線信道的分配。

203.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議特點(diǎn)：(1)能量優(yōu)先

（能量受限，延長網(wǎng)絡(luò)生存期）(2)基于局部拓?fù)湫畔ⅲü?jié)點(diǎn)有限的存儲資源和計(jì)算資源，只能獲取局部信息）(3)以數(shù)據(jù)為中心（感知數(shù)據(jù)需求、數(shù)據(jù)通信模式和流向等，主要關(guān)注感知數(shù)據(jù)；并非以地址為節(jié)點(diǎn)標(biāo)識和路由依據(jù)

）(4)應(yīng)用相關(guān)（不同應(yīng)用需求和場景）

213.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議（續(xù)）(1)能量高效（有限能量，要簡單且高效）(2)可擴(kuò)展性（舊節(jié)點(diǎn)失效，新節(jié)點(diǎn)加入，拓?fù)鋭討B(tài)變化）(3)魯棒性（節(jié)點(diǎn)失效、無線鏈路質(zhì)量，具有容錯能力）(4)快速收斂性（拓?fù)鋭討B(tài)變化、有限能量，減少開銷，提高效率）

設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制的要求：223.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議（續(xù)）根據(jù)不同應(yīng)用對傳感器網(wǎng)絡(luò)各種特性的敏感度不同，可以將路由協(xié)議分為四種類型：(1)能量感知路由協(xié)議（最優(yōu)能量消耗路徑/最長網(wǎng)絡(luò)生存期）。如能量路由算法和能量多路徑路由算法。(2)基于查詢的路由協(xié)議（應(yīng)對查詢應(yīng)用）。如定向擴(kuò)散路由協(xié)議和Boulis等人提出的謠傳路由協(xié)議。(3)地理位置路由協(xié)議（應(yīng)對目標(biāo)跟蹤應(yīng)用）。如GEAR路由協(xié)議、GEM路由協(xié)議和基于邊界定位的地理路由協(xié)議。(4)可靠的路由協(xié)議（應(yīng)對服務(wù)質(zhì)量要求較高的應(yīng)用）。如基于不相交路徑的多路徑路由協(xié)議、ReInForM和SPEED協(xié)議。

路由協(xié)議分類：233.7無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂圃趦?yōu)化設(shè)計(jì)MAC協(xié)議和路由協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議之外，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制與優(yōu)化問題。(1)影響整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間（有限能量條件下，高效使用網(wǎng)絡(luò)能量）；

(2)減小節(jié)點(diǎn)間通信干擾，提高網(wǎng)絡(luò)通信效率（合理的功率控制，折中選擇發(fā)射功率）；

(3)為路由協(xié)議提供基礎(chǔ)（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的鄰居關(guān)系）；(4)影響數(shù)據(jù)融合（逐級上傳，骨干節(jié)點(diǎn)的選擇問題）；

(5)彌補(bǔ)節(jié)點(diǎn)失效的影響（具有魯棒性）。以上問題，已經(jīng)有一些有價值的研究結(jié)果。（P212和213）243.8無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息對傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測活動至關(guān)重要，沒有位置信息的監(jiān)測消息往往毫無意義。確定事件發(fā)生的位置或獲取消息的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的有效性起著關(guān)鍵的作用。除了定位事件發(fā)生位置外，定位信息還具有下列用途：目標(biāo)跟蹤協(xié)助路由進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理253.8無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)（續(xù)）(1)自組織性：傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，不能依靠全局的基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)助定位。(2)健壯性：傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件配置低、能量少、可靠性差，測量距離時會產(chǎn)生誤差，算法必須具有較好的容錯性。(3)能量高效：盡可能地減少算法中計(jì)算的復(fù)雜性，減少節(jié)點(diǎn)間的通信開銷，以盡量延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。通信開銷是傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要能量開銷。(4)分布式計(jì)算：每個節(jié)點(diǎn)計(jì)算自身位置，不能將所有信息傳送到某個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中計(jì)算。定位算法需要具備的特點(diǎn)：（區(qū)別于GPS?。?63.8無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)（續(xù)）信標(biāo)節(jié)點(diǎn)/位置未知節(jié)點(diǎn)三邊測量法/三角測量法/極大似然法根據(jù)定位過程中是否實(shí)際測量節(jié)點(diǎn)間的距離或角度，定位分類為：基于距離的定位和距離無關(guān)的定位?；诰嚯x的定位分為：基于TOA的定位、基于TDOA的定位、基于AOA的定位、基于RSSI的定位等。

距離無關(guān)的定位主要有：質(zhì)心算法、DVHop算法、Amorphous算法、APIT算法等。定位算法分類：273.9無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機(jī)制時間同步是需要協(xié)同工作的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵機(jī)制。NTP協(xié)議是Internet上廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議，但只適用于結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定、鏈路很少失敗的有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)能夠以納秒級精度與世界標(biāo)準(zhǔn)時間UTC保持同步，但需要配置固定的高成本接收機(jī)，同時在室內(nèi)、森林或水下等有掩體的環(huán)境中無法使用GPS系統(tǒng)。NTP、GPS都不適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。283.9無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機(jī)制（續(xù)）RBS機(jī)制：基于接收者-接收者的時鐘同步，一個節(jié)點(diǎn)廣播時鐘參考分組，廣播域內(nèi)的兩個節(jié)點(diǎn)分別采用本地時鐘記錄參考分組的到達(dá)時間，通過交換記錄時間來實(shí)現(xiàn)它們之間的時鐘同步。TINY/MINI-SYNC機(jī)制：是簡單的輕量級的同步機(jī)制，假設(shè)節(jié)點(diǎn)的時鐘漂移遵循線性變化，那么兩個節(jié)點(diǎn)之間的時間偏移也是線性的，可通過交換時標(biāo)分組來估計(jì)兩個節(jié)點(diǎn)間的最優(yōu)匹配偏移量。TPSN機(jī)制：采用層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時間同步，所有節(jié)點(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯分級，通過基于發(fā)送者-接收者的節(jié)點(diǎn)對方式，每個節(jié)點(diǎn)能夠與上一級的某個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，從而實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)的時間同步。三個基本的同步機(jī)制：293.10無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)決定了它的安全與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全在研究方法和計(jì)算手段上有很大的不同。一、折中選取算法計(jì)算強(qiáng)度和安全強(qiáng)度。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的單元節(jié)點(diǎn)的各方面能力都不能與目前Internet的任何一種網(wǎng)絡(luò)終端相比。

二、減少系統(tǒng)代碼的數(shù)量。有限的計(jì)算資源和能量資源需要系統(tǒng)的各種技術(shù)綜合考慮。三、減少安全耦合性。協(xié)作特性和路由局部特性。303.10無線傳