物聯(lián)網(wǎng)導論點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論物聯(lián)網(wǎng)導論

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無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）又稱為無線傳感網(wǎng)，是由具有感知、處理和無線通信能力的微型節(jié)點通過自組織方式形成的網(wǎng)絡，是一種全新的信息獲取平臺，能夠實時監(jiān)測和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關節(jié)點，以實現(xiàn)復雜的指定范圍內的目標檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強等特點，有著廣闊的應用前景。本任務將帶領大家認識無線傳感器網(wǎng)絡的結構、組成、應用、發(fā)展情況。

認識無線傳感器網(wǎng)絡技術2.5物聯(lián)網(wǎng)導論

引導案例——高溫下的森林防火：構建無線傳感器網(wǎng)絡2022年夏天，全國各地高溫，重慶市經歷了罕見高溫，森林內枯枝敗葉極易自燃，引發(fā)火災。如何筑牢森林防火安全屏障？政策規(guī)定、人員巡邏外，火災預警？火災現(xiàn)場定位？

在本任務中，我們就要來認識能有效進行森林火災防控的無線傳感器網(wǎng)絡技術，以及其典型應用領域。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論2.5.1無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展歷史

基本思想起源于20世紀70年代，用于軍事國防項目，1978年，美國國防部高級研究計劃局成立了新一代分布式傳感器網(wǎng)絡工作組，拉開了無線傳感器網(wǎng)絡研究的序幕。隨著半導體技術、微系統(tǒng)技術、通信技術、計算機技術的飛速發(fā)展，20世紀90年代末在美國興起了現(xiàn)代意義上的無線傳感器網(wǎng)絡技術。其后，該技術相繼被一些重要機構預測為將改變世界的重要新技術，相關研究工作在世界各主要發(fā)達國家轟轟烈烈地開展起來。無線傳感器網(wǎng)絡從最初的概念雛形發(fā)展到如今較為成熟的軟硬件體系，大致可分為4個階段。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論4個階段點擊此處結束放映發(fā)展階段時間主要特點第一階段20世紀70年代點對點連接傳感控制器，傳感器有簡單信息獲取能力第二階段20世紀80年代傳感器具有獲取多種信息的能力采用串/并接口（RS-232、RS-485接口等）與傳感控制器相連，構成傳感器網(wǎng)絡，有對多種信息進行綜合和處理的能力。第三階段20世紀90年代后期智能傳感器采用現(xiàn)場總線連接傳感控制器，構成局域網(wǎng)絡第四階段21世紀初至今傳感器具有多功能、多信息獲取能力自組織方式，成了微傳感器技術、嵌入式系統(tǒng)、無線通信、分布計算、人工智能等的新型網(wǎng)絡物聯(lián)網(wǎng)導論

我國對無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展非常重視。從2002年開始，國家自然科學基金委員會、中國下一代互聯(lián)網(wǎng)（CNGD）示范工程、863計劃等已經陸續(xù)資助了多項與無線傳感器網(wǎng)絡相關的課題。另外，國內許多科研院所和重點高校近年來也都積極展開了該領域的研究工作。2004年，國家自然科學基金委員會將無線傳感器網(wǎng)絡列為重點研究項目。2005年，我國開始了傳感器網(wǎng)絡的標準化研究工作。2006年，《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020

年）》中加入了“傳感器網(wǎng)絡及智能信息處理”的內容。我國對無線傳感器網(wǎng)絡的研究工作雖然起步較晚，但在國家的高度重視和扶持下，已經取得了令人矚目的成就。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論2.5.2無線傳感器網(wǎng)絡的定義及結構1.

無線傳感器網(wǎng)絡的定義

無線傳感器網(wǎng)絡是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，是物聯(lián)網(wǎng)用來感知和識別周圍環(huán)境信息的系統(tǒng)。它集成了傳感器技術、嵌入式系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡和無線通信技術等，具有數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能。

無線傳感器網(wǎng)絡是由大量靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網(wǎng)絡，能協(xié)同感知、收集和測控各種環(huán)境下的感知對象，通過對感知信息的協(xié)作式數(shù)據(jù)處理，獲得感知對象的準確信息，然后通過無線方式傳送給需要這些信息的用戶。協(xié)同感知、采集、處理、發(fā)布感知信息是無線傳感器網(wǎng)絡的基本功能。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論

無線傳感器網(wǎng)絡具有多個不同類型的傳感器，監(jiān)控不同場景下不同設備的狀況（溫度、濕度、光照度、聲音、振動、運動狀況等）。

無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展起源于戰(zhàn)場監(jiān)測等軍事應用，而現(xiàn)今無線傳感器網(wǎng)絡被應用于很多民用領域，如智能家居、智慧城市、智慧醫(yī)療、智能交通、智慧農業(yè)等各行各業(yè)。無線傳感器網(wǎng)絡具有非常廣闊的應用前景，其發(fā)展和應用將會給人們生活和生產的各個領域帶來深遠影響。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論2.

無線傳感器網(wǎng)絡的組成

無線傳感器網(wǎng)絡包含傳感器、感知對象和觀察者三個基本要素。一般情況下，無線傳感器網(wǎng)絡由無線傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)和遠程用戶管理節(jié)點組成。

無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)量多、體積小、成本低、分布密集，具有無線通信和數(shù)據(jù)處理能力。它們以無線通信的方式自適應地組成一個無線網(wǎng)絡。各個無線傳感器節(jié)點將自己探測到的有用信息以多跳的方式向指揮中心（主機）報告。

無線傳感器節(jié)點配備有滿足不同應用需求的傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、紅外線感應器、位移傳感器、壓力傳感器等。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論點擊此處結束放映典型無線傳感器網(wǎng)絡的結構物聯(lián)網(wǎng)導論3.節(jié)點單元硬件總體結構

相比于傳統(tǒng)傳感器節(jié)點，無線傳感器節(jié)點不僅包括傳感器部件，還集成了微型控制器和無線通信芯片等，能夠完成信息采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)回傳等，即對感知信息的分析處理和網(wǎng)絡傳輸。無線傳感器節(jié)點一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成，有的還包括定位裝置、運動系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和移動裝置等。點擊此處結束放映無線傳感器節(jié)點的硬件組成物聯(lián)網(wǎng)導論

傳感器模塊：是無線傳感器網(wǎng)絡中負責采集被監(jiān)測環(huán)境或對象相關信息的單元，與具體的應用需求緊密關聯(lián)，不同的應用所涉及的監(jiān)測信息也不相同。

常用的傳感器模塊有溫度傳、濕度、磁場、

光照度、氣壓等。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論

處理器模塊：是無線傳感器節(jié)點的核心單元，完成：第一是接收來自傳感器模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理和計算，并通過無線通信模塊發(fā)送出去；第二是讀取無線通信模塊接收到的數(shù)據(jù)及控制信息，進行數(shù)據(jù)處理，并對硬件平臺或控制目標進行控制；第三是對通信協(xié)議進行處理，完成在無線傳感器網(wǎng)絡通信過程中的媒體訪問控制、路由協(xié)議處理等。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論

無線通信模塊：是無線傳感器節(jié)點組網(wǎng)的必備單元，它使得獨立的無線傳感器節(jié)點之間可以相互連接，并能借助多跳功能將數(shù)據(jù)回傳到匯聚節(jié)點。

在進行無線通信模塊硬件設計時應綜合考慮無線通信模塊的處理能力和數(shù)據(jù)傳輸時的能耗，在滿足通信功能的情況下盡可能地降低通信能耗，延長無線傳感器節(jié)點的工作壽命。點擊此處結束放映無線通信技術頻率/GHz距離/m功耗傳輸速率/kbit/sBluetooth2.410低10000802.11b2.4100高11000ZigBee2.410～75低250IrDA紅外1低16000UWB3.1～10.610低100000物聯(lián)網(wǎng)導論

能量供應模塊：是無線傳感器網(wǎng)絡的能量來源，供電技術的好壞決定了網(wǎng)絡工作時間的長短和系統(tǒng)運行成本。

供電單元主要有高能量電池、燃料電池和能量轉換電池等幾種。

當無線傳感器節(jié)點被放置在室內固定位置時，可以采用交流供電，此時無線傳感器節(jié)點的功耗并不會影響系統(tǒng)運行成本和無線傳感器節(jié)點的使用壽命。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論2.5.3無線傳感器網(wǎng)絡的特點

無線傳感器網(wǎng)絡是集信息采集、數(shù)據(jù)傳輸、信息處理于一體的綜合智能信息系統(tǒng)，具有廣闊的應用前景，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡相比，無線傳感器網(wǎng)絡具有以下顯著特點。1.

網(wǎng)絡規(guī)模大、節(jié)點數(shù)量多

布置大量無線傳感器節(jié)點的優(yōu)點：提高整體監(jiān)測精確度；降低對單個節(jié)點的精度要求；大量冗余節(jié)點的存在使得系統(tǒng)有較強的容錯性能。例如，森林及草原防火監(jiān)測、野生動物活動情況監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測往往要布置大量的無線傳感器節(jié)點。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論2.

自組織網(wǎng)絡

與局部網(wǎng)的布設不同，無線傳感器節(jié)點的位置在布設前不能確定（飛機撒布、人員隨機布設），節(jié)點之間的相鄰關系也不能事先確定，因此要求無線傳感器節(jié)點具有自組織能力，能夠自動進行配置管理。3.

動態(tài)性網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構經常改變，主要原因有無線傳感器節(jié)點電能耗盡，環(huán)境變化造成通信故障，無線傳感器節(jié)點本身出現(xiàn)故障，增加了新的無線傳感器節(jié)點等。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論4.

可靠性要求高無線傳感器網(wǎng)絡對無線傳感器節(jié)點本身硬件結構的要求較高，考慮：①布設時：可能通過飛機撒布、炮彈（火箭）發(fā)射等方式布設。②工作時：風吹、日曬、雨淋、嚴寒、酷暑等惡劣環(huán)境。③維護：維護十分困難（幾乎不可能）。對無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡要求高，主要考慮以下因素：①網(wǎng)絡結構可靠。②自組織、動態(tài)性需保證基本信息傳輸正常。③信息保密性強。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論5.

以數(shù)據(jù)為中心

在互聯(lián)網(wǎng)中，終端、主機、路由器、服務器等設備都有自己的IP地址。想訪問互聯(lián)網(wǎng)中的資源，必須先知道存放資源的服務器的IP地址，所以互聯(lián)網(wǎng)是一個以地址為中心的網(wǎng)絡，而無線傳感器網(wǎng)絡是任務型網(wǎng)絡。

在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點雖然也有編號，但是編號是否在整個無線傳感器網(wǎng)絡中統(tǒng)一取決于具體需要。另外，節(jié)點編號與節(jié)點位置之間也沒有必然聯(lián)系。用戶使用無線傳感器網(wǎng)絡查詢事件時，將關心的事件報告給整個網(wǎng)絡而不是某個節(jié)點，許多時候只關心結果（數(shù)據(jù)）如何，而不關心是哪個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論6.

應用相關性

互聯(lián)網(wǎng)上傳遞的信息是五花八門的，但是無線傳感器網(wǎng)絡傳遞的信息與應用所關注的物理量密切相關。不同的應用背景對無線傳感器網(wǎng)絡的需求不同，最終導致其硬件平臺、軟件系統(tǒng)，甚至網(wǎng)絡協(xié)議都不同，所以在無線傳感器網(wǎng)絡中很難找到一種統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺。為了實現(xiàn)高效率，往往要針對一個具體應用來研究無線傳感器網(wǎng)絡技術。限制性：①電源能量有限：電池供電量小、難以更換。②通信能力有限：通信距離小于100m。③通信速率有限：通信速率一般小于1000kbit/s。④計算和存儲能力有限：處理器的計算能力弱、存儲容量小。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論2.5.4無線傳感器網(wǎng)絡的典型應用

無線傳感器網(wǎng)絡的應用與具體的應用環(huán)境密切相關，因此針對不同的應用領域，存在性能不同的無線傳感器網(wǎng)絡。1.

軍事應用

在軍事應用領域，利用無線傳感器網(wǎng)絡能夠監(jiān)測敵軍區(qū)域內的兵力和裝備，實時監(jiān)視戰(zhàn)場狀況，定位目標物，監(jiān)測核攻擊和生物化學攻擊等。在信息化戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場信息的及時獲取并做出反應對于整個戰(zhàn)局至關重要。由于無線傳感器網(wǎng)絡具有生存能力強、探測精度高、成本低等特點，所以非常適合將其應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，執(zhí)行戰(zhàn)場偵察與監(jiān)控、目標定位、毀傷效果評估、核生化監(jiān)測、國土安全保護、邊境監(jiān)視等任務。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論（1）戰(zhàn)場偵察與監(jiān)控

戰(zhàn)場偵察與監(jiān)控的基本思想是在戰(zhàn)場上布設大量的無線傳感器網(wǎng)絡，以收集和中繼信息，并對大量的原始數(shù)據(jù)進行過濾；然后把重要信息傳送到數(shù)據(jù)融合中心，將大量信息集成為一幅戰(zhàn)場全景圖，以滿足作戰(zhàn)力量“知己知彼”的要求，大大提升指揮員對戰(zhàn)場態(tài)勢的感知水平。

對戰(zhàn)場的監(jiān)控可以分為對己方的監(jiān)控和對敵方的監(jiān)測，包括軍事行動偵察與非軍事行動監(jiān)測。通過在己方人員、裝備上附帶各種傳感器，并將傳感器采集的信息通過匯聚節(jié)點送至指揮所，同時融合來自戰(zhàn)場的其他信息，可以形成己方完備的戰(zhàn)場態(tài)勢圖，幫助指揮員及時準確地了解武器裝備、軍用物資的部署和供給情況。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論

典型的：用飛行器將大量微無線傳感器節(jié)點散布于戰(zhàn)場地域，并自組成網(wǎng)，對戰(zhàn)場信息邊收集、邊傳輸、邊融合。系統(tǒng)軟件通過解讀無線傳感器節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內容，將它們與公路、建筑、天氣、單元位置等相關信息及其他無線傳感器網(wǎng)絡的信息相互融合，向指揮員提供一個動態(tài)、實時更新或近實時更新的戰(zhàn)場信息數(shù)據(jù)庫，為各作戰(zhàn)平臺更準確地制定戰(zhàn)斗行動方案提供情報依據(jù)和服務，使情報偵察與獲取能力得到質的飛躍。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論（2）目標定位

在無線傳感器網(wǎng)絡中，感知目標信息的節(jié)點將感知信息廣播（無線傳送）到管理節(jié)點，再由管理節(jié)點綜合感知信息，對目標位置進行判斷，這一過程稱為目標定位。實現(xiàn)對預定目標的精確打擊。

由于無線傳感器網(wǎng)絡具有擴展性強、實時性和隱蔽性好等特點，所以它非常適合對運動目標進行跟蹤定位，向指揮中心提供目標的實時位置信息。無線傳感器網(wǎng)絡的目標定位應用方式可以分為偵測、定位、報告3個階段。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論

在偵測階段，每個無線傳感器節(jié)點隨機“啟動”以探測可能的目標，并在目標出現(xiàn)后計算自身到目標的距離，同時向網(wǎng)絡廣播節(jié)點位置及與目標的距離等信息；

在定位階段，各節(jié)點根據(jù)接收到的目標方位與自身位置信息，通過三邊測量或三角測量等方法，獲得目標的位置信息，然后進入報告階段；

在報告階段，無線傳感器網(wǎng)絡會向距離目標較近的無線傳感器節(jié)點廣播消息，使之啟動并對目標進行跟蹤，同時無線傳感器網(wǎng)絡將目標信息通過匯聚節(jié)點傳輸?shù)焦芾砉?jié)點或指揮所，以實現(xiàn)對目標的精確定位。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論（3）毀傷效果評估

戰(zhàn)場目標毀傷效果評估是對火力打擊后目標毀傷情況的科學評價，是制定后續(xù)作戰(zhàn)行動決策的重要依據(jù)。當前應用較多的目標毀傷效果評估系統(tǒng)主要依托于無人機、偵察衛(wèi)星等手段，但這些手段均受到飛行距離、過頂時間、敵方打擊無線傳感器網(wǎng)絡或天氣等因素的制約，無法全天候對打擊的目標進行抵近偵察并對毀傷效果做出正確評估。

無線傳感器網(wǎng)絡中，無線傳感器節(jié)點可以通過飛機或火力打擊時的導彈、精確制導炸彈被附帶撒布于攻擊目標周圍。在火力打擊之后，無線傳感器節(jié)點對目標的可見光、無線電通信、人員部署等信息進行收集、傳遞，并經過管理節(jié)點進行相關指標分析，使指揮員及時準確地進行戰(zhàn)場目標毀傷效果評估。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論

一方面可以使指揮員能夠掌握火力打擊任務的完成情況，適時調整火力打擊計劃和火力打擊重點，為實施正確的決策提供科學依據(jù)；另一方面也可以最大限度地優(yōu)化打擊火力配置，集中優(yōu)勢火力對關鍵目標進行打擊，從而大大提高作戰(zhàn)資源利用率。（4）核生化監(jiān)測

將微小的無線傳感器節(jié)點部署到戰(zhàn)場環(huán)境中形成自主工作的無線傳感器網(wǎng)絡，并讓其負責采集有關核生化數(shù)據(jù)的信息，形成低成本、高可靠性的核生化攻擊預警系統(tǒng)。這一系統(tǒng)可以在不消耗人員戰(zhàn)斗力的條件下，及時而準確地發(fā)現(xiàn)己方陣地上的核生化污染，為參戰(zhàn)人員提供寶貴的快速反應時間，從而盡可能地減少人員傷亡和裝備損失。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論

在核生化戰(zhàn)爭中，及時、準確地采集爆炸中心附近的數(shù)據(jù)非常重要。在最短的時間內監(jiān)測到爆炸中心附近的數(shù)據(jù)，判斷爆炸類型，并對其產生的破壞情況進行估算是快速采取應對措施的關鍵，這些工作常常需要專業(yè)人員攜帶裝備進入污染區(qū)進行探測。

而若通過無人機、火箭彈等方式向爆炸中心附近撒布無線傳感器節(jié)點，依靠自主工作的無線傳感器網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)采集，則在遭受核生化攻擊后無須派遣人員即可快速獲取爆炸現(xiàn)場精確的探測數(shù)據(jù)，從而避免相關人員在進行探測時直接暴露在核輻射環(huán)境中而受到核輻射的威脅。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論2.

環(huán)境監(jiān)測應用

無線傳感器網(wǎng)絡應用于環(huán)境監(jiān)測，能夠完成傳統(tǒng)系統(tǒng)無法完成的任務。環(huán)境監(jiān)測應用領域包括植物生長環(huán)境、動物活動環(huán)境、生化監(jiān)測、精準農業(yè)監(jiān)測、森林火災監(jiān)測、洪水監(jiān)測等。點擊此處結束放映物聯(lián)網(wǎng)導論

美國加州大學伯克利分校利用無線傳感器網(wǎng)絡