1、無線傳感器網(wǎng)絡黃樂天,上課時間：周三1、2節(jié)（立人樓 B109） email: Tel:61831105（O） Office:科研樓B224(B) - 實驗地點：科B237（待定） - 課程考核方式： 平時考核（15%）、期末考試（60%）和實驗考核（25%）,Course Overview,Textbook: “Wireless Sensor Networks無線傳感器網(wǎng)絡，Lan F.Akyildiz, Mehmet Can Vuran編，徐平平，劉昊，褚宏云等譯，電子工業(yè)出版社，第1版，2013年3月。,參考書及預備知識,Reference books 1無線傳感器網(wǎng)絡原理與應用，姚向華

2、、楊新宇、易勁剛、韓九強，高等教育出版社，第1版，2012年4月。 2. 智能網(wǎng)絡傳感器與無線傳感器網(wǎng)絡，景博、張劼、孫勇，國防工業(yè)出版社，第1版，2011年1月。 3物聯(lián)網(wǎng)/無線傳感網(wǎng)原理與實踐，賈靈、王新宇、鄭淑軍，北京航空航天大學出版社，第1版，2011年1月。 Prerequisite knowledge and/or skills 計算機通信網(wǎng)，微機原理，傳感原理與信息感知技術,WSN是一門交叉學科，涉及計算機、微電子、網(wǎng)絡、通信、信號處理、傳感器等諸多領域,隨著現(xiàn)代微電子技術、微機電系統(tǒng)（MEMS)、片上系統(tǒng)soc、納米材料、無線通信技術、信號處理技術、計算機網(wǎng)絡技術等的進步以及互

3、聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展 傳統(tǒng)傳感器信息獲取技術從獨立的單一化模式向集成化、微型化，智能化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展，成為信息獲取最重要和最基本的技術之一。,無線傳感器網(wǎng)絡涉及這么多知識、技術。需要哪些基礎？達到什么目標？需要掌握哪些重點？,WSN的定義（維基百科）,無線傳感器網(wǎng)絡是由許多在空間中分布的自動裝置組成的一種無線通信計算機網(wǎng)絡，這些裝置使用傳感器協(xié)作地監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況（比如溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物）。無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展最初起源于戰(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，如環(huán)境與生態(tài)監(jiān)測、健康監(jiān)護、家居自動化以及交通控制等。,起源于軍事目的的無線傳感器網(wǎng)絡在

4、民用化過程中會出現(xiàn)哪些問題？對其后續(xù)發(fā)展帶來什么影響？,WSN的特征,大規(guī)模 為了獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點，可能達到成千上萬，甚至更多。 自組織 在傳感器網(wǎng)絡應用中，通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎結構的地方，傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定，節(jié)點之間的相互鄰居關系預先也不知道。 動態(tài)性 傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構可能因為下列因素而改變：環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點故障或失效；環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至時斷時通；傳感器網(wǎng)絡的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；新節(jié)點的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)要能夠適應這種變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構

5、性。,WSN的特征,可靠性 由于監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點數(shù)目巨大，不可能人工“照顧”每個傳感器節(jié)點，網(wǎng)絡的維護十分困難甚至不可維護。 以數(shù)據(jù)為中心 用戶使用傳感器網(wǎng)絡查詢事件時，直接將所關心的事件通告給網(wǎng)絡，而不是通告給某個確定編號的節(jié)點。網(wǎng)絡在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習慣。 集成化 傳感器節(jié)點的功耗低，體積小，價格便宜，實現(xiàn)了集成化。,以上哪些特征是“普世化”的，哪些特征只針對特定的應用場景。,VWSN的特征,可靠性 由于監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點數(shù)目巨大，不可能人工“照顧”每個傳感器節(jié)點，網(wǎng)絡的維護十分困難甚

6、至不可維護。 以數(shù)據(jù)為中心 用戶使用傳感器網(wǎng)絡查詢事件時，直接將所關心的事件通告給網(wǎng)絡，而不是通告給某個確定編號的節(jié)點。網(wǎng)絡在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習慣。 集成化 傳感器節(jié)點的功耗低，體積小，價格便宜，實現(xiàn)了集成化。,以上哪些特征是“普世化”的，哪些特征只針對特定的應用場景。,網(wǎng)絡體系結構,從無線聯(lián)網(wǎng)的角度來看，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的體系由分層的網(wǎng)絡通信協(xié)議、網(wǎng)絡管理平臺和應用支撐平臺三個部分。,無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議,網(wǎng)絡通信協(xié)議類似于傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡中的TCP/IP協(xié)議體系，它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層組

7、成。 各層內容將在后續(xù)章節(jié)依次介紹討論。,Contents,第1章 概述 -4學時chap1、2 第2章 傳感器與執(zhí)行器-2學時chap14 第3章 傳感器網(wǎng)絡設計影響因素-2學時chap3 第4章 物理層 -4學時chap4 第5章 介質訪問控制 -6學時chap5 第6章 差錯控制 -2學時chap6 第7章 網(wǎng)絡層 -4學時chap7 實驗 基礎類實驗 -8學時 實驗指導書 自學第8，9，10章 了解第13，15，16，17，18章,Chapter 1: Introduction,什么是無線傳感器網(wǎng)絡？,巨型機說：“我認為全球大概只需要五臺計算機就夠了”； PC機說：“每個家庭的桌面上都

8、應該有一臺電腦” ； Pocket PC說：“太大了，應該每人口袋里放一臺” ； WSN說：“每粒沙子都應該是一臺計算機”。,Internet、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡等,匯聚節(jié)點,監(jiān)測區(qū)域,傳感器節(jié)點,什么是無線傳感器網(wǎng)絡,WSN是一種分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)，采用無線多跳的通信方式，其網(wǎng)絡拓撲結構動態(tài)變化，具有自組織、自控制以及自適應等智能屬性。由傳感器節(jié)點、感知對象和觀察者三個基本要素組成。,Sink,傳感器節(jié)點,Internet、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng),WSN體系結構,終端用戶,檢測區(qū)域,Sensor Types,Light Thermopile Ultraviolet IR Visible Light C

9、olor sensors Magnetic Sound Ultrasound Accelerometer Temperature Pressure Humidity Touch sensors,回顧微機原理或嵌入式系統(tǒng)內容 理解無線傳感器節(jié)點系統(tǒng)平臺結構和組成，工作原理及應用 無線傳感器網(wǎng)絡都是以此為基礎,Small Low power Low bit rate High density Low cost (dispensable) Autonomous Adaptive,傳感器節(jié)點硬件,各種節(jié)點系統(tǒng)平臺,傳感器節(jié)點的具體產(chǎn)品,Sensor Node Hardware,Two main com

10、ponents Base (Processor + Transceiver) Sensor Board Base + Sensor Board(s) = Sensor Node,Sensor Node Features,Sensor Motes Timeline,Rockwell WINS,Smart Dust,JPL Sensor Webs,Dust,Examples for Sensor Nodes,MICA Mote,Rene Mote,weC Mote,Dot Mote,Examples for Sensor Nodes,Current Platforms: 1st Generatio

11、n,Mica2DOT (2003) 16Kb program mem RFM TR1000 (CSMA/ASK) Lightweight and small Mica2 Mica2 and MicaZ use EEPROM; Stargate uses SDRAM Imote2 will have different versions, SRAM changes accordingly,SENSOR NODE FEATURESCommunication and Power, With external Bluetooth adapter With external WLAN adapter D

12、ifferent sleep levels,MICAz Platform,Microprocessor: Atmel ATmega128L 7.3728 MHz clock 128 kB of Flash for program memory 4 kB of SRAM for data and variables 2 UARTs (Universal Asynchronous Receive and Transmit) Serial Port Interface (SPI) bus Dedicated hardware I2C bus Radio: Chipcons CC2420 (IEEE

13、802.15.4) 250 kbit/s External serial flash memory: 512 Kb xbow estimates 100000 samples 51-pin expansion connector Eight 10-bit analog I/O 21 general purpose digital I/O User interface: 3 programmable LEDs Powered by two AA batteries 1850 mAh capacity,Logger Flash,ATMega128L controller Analog I/O Di

14、gital I/O,Freq. Tunable Radio,51-Pin Expansion Connector,Antenna,MMCX connector,LEDs,Telos Platform,Robust USB interface Integrated antenna (30m-125m) External antenna capability (500m) High Performance 10kB RAM, 48 KB ROM 12-bit ADC and DAC (200ksamples/sec) Hardware link-layer encryption,Telos Pla

15、tform,Single board philosophy Robustness, Ease of use, Lower Cost Integrated Humidity 125m outdoor ranges,SunSPOT Platform,Microprocessor: 32 bit ARM920T core 180 MHz clock 512 kB of Flash for program memory 4 MB of Flash for data USB Connection Radio: Chipcons CC2420 (IEEE 802.15.4) 250 kbit/s 3.7V

16、 rechargeable 720 mAh lithium-ion battery Software: Squawk VM Fully capable J2ME CLDC 1.1 Java VM with OS functionality VM executes directly out of flash memory Device drivers in Java Automatic battery management,實驗平臺,無線傳感器網(wǎng)絡的通信標準,傳感器網(wǎng)絡中的應用一般不需要很高的信道帶寬，卻要求具有較低的傳輸延時和極低的功率消耗，使用戶能在有限的電池壽命內完成任務 IEEE 802

17、.15.4標準把低功耗、低成本作為主要目標，為傳感器網(wǎng)絡提供了一種互連互通的平臺，各大射頻芯片廠商也陸續(xù)推出支持該標準的無線收發(fā)芯片 ZigBee、無線HART和6LoWPAN等無線傳感器網(wǎng)絡標準或規(guī)范均是基于IEEE 802.15.4-2006低速率無線個域網(wǎng)標準。,無線網(wǎng)絡標準,The 802.15.4 / Zigbee sandbox,Wireless Technologies Compared,ZigBee聯(lián)盟簡介,ZigBee聯(lián)盟組成 成立于2001年9月 成員為半導體廠商、無線IP供應商、OEM廠商及終端用戶 擁有150個成員，包括飛思卡爾、菲利普、三菱、三星、IBM及華為等 Zi

18、gBee聯(lián)盟的宗旨 在一個開放式全球標準的基礎上使穩(wěn)定的、低成本的、低功耗的、無線聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控和控制產(chǎn)品成為可能,ZigBee標準,ZigBee來源于蜜蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式。蜜蜂通過跳ZigZig形狀的舞蹈傳遞新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離與方向等信息 ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術。 ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee標準時，采用了IEEE802.15.4作為其物理層和媒體接入層規(guī)范。在其基礎之上，ZigBee聯(lián)盟制定了數(shù)據(jù)鏈路層（DLL)網(wǎng)絡層（NWK）和應用編程接口API規(guī)范，并負責高層應用、測試和市場推廣等方面的工作 ZigBe

19、e技術將主要嵌人在消費性電子設備、家庭和建筑物自動化設備、工業(yè)控制裝置、電腦外設、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機等設備，支持小范圍的基于無線通信的控制和自動化等領域中的應用，同時還支持地理定位功能,ZigBee e.g. Light switch, infrared sensor 38 primitives,Full Function Device (FFD) Any topology Network coordinator capable Talks to any other device 3 modes: PAN Coordinator, Coordinator, Device 49 primi

20、tives (14 PHY+ 35 MAC) (1/3 of Bluetooth),IEEE 802.15.4 Topologies,Star,PAN Coordinator,802.15.4 Topology：Peer-Peer Topology Combined Topology,Full function device,Reduced function device,Clustered stars - for example, cluster nodes exist between rooms of a hotel and each room has a star network for

21、 control.,Point to point,Network Pieces PAN Coordinator,PAN Coordinator “owns” the network Starts it Allows other devices to join it Provides binding and address-table services Saves messages until they can be delivered And more could also have i/o capability A “full-function device” FFD Mains power

22、ed,Network Pieces - Router,Routers Routes messages Does not own or start network Scans to find a network to join Given a block of addresses to assign A “full-function device” FFD Mains powered depending on topology Could also have i/o capability,Network Pieces End Device,End Device Communicates with

23、 a single device Does not own or start network Scans to find a network to join Can be an FFD or RFD (reduced function device) Usually battery powered,物理層信道分配和調制方式,注：* 項為可選項目，系802.15.4-2006新增內容,IEEE 802.15.4 PHY - Operating Frequency Bands,868MHz / 915MHz PHY,The 2.4GHz ISM band,802.11 DSSS,IEEE 802.

24、15.4 PHY幀格式,PHY 負載,物理幀頭(PHR),同步頭(SHR),PSDU,Reserved (1 比特),Frame length (7 比特),SFD,前導碼（preamble）,可變,1 字節(jié),1 字節(jié),Ocets:4 字節(jié),SFD，Start-of-Frame Delimiter PSDU，PHY Service Data Unit,IEEE 802.15.4 MAC幀格式,幀頭MHR，MAC Header：包括幀控制域，幀序列號，地址和用于加解密的附加安全頭部 幀尾MFR，MAC Footer：16位CRC校驗碼,802.15.4：General Frame Structu

25、re,4 Types of MAC Frames: Beacon Frame Data Frame Acknowledgment Frame MAC Command Frame,無線 HART,無線HART（WirelessHART）標準是HART通訊協(xié)議的擴展，專為如過程監(jiān)視和控制等工業(yè)環(huán)境應用所設計。 IEC 6259（Ed. 1.0）是國際電工委員會于2010年4月批準發(fā)布的完全國際化的無線HART標準，是過程自動化領域的第一個無線傳感器網(wǎng)絡國際標準。 圖示網(wǎng)絡有5種組件,6LoWPAN,IEEE于2004年11月成立了一個6Lowpan（IPv6 over IEEE 802154或IP

26、v6 over LR PAN）工作組，專門致力于如何實現(xiàn)IPv6數(shù)據(jù)包在IEEE 802.15.4上的傳輸，研究基于1Pv6 over IEEE與無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議相關的通信標準 6LoWPAN是“IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks”（低功率無線個域網(wǎng)上的IPv6）縮寫 屬IETF（因特網(wǎng)工程任務組）中的一個工作組，負責制訂基于IEEE802.15.4標準個域網(wǎng)上IPv6傳輸?shù)耐ㄓ嵓夹g標準。 現(xiàn)已發(fā)布了RFC4944基礎性的技術規(guī)范。,6LowPan草案,6Lowpan是IPv6 over Low Power wireless

27、 Personal Area Network的縮寫，該草案的目標是制訂如何在Lowpan上傳輸IPv6報文。 當前Lowpan采用的開放協(xié)議主要指IEEE 802. 15.4 MAC 層標準,在上層并沒有一個真正開放的標準支持路由等功能。 由于IPv6是下一代互聯(lián)網(wǎng)標準，在技術上均趨于成熟，并且在Lowpan上采用IPv6協(xié)議可以與現(xiàn)有網(wǎng)絡實現(xiàn)無縫連接，因此IETF成立了專門的工作組制定如何在802.15.4協(xié)議上發(fā)送和接收IPv6報文等相關技術標準,Overview,6LoWPAN is an acronym of IPv6 over Low power Wireless Personal

28、Area Networks. A simple low throughput wireless network comprising typically low cost and low power devices. Common topologies include star, mesh, and combinations of star and mesh. The Phy and MAC layers conform to IEEE 802.15.4-2003 standard,6LoWPAN Characteristics,Small packet size (127Byte) 16-b

29、it short or IEEE 64-bit extended media access control addresses Low bandwidth. (250kbps) Low power, typically battery operated Relatively low cost,6LoWPAN,The Working Group will generate the necessary documents to ensure interoperable implementations of 6LoWPAN networks and will define the necessary

30、 security and management protocols and constructs for building 6LoWPAN networks. 6lowpan will work closely with the Routing Over Low power and Lossy networks (roll) working group which is developing IPv6 routing solutions for low power and lossy networks (LLNs).,ROLL,ROLL: defining the routing solut

31、ion within the LLN (Low power and Lossy Network).,Description of Working Group,Low power and Lossy networks (LLNs) are made up of many embedded devices with limited power, memory, and processing resources. They are interconnected by a variety of links, such as IEEE 802.15.4, Bluetooth, Low Power WiF

32、i, wired or other low power PLC (Powerline Communication) links. LLNs are transitioning to an end-to-end IP-based solution to avoid the problem of non-interoperable networks interconnected by protocol translation gateways and proxies.,Problem,No method exists to make IP run over IEEE 802.15.4 networks Stacking IP and above layers “as is” may not fit within one 802.15.4 frame IPv6 40 octets, TCP 20 octets, UDP 8 octets + other layers (security, routing, etc) leaving few