1、傳感器技術(shù),任課教師：劉 佳 TelEmail：,無線傳感器網(wǎng)絡(luò),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network,WSN） 是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量微型傳感器節(jié)點組成，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。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。,信息與控制學(xué)院儀器系,2,1.傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。 大量傳感器節(jié)點隨機(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)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)

2、點逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(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)。,信息與控制學(xué)院儀器系,3,1.傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),信息與控制學(xué)院儀器系,4,Internet、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡(luò)等,匯聚節(jié)點,監(jiān)測區(qū)域,傳感器節(jié)點,1.傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),傳感器節(jié)點 通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。 從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個傳感器節(jié)點兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)

3、進(jìn)行存儲、管理和融合等處理，同時與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務(wù)。,信息與控制學(xué)院儀器系,5,1.傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),匯聚節(jié)點 匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強，它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet 等外部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。 匯聚節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計算資源，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。,信息與控制學(xué)院儀器系,6,2.傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu),傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu) 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 處理器模塊：負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)

4、點的操作，存儲和處理 本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù) 無線通信模塊：負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點進(jìn)行無線通信， 交 換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù) 能量供應(yīng)模塊：傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用 微型電池,信息與控制學(xué)院儀器系,7,2.傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu),傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu),信息與控制學(xué)院儀器系,8,3.傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 右圖是早期提出的一個協(xié)議棧，這個協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應(yīng)。 協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理平和任務(wù)管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，支持

5、多任務(wù)和資源共享。,信息與控制學(xué)院儀器系,9,3.傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 物理層提供簡單但健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)； 數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制； 網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇； 傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制； 應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件； 能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量； 移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護(hù)到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置； 任務(wù)管理平臺在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。,信息與控制學(xué)院儀器系,10,3.傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,右圖所示的協(xié)議棧細(xì)化并

6、改進(jìn)了原始模型。定位和時間同步子層在協(xié)議棧中的位置比較特殊。它們既要依賴于數(shù)據(jù)傳輸通道進(jìn)行協(xié)作定位和時間同步協(xié)商，同時又要為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層提供信息支持。 右邊的諸多機(jī)制一部分融入到上圖所示的各層協(xié)議中，用以優(yōu)化和管理協(xié)議流程；另一部分獨立在協(xié)議外層，通過各種收集和配置接口對相應(yīng)機(jī)制進(jìn)行配置和監(jiān)控。,信息與控制學(xué)院儀器系,11,4.傳感器節(jié)點的限制,信息與控制學(xué)院儀器系,12,5.傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點,（1）大規(guī)模網(wǎng)絡(luò) 傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性包括兩方面含義： 一方面是傳感器節(jié)點分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)，需要部署大量的傳感器節(jié)點；另一方面，傳感器節(jié)點部署很密集，在一個面積不是很大的空間內(nèi)，密集部署了大量的傳

7、感器節(jié)點。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性具有的優(yōu)點：通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量的采集信息能夠提高監(jiān)測的精確度，降低對單個節(jié)點傳感器的精度要求；大量冗余節(jié)點的存在，使得系統(tǒng)具有很強的容錯性能；大量節(jié)點能夠增大覆蓋的監(jiān)測區(qū)域，減少洞穴或者盲區(qū)。,信息與控制學(xué)院儀器系,13,5.傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點,（2）自組織網(wǎng)絡(luò) 在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方。傳感器節(jié)點的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道。這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進(jìn)行配置和管理，通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系

8、統(tǒng)。 在傳感器網(wǎng)絡(luò)使用過程中，部分傳感器節(jié)點由于能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，也有一些節(jié)點為了彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度而補充到網(wǎng)絡(luò)中，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)就動態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之動態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。,信息與控制學(xué)院儀器系,14,5.傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點,（3）動態(tài)性網(wǎng)絡(luò) 傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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)點出現(xiàn)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?xí)r斷時通；傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)系統(tǒng)要能夠適

9、應(yīng)這種變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性。,信息與控制學(xué)院儀器系,15,5.傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點,（4）可靠的網(wǎng)絡(luò) 傳感器網(wǎng)絡(luò)特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達(dá)的區(qū)域，傳感器節(jié)點可能工作在露天環(huán)境中，往往采用隨機(jī)部署，這些都要求傳感器節(jié)點非常堅固，不易損壞，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件。 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(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信保密性和安全性也十分重要， 要防止監(jiān)測數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造的監(jiān)測信息。 因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有魯棒性和容錯性。,信息與控制學(xué)院儀器系,16,5.傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點,（5）應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)

10、絡(luò) 傳感器網(wǎng)絡(luò)用來感知客觀物理世界， 獲取物理世界的信息量。 客觀世界的物理量多種多樣， 不可窮盡。 不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量， 因此對傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。,信息與控制學(xué)院儀器系,17,5.傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點,（6）以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò) 由于傳感器節(jié)點隨機(jī)部署， 構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點編號之間的關(guān)系是完全動態(tài)的， 表現(xiàn)為節(jié)點編號與節(jié)點位置沒有必然聯(lián)系。 用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時， 直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)， 而不是通告給某個確定編號的節(jié)點。 網(wǎng)絡(luò)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(xí)慣。 所以通常說傳感器

11、網(wǎng)絡(luò)是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。,信息與控制學(xué)院儀器系,18,6.傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,軍事 環(huán)境觀測和預(yù)報系統(tǒng) 醫(yī)療護(hù)理 智能家居 建筑物狀態(tài)監(jiān)控 其他,信息與控制學(xué)院儀器系,19,6.傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,信息與控制學(xué)院儀器系,20,傳感器網(wǎng)絡(luò),戰(zhàn)場評估,生活習(xí)性監(jiān)測,地震監(jiān)測,深海監(jiān)控,目標(biāo)跟蹤和檢測,小區(qū)安全監(jiān)控,精細(xì)農(nóng)業(yè),森林火災(zāi)監(jiān)控,6.傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,信息與控制學(xué)院儀器系,21,21,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實例展示,智能家居,廠房設(shè)備及 環(huán)境監(jiān)控,精細(xì)農(nóng)業(yè) 種植,醫(yī)院病房 電子巡檢,信息與控制學(xué)院儀器系,22,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例醫(yī)院病房電子巡檢,信息與控制學(xué)院儀器系,23,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

12、應(yīng)用舉例醫(yī)院病房電子巡檢,在病人身上安裝帶有射頻標(biāo)簽的微型無線傳感器，動態(tài)感知病人信息。,信息與控制學(xué)院儀器系,24,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例醫(yī)院病房電子巡檢,病房外的醫(yī)生攜帶PDA等通訊設(shè)施。,信息與控制學(xué)院儀器系,25,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例醫(yī)院病房電子巡檢,得知病人病情后，醫(yī)生將通知值勤護(hù)士或者急救人員前往病房救助。,信息與控制學(xué)院儀器系,26,智能家居,廠房設(shè)備及 環(huán)境監(jiān)控,精細(xì)農(nóng)業(yè) 種植,醫(yī)院病房 電子巡檢,信息與控制學(xué)院儀器系,27,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例精細(xì)農(nóng)業(yè)種植,信息與控制學(xué)院儀器系,28,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例精細(xì)農(nóng)業(yè)種植,農(nóng)場監(jiān)控中心實時監(jiān)控農(nóng)場信息，耕作者及時了解農(nóng)場溫度、光照度、土壤酸堿度等，以便對農(nóng)作物的生長情況進(jìn)行控制。,信息與控制學(xué)院儀器系,29,智能家居,廠房設(shè)備及 環(huán)境監(jiān)控,精細(xì)農(nóng)業(yè) 種植,醫(yī)院病房 電子巡檢,信息與控制學(xué)院儀器系,30,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例智能家居,監(jiān)測節(jié)點,信息與控制學(xué)院儀器系,31,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例智能家居,穿戴有數(shù)據(jù)衣等感知