第4章-无线传感器网络：物联网的末梢神经

null智慧的物联网 —感知中国与世界的技术 吴功宜 编著*智慧的物联网 —感知中国与世界的技术第4章 无线传感器网络：物联网的末梢神经第4章 无线传感器网络：物联网的末梢神经*本章的中心思想：本章的中心思想： 也许无线传感器网络对于我们大多数人来说，还是很陌生，其实她已经是二十多岁的“青年人”，只是一开始她就在军事与特种领域“服役”。但是现在她已经“转业”到地方，成为我们感知物理世界的网络—物联网的神经末梢。*本章主要内容本章主要内容无线网络的基本概念 无线局域网与IEEE802.11协议 无线城域网与IEEE802.16协议 蓝牙、ZigBee与802.15.4协议 无线自组网技术应用领域与关键技术的发展 无线传感器网络应用领域与关键技术的研究 无线网状网应用领域与关键技术的研究*4.1 无线网络的基本概念4.1 无线网络的基本概念4.1.1 无线网络技术的分类*null基于基础设施的无线网络 IEEE 802.11无线局域网WLAN IEEE 802.16无线城域网WMAN 无基础设施的无线网络 无线自组网Ad hoc 无线传感器网络WSN 无线网状网WMN是无线自组网在接入领域的一种应用*4.1.2 无线分组网与无线自组网4.1.2 无线分组网与无线自组网1972年：启动无线分组网PRNET的研究项目。 无线分组网的研究成果为无线自组网Ad hoc的发展奠定良好的基础。 IEEE将无线自组网Ad hoc定义为一种特殊的自组织、对等、多跳、无线移动网络，称为移动无线自组网络MANET。 *4.1.3 无线自组网与无线传感器网络4.1.3 无线自组网与无线传感器网络无线传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。 无线传感器网络研究涉及传感器、微电子芯片制造、无线传输、计算机网络、嵌入式计算、网络安全与软件等技术。 无线传感器网络可以用于对敌方兵力和装备的监控，战场的实时监视，以及目标的定位、战场评估与对核攻击和生物化学攻击的监测和搜索。*4.1.4 无线自组网与无线网状网4.1.4 无线自组网与无线网状网将无线自组网技术作为无线局域网与无线城域网等无线接入技术的一种补充，将它应用于互联网无线接入网中，是一个很有发展前途的课。在这样的背景下，出现无线网状网技术的研究。*无线自组网与无线传感器网络、无线网状网的关系无线自组网与无线传感器网络、无线网状网的关系*4.2 无线局域网与IEEE802.11协议4.2 无线局域网与IEEE802.11协议作为传统局域网的扩充 特殊无线网络的结构 典型 的无 线局 域网 结构*4.3 无线城域网与IEEE802.16协议4.3 无线城域网与IEEE802.16协议4.3.1 宽带无线接入的基本概念 802.16宽带城域网结构示意图 *4.3.2 IEEE 802.16标准体系4.3.2 IEEE 802.16标准体系按802.16标准建立的无线网络覆盖一个城市的部分区域，同时由于建筑物位置是固定的，它需要在每个建筑物上建立基站，基站之间采用全双工、宽带通信方式工作。 致力于IEEE802.11的标准WLAN推广应用的是Wi-Fi联盟，IEEE802.16标准对应的论坛组织是WiMAX。*4.4 蓝牙、无线个人区域网与ZigBee4.4 蓝牙、无线个人区域网与ZigBee4.4.1 蓝牙技术与协议 1994年，Ericsson公司对于在无电缆的情况下，将移动电话和其他设备，如PDA连接起来产生浓厚的兴趣。 Ericsson公司与IBM、Intel、Nokia和Toshiba等4家公司发起，开发一个用于将计算机与通信设备、附加部件和外部设备，通过短距离的、低功耗的、低成本的无线信道连接的无线标准。这个项目被命名为蓝牙（Bluetooth）。 *null蓝牙技术的特点： 通信频率选用国际开放的频段； 通信距离小于10米； 芯片体积小，功耗小。 蓝牙技术的应用 可以用于移动电话、耳机、鼠标、遥控开关等各种家用电器上； 支持点-点与点-多点的无线个人区域网。*4.4.2 无线个人区域网与协议4.4.2 无线个人区域网与协议随着手机、便携式计算机和移动办公设备的广泛应用，人身附近几米范围内的个人操作空间设备联网的需求导致个人区域网络PAN与无线个人区域网络WPAN的出现。 IEEE 802.15工作组致力于低速无线个人区域网络LR-WPAN的协议与应用问题。 2003年，IEEE批准低速无线个人区域网LR-WPAN标准，即IEEE 802.15.4。它为近距离范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。*4.4.3 ZigBee技术的特点4.4.3 ZigBee技术的特点ZigBee是一种面向自动控制的低速、低功耗、低价格的无线网络技术。 ZigBee适应于数据采集与控制的点多、数据传输量不大、覆盖面广、造价低的应用领域，在家庭网络、安全监控、医疗保健、工业控制、无线定位等方面展现重要的应用前景。*4.5 无线自组网技术应用领域与关键技术的发展4.5 无线自组网技术应用领域与关键技术的发展4.5.1 无线自组网技术的主要特点 自组织与独立组网 无中心 多跳路由 动态拓扑 无线传输的局限与结点能量的限制性 网络生存时间的限制 *4.5.2 无线自组网的主要应用领域4.5.2 无线自组网的主要应用领域军事领域 民用领域 办公环境的应用 救灾与恶劣环境中的应用 特殊环境的应用 个人区域网络中的应用 家庭无线网络的应用 *4.5.3 无线自组网关键技术的研究4.5.3 无线自组网关键技术的研究无线自组网技术研究的主要内容*4.6 无线传感器网络应用领域与关键技术的研究4.6 无线传感器网络应用领域与关键技术的研究4.6.1 传感器与无线传感器网络技术发展的背景 传感器的基本概念 传感器（sensor）的定义是由敏感元件和转换元件组成的一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、和控制等要求。 传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，也可以说是人类五官的延长。*null根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类。 传感器已经广泛应用于工业生产、农业生产、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、宇宙开发、海洋探测、文物保护等领域。从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目都离不开各种各样的传感器。*微电子机械系统与新型传感器微电子机械系统与新型传感器微电子机械系统MEMS是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科，它以微电子及机械加工技术为依托，研究涉及微电子学、机械学、力学、自动控制科学、材料科学等多学科。 应用微电子机械系统技术已经成功地研制出很多的纳米级电子元器件和新型的传感器，如压力传感器、加速度传感器、红外传感器、气体传感器、流量传感器、离子传感器、辐射传感器、化学传感器、谐振传感器等。*生物传感器技术的研究与发展生物传感器技术的研究与发展生物传感器是一类特殊的化学传感器。 生物传感器具有高选择性、高灵敏度、高稳定性、低成本，能够在复杂环境中进行在线、快速、连续监测的特点。*null微电子、无线通信、计算机与网络等技术的进步，推动低功耗、多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。 微型传感器的外形 *无线传感器网络技术的研究与发展无线传感器网络技术的研究与发展无线传感器网络（WSN）是由部署在监测区域内大量的、廉价的微型传感器结点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的无线自组网系统，其目的是将网络覆盖区域内感知对象的信息发送给观察者。 传感器、感知对象和观察者构成无线传感器网络的三个要素。 无线传感器网络将改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过无线传感网络直接感知客观世界，扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。*4.6.2 无线传感器网络的特点4.6.2 无线传感器网络的特点网络规模 无线传感器网络规模大与它的应用目的相关，结点数量最多可能达到成千上万甚至更多。 网络规模表现在结点的数量与分布的地理范围等两个方面。*null自组织网络 在无线传感器网络的应用中，传感器结点的位置不能预先精确设定。 传感器结点必须具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议，自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。 无线传感器网络是一种典型的无线自组网。*null拓扑结构的动态变化 传感器结点最主要的限制是结点携带的电源能量有限。 传感器结点作为一种微型嵌入式系统，要完成监测数据的采集、处理、传输与控制等多项任务。 在使用过程中，部分结点能量耗尽或环境因素会造成网络拓扑结构动态变化。 无线传感器网络系统必须具有适应网络拓扑变化，具有动态系统重构能力。*4.6.3 无线传感器网络的应用前景4.6.3 无线传感器网络的应用前景在军事应用领域的应用 在环境监测和预报中的应用 在医疗系统和健康护理中的应用 在信息家电设备中的应用 在建筑物状态监控中的应用 在空间探索中的应用 在特殊环境中的应用*4.6.4 无线传感器网络的基本结构4.6.4 无线传感器网络的基本结构无线传感器网络结点类型： 传感器结点 汇聚结点 管理结点*无线传感器结点结构无线传感器结点结构传感器模块：负责监控区域内信息采集和数据 转换 处理器模块：负责整个传感器结点的操作，存 储和处理传感器采集的数据，以 及其他结点传送的数据 无线通信模块：负责与其他传感器结点进行无 线通信，接收和发送收集的信 息，交换控制信息 能量供应模块：通常是采用微型电池，为传感 器结点提供运行所需要的能量*无线传感器结点结构无线传感器结点结构*传感器结点各部分能量消耗情况传感器结点各部分能量消耗情况*基于功能的无线传感器网络结构模型基于功能的无线传感器网络结构模型*4.6.5 无线传感器网络关键技术研究4.6.5 无线传感器网络关键技术研究*4.7 无线网状网应用领域与关键技术的研究4.7 无线网状网应用领域与关键技术的研究4.7.1 无线网状网发展的背景 WMN与WLAN、WBAN的关系*4.7.2 无线网状网的技术特点4.7.2 无线网状网的技术特点无线网状网是在无线自组网技术基础上发展起来的一种基于多跳路由、对等结构、高容量的网络，本身可以动态扩展，具有自组网、自配置、自修复的特征。无线网状网支持分布式控制，以及Web、VoIP与多媒体等无线通信业务。 无线网状网作为对无线局域网、无线城域网技术的补充，成为解决无线接入“最后一公里”问题的新。*无线网状网与无线自组网的区别无线网状网与无线自组网的区别从自组织的角度来看： 无线网状网与无线自组网都采用P2P的自组织的多跳网络结构，但是无线自组网的网络结点都兼有主机和路由的功能，结点地位平等，结点之间以平等合作的方式实现连通。 无线网状网是由无线路由器（wireless router，WR）构成无线骨干网。无线骨干网提供大范围的信号覆盖与结点连接。*null从网络拓扑的角度来看： 无线网状网与无线自组网相似，但是结点功能差异很大。 无线网状网结点的移动性弱于无线自组网结点。无线网状网多为静态或弱移动的拓扑，而无线自组网更强调结点的移动和网络拓扑的快速变化。*null从思想上来看： 无线网状网注重于“无线”，而无线自组网更注重于“移动”。 无线自组网结点的主要功能是传输一对结点之间的数据，而无线网状网结点主要是传输互联网的数据。 无线网状网的大多数结点基本是静止不动的，结点不以电池为能源，拓扑变化相对比较小。 *null从应用的角度来看： 无线网状网主要是用于互联网的接入。 而无线自组网主要用于军事通信。*无线网状网与无线局域网的区别无线网状网与无线局域网的区别从网络拓扑的角度来看： 无线网状网采用P2P的自组织的多跳网络结构。 无线局域网采用的是点对多点（point to multiple point，P2MP）结构和单跳方式工作，结点本身不承担数据转发的任务。*null从网络覆盖范围的角度来看： 无线局域网在相对比较小的范围内提供11～54Mb/s的高速数据传输服务，典型的结点到服务接入点（accesses point，AP）的距离在几百米。 无线网状网则是利用无线路由器组成的骨干网，将接入距离扩展到几公里的范围。*null从网络协议的角度来看： 无线网状网与无线局域网有很多共同之处。无线局域网主要完成本地接入业务。 无线网状网既要完成本地接入业务，又要完成其它结点的数据转发功能。 无线局域网采用的是静态路由协议与移动IP协议的结合，而无线网状网主要采用生命周期很短的动态按需发现的路由协议。*无线网状网与无线城域网的区别无线网状网与无线城域网的区别无线城域网采用的是星形结构，而无线网状网采用网状结构。 无线城域网投资成本大；而无线网状网的组网设备无线路由器、接入点设备的价格远低于无线城域网基站设备的价格，因此可以降低组网和维护的成本。 无线网状网具有组网灵活、成本低、维护方便、覆盖范围大，建设风险相对比较小的优点。*4.7.3 无线网状网的网络结构4.7.3 无线网状网的网络结构平面网络结构*null多级网络结构*null混合网络结构*null优化的网络结构*本章小结（1）本章小结（1）“泛在化”的感知能力是物联网的重要特征。 支持物联网覆盖范围的“泛在化”的通信工具是无线网络。 使物联网具有“无处不在”感知能力的技术是无线传感器网络。*本章小结（2）本章小结（2）无线网络包括构成个人区域网的蓝牙技术与ZigBee技术、无线局域网、无线城域网，以及无线自组网与无线传感器网络。*本章小结（3）本章小结（3）无线传感器网络已经广泛应用于环境监测、医疗卫生、城市管理、精准农业、军事与国家安全领域。 无线传感器已经成为物联网的末梢神经。*