1、无线传感网络 绪论 课程 - 01,作者：利海沃,课程安排,Zigbee,Ad-hoc,无线传感网络,RFID,泛在网,物联网,互联网,蜂窝网,理清思绪,所有移动站点都处于平等地位 无中心站，所有站点间可直接通信无需中继 所有站点共享同一信道，竞争同一信道 不便于采用定向天线 用户增加时，冲突厉害 适合用户少且范围小的组网,无中心对等结构（Ad-hoc）,临时会议/紧急情况 科学考察/探险/军事战场 接入网络服务商所需的时间和成本 现有服务和架构的性能或者能力 远离网络基础设施而希望保持与网络的连接,无网络基础设施可用,不想使用网络设施,网络基础设施范围外,自组织网络,自组织网络的应用需求,A
2、d-hoc与WSN的异同,RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别，俗称电子标签。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。,RFID简介,RFID系统有三个主要的组成组件，分别是： 标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象； 阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式； 天线(Antenna)：在
3、标签和读取器间传递射频信号。,RFID的组成组件,1.条形码2.磁卡3.IC卡4.RFID卡,现有四种识别技术,条码和磁卡的成本较低，但是都容易磨损，且数据量很小；接触式IC卡的价格稍高，数据存储量较大，安全性好，但是也容易磨损，寿命短。 与条码、磁卡、接触式IC卡相比，RFID标签实现了免接触操作，具有应用便利，无机械磨损，寿命长，无需可见光源，穿透性好，抗污染能力和耐久性强等特点。并且，RFID标签可以在恶劣环境下工作，读取距离远，支持写入数据，可重复使用，并使用了防冲撞技术，能够识别高速运动物体,并可同时识别多个射频卡。,四种识别技术的比较,RFID全球使用频率,RFID与无线传感的结合
4、,ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。ZigBee采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本低的规格； ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用层。ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。,Zigbee,数据传输速率低：10KB/秒250KB /秒，专注于低传输应用 功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用624个月 成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本 网络容量大：网络可容纳65,000个设备。
5、 时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。 安全： ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）,各个应用可灵活确定其安全属性。 有效范围小：有效覆盖范围1075米，具体依据实际发射功率大小和各种不同的应用模式而定 工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段,Zigbee的特点,Zigbee的发展,网间联系,2004,2008,2007,2006,2005,2009,SA1 M2M (TR 22.868)
6、Completed,SA3 USIM M2M (TR 33.812 ) 90%,SA1 NIMTC (TS 22.368) 60%,Application Use cases,ITU-T USN (Y.2221) , Vehicle Network,2001 2002 2003,IEEE 802.15.4-2003,IEEE 802.15.4-2006,IEEE 802.15.4-2009,ZigBee V1.0,ZigBee 2006,ZigBee 2007,ZigBee RF4CE ZigBee IP stack,IETF 6Lowpan,IETF Roll,RFC 4919 RFC494
7、4,ISO/IEC,SA2 NIMTC (TR 23.xyz),RAN2 NIMTC,M2M Architecture,M2M Service Req,IETF 6LowApp,Network Improvement to 3GPP networkfor Machine Type Communication,M2M TC: General Service Requirement and Architecture,TC3、TC2、TC5,Global M2M Partnership proposal (from VDF),标准的发展,个人对无线传感网络的预测,管理化（中间件）,网络化（IPv6）
8、,传感器技术,标准化（联盟）,集成化（三低）,安全（数据安全、隐私）,大规模网络：地理区域大、部署密集； 自组织网络：不确定性；拓扑结构变化； 资源受限：计算、存储、通讯、能量； 动态拓扑：节点故障、通讯故障、移动性、节点加入； 以数据为中心； 可靠网络：适应环境条件；鲁棒性、容错性。,无线传感器网络概念,网关,大规模、自组织、随机部署、环境复杂、传感器节点资源有限、网络拓扑经常变化,内网与外网连接,无线传感器网络,无线传感器网络,无线传感器网络,无线传感器网络,无线传感器网络,物理层（Physical Layer）无线通讯方式有射频(RF-radio frequency)和红外(IR-inf
9、rared)两种。由于红外方式的方向性限制,使其应用更多的局限在点对点直接通讯,故无线传感器网络倾向于射频通讯。在通迅频带使用上可参考免申请的ISM（Industrial Security Manual,工业安全手册）（工业、科学和医疗）开放频段2.4GHz（全球）、433MHz（欧洲）和917MHz（美国）。当通讯网络工作在开放频带时也会受到其它外部系统的影响，使用时必须采取抗干扰（微波炉、802.11b和蓝牙等设备）措施。,无线传感器网络结构,链路层（Data Link Layer） 链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路,主要由介质访问控制(Medium Access Cont
10、rol ,简称MAC) 组成,MAC协议的基本作用是避免点到点通讯时冲突的发生。传感器网络的MAC协议必须满足两项基本要求:首先是组建网络底层基础设施,实现多跳并具备自组织特性的节点无线通讯;其次是在节点通讯过程中实现平等高效的资源共享。针对WSN的MAC提出了以下三种解决方案:,无线传感器网络结构,网络层(Network Layer) 网络层协议主要负责路由发现和维护。路由协议可以划分为平面路由协议和分级路由协议。 WSN 路由协议设计要遵从如下原则:(1)、能量利用率优先考虑;(2)、数据为中心;(3)、不影响传感器节点探测精度条件下的数据聚合;(4)、理想的节点定位和目标追踪。,无线传感
11、器网络结构,传输层(Transport Layer)当WSN需要接入Internet或其它外部网时该层才是特别必需的,工作在ISM （工业安全手册）频段的设备可能出现较高的数据包错误率,建立一套端到端的传输与阻塞控制协议能够很好地满足WSN的系统需求。在协议栈的高层采用确认与重传机制明显要比底层复杂的错误处理控制码方式易于实现可靠的数据传输。另外,由于大量传感器布局密度可能会高于需求,各传感器节点通过在局部区域内结合信息进行冗余处理,减少和压缩数据量可确保传输数据的高效性。但据目前了解针对传输层还没有提出进一步规划和发布相关的探讨。,无线传感器网络结构,应用层（Application Laye
12、r）WSN主要应用于对事件的探测,然而事件的探测往往需要一个或多个节点上多种传感器的协作。这个多种不同信息结合的过程称为数据融合,它有四个显著特点:(1)、冗余处理:同一个激励信号可被不同传感器捕获,剔 除重复不必要信息;(2)、补充信息:一种传感器捕获一种特征,多种特征的结合将获得更全面信息;(3)、及时信息:多传感器的并行采集与处理;(4)、低成本信息:为获得准确信息而需单个功能强大但高价的传感器可用多种廉价的传感器共同实现。数据融合在WSN的应用层实现,显然传输已融合的信息要比未经处理的数据节省能量。,合理的对采集数据进行融合不但可以改善信息获取的质量,更可以扩大网络的应用领域,无线传感
13、器网络结构,无线传感节点的组成：电池、传感器、微处理器、无线通信芯片；相比于传统传感器，无线传感节点不仅包括传感器部件（左上图），还集成了微型处理器和无线通信芯片等，能够对感知信息进行分析处理和网络传输。,无线传感器节点,功耗的制约：无线传感节点一般被部署在野外，不能通过有线供电。其硬件设计必须以节能为重要设计目标。 价格的制约：无线传感节点一般需要大量组网，以完成特定的功能。其硬件设计必须以廉价为重要设计目标。 体积的制约：无线传感节点一般需要容易携带，易于部署。其硬件设计必须以微型化为重要设计目标。,制约传感器性能提升的因素,无线传感器网络操作系统,研究方向与关键技术,研究方向与关键技术,
14、无线传感器网络的具体应用,无线传感网络 应用场景,交通,军事,农业,2002 年，英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量，以确保葡萄可以健康生长。研究人员发现，葡萄园气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的质量。通过长年的数据记录以及相关分析，便能精确的掌握葡萄酒的质地与葡萄生长过程中的日照、温度、湿度的确切关系。这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。,葡萄园环境监测系统示意图,葡萄园环境检测系统,2002年，由英特尔的研究小组和加州大学伯克利分校以及巴港大西洋大学的科学家把无线传感器网络技术应用
15、于监视大鸭岛海鸟的栖息情况。位于缅因州海岸大鸭岛上的海燕由于环境恶劣，海燕又十分机警，研究人员无法采用通常方法进行跟踪观察。为此他们使用了包括光、湿度、气压计、红外传感器、摄像头在内的近10种传感器类型数百个节点，系统通过自组织无线网络，将数据传输到300英尺外的基站计算机内，再由此经卫星传输至加州的服务器。在那之后，全球的研究人员都可以通过互联网察看该地区各个节点的数据，掌握第一手的环境资料，为生态环境研究者提供了一个极为有效便利的平台。,大鸭岛生态环境监测系统,大鸭岛生态环境监测系统,CodeBlue,哈佛大学开发的CodeBlue系统旨在紧急状态下提供无线医疗监护。它通过将低功耗、小型可
16、携带的脉冲血氧计、导联心电图机等传感器能够检测心率、血氧饱和度、心电, 通过短距离(100m)无线网络与PDA或笔记本电脑等移动终端连接, 数据可以在终端上实时显示并记录在病人健康档案中, 当生理参数超出正常范围时报警。CodeBlue能在战场等紧急状态下自动收集患者的生理信号, 根据紧迫性和救活的可能性决定伤病员的优先治疗方法。除了急救,还能用于中风病人的康复监护等。,CodeBlue提供了用于节点命名、发现、多对多的Ad-hoc路由，认证与加密的协议和服务。CodeBlue基于发布/订阅范型用于数据的传递，允许传感节点传送生命特征、位置与身份给已经订阅的医生或护士的PDA或者PC机。为了避
17、免网络的拥塞与信息的超载，CodeBlue会将网络上的事件、信息进行过滤与融合。举个例子，医生可以指定接收某个特殊病人的完整数据流，但其他病人只有发生危急变化的状况才发出信号。,CodeBlue简介,发布/订阅系统模型,系统功能模块由客户端和消息通知服务组成。消息通知服务是发布者和订阅者之间联系的桥梁。,以数据为中心，通过使用消息通知服务，发布者不需要明确知道订阅者的具体位置，两者之间是一种异步关系，整个通信过程都是异步的。 消息通知服务由发布/订阅中间件实现，分别是： 1、订阅注册模块； 2、路由模块； 3、匹配模块负责；,灵活的安全模式,CodeBlue提供了一个灵活的安全模型允许一系列政
18、策的执行。举例：当EMT（紧急救护人员）需要访问病人信息前被网络认证，另一方面，当新的救护队达到灾难现场时，EMT必须能切换访问权限给另外的工作人员，而且当病人从灾难地方运送到医院或者从医院之间转移的时候，认证机制必须容易被工作人员所知。,采集多参数模块,1、采用微控制器； 2、AA电池供电； 3、低功耗； 4、带操作系统； 5、433MHz916MHz2.4GHz频段。,1、微控制器的内存与代码的矛盾； 2、数据处理与采集能力； 3、内网与外网的协议转换； 4、低功耗，使产品生命周期增长； 5、可靠性与安全性；,挑战！,CodeBlue的软件结构,TinyOS具有微型化、支持轻量级并发操作、
19、灵活、低功耗等优点。,新模式：无线传感+网格,SensorGrid是将无线传感器网络和网格结合在一起构成的复合系统。 SensorGrid采用分布式网络结构，由传感节点、中间层和决策制定层构成。系统主要考虑了分布式数据融合、分布式处理、网络协同等问题，可以进行数据融合、事务监测和分类、分布式决策制定等工作。将无线传感器网络和网格结合起来可以有效弥补无线传感器网络的不足，并且有以下一些优势：（1） 无线传感器网络感知到的大量数据可以利用网格处理。网格拥有的计算资源和存储资源可以对无线传感器网络收集到的大量数据进行处理、分析和存储。（2） 一个无线传感器网络所得的数据可以同时被多个网格应用使用。同
20、一个无线传感器网络所得数据可以通过网格平台同时被多个应用程序使用，传感数据使用更加方便，数据使用率同时提高。（3） 利用网格可以得到无线传感器网络数据的新知识。在网格中可以利用数据挖掘、数据融合、分布式数据库等技术对其数据进行处理，获得传感数据的新知识。,HourGlass系统图,HourGlass是一个网格和无线传感器网络的结合方案。HourGlass主要由三个部分构成：数据收集网络（DCN），传感器接入点（SEP），应用程序接入点（AEP）。DCN由一个互联网互联的系统构成，它能够发现、过滤、查询多个无线传感器网络。SEP能够将应用程序的数据需求映射成底层的无线传感器网络上的操作，或者把无线传感器网络上的数据路由到数据收集网络（DCN）。 AEP是应用程序连接到DCN的连接系统,它将应用程序的请求映射到基于DCN的服务上来处理。,Thanks,
