第15章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò),WSN（wireless sensor network）利用集成化的微型傳感器協(xié)作地實時感知、采集和監(jiān)測對象或環(huán)境的信息，用微處理器對信息進(jìn)行處理，并通過自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式傳送，將網(wǎng)絡(luò)化信息獲取和信息融合技術(shù)相結(jié)合，使終端用戶得到需要的信息。,第15章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò),15.1 網(wǎng)絡(luò)組成 15.3 硬件平臺 15.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實例,15.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(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，通常用電池供電。,匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，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)，把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)。,15.1.2 傳感器節(jié)點,傳感器模塊用于感知、獲取外界的信息，被監(jiān)測的物理信號決定了傳感器的類型；處理器模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作，對感知部件獲取的信息進(jìn)行必要的處理和保存，控制感知部件和電源的工作模式等；無線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)與其它傳感器節(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)模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量。,15.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠以高效的方式協(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)，并支持多任務(wù)和資源共享。,物理層負(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù)的收集，并對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、信號的發(fā)送和接收、信號的調(diào)制解調(diào)等任務(wù)。,數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)媒體接入控制和建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間可靠通信鏈路，為鄰居節(jié)點提供可靠的通信通道；,網(wǎng)絡(luò)層的主要功能包括分組路由、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、擁塞控制等。,傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分。,應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件。,15.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,能量管理負(fù)責(zé)控制節(jié)點對能量的使用，為延長網(wǎng)絡(luò)存活時間有效的利用能源。,拓?fù)涔芾碡?fù)責(zé)保持網(wǎng)絡(luò)的連通和數(shù)據(jù)有效傳輸。,網(wǎng)絡(luò)管理負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、診斷，并向用戶提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)接口，通常包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和故障處理等功能。,服務(wù)質(zhì)量為應(yīng)用程序提供足夠的資源使它們按用戶可以接受的性能指標(biāo)工作。,時間同步為傳感器節(jié)點提供全局同步的時鐘支持。,節(jié)點定位確定每個傳感器節(jié)點的相對位置或絕對的地理坐標(biāo)。,15.1.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點,能量資源有限：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由電池供電，其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域決定了在使用過程中，通過更換電池的方式來補充能量是不現(xiàn)實的?！案咝褂媚芰縼碜畲蠡W(wǎng)絡(luò)生命周期”。 硬件資源有限：傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設(shè)備，大量的節(jié)點數(shù)量要求其低成本、低功耗，所攜帶的處理器能力較弱，計算能力和存儲能力有限。在成本、硬件體積、功耗等受到限制的條件下，傳感器節(jié)點需要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、管理、處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點的任務(wù)請求和節(jié)點控制等工作。通過優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)硬件的協(xié)調(diào)工作。,15.1.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點,無中心：WSN是一個對等式網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點地位平等，沒有嚴(yán)格的中心節(jié)點。節(jié)點僅知道與自己彼鄰節(jié)點的位置及相應(yīng)標(biāo)識，通過與鄰居節(jié)點的協(xié)作完成信號處理和通信。 自組織：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點往往通過飛機播撒到未知區(qū)域，通常情況下沒有基礎(chǔ)設(shè)施支持，其位置不能預(yù)先設(shè)定，節(jié)點之間的相鄰關(guān)系預(yù)先也不明確。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點布撒后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的監(jiān)控行為，自動進(jìn)行配置和管理，利用拓?fù)淇刂茩C制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。,15.1.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點,多跳路由：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信距離有限，一般在幾十到幾百米范圍內(nèi)，節(jié)點只能與它的鄰居直接通信，對于面積覆蓋較大的區(qū)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要采用多跳路由的傳輸機制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中沒有專門的路由設(shè)備，多跳路由由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點完成。同時，因為受節(jié)點能量、節(jié)點分布、建筑物、障礙物和自然環(huán)境等因素的影響，路由可能經(jīng)常變化，頻繁出現(xiàn)通信中斷。針對通信環(huán)境和有限通信能力，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)多跳路由機制以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信需求。,15.1.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點,動態(tài)拓?fù)洌涸赪SN使用過程中，部分節(jié)點附著于物體表面隨處移動，部分節(jié)點由于能量耗盡或環(huán)境因素造成故障或失效而退出網(wǎng)絡(luò)，部分節(jié)點因彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度而補充到網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點數(shù)量動態(tài)變化，使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化。動態(tài)拓?fù)浣M織功能和動態(tài)系統(tǒng)的可重構(gòu)性。 可靠性：由于傳感器節(jié)點的大量部署不僅增大了監(jiān)測區(qū)域的覆蓋，減少盲區(qū)，而且可以利用分布式算法處理大量信息，降低了對單個節(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。,15.1.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點,節(jié)點數(shù)量多：為了獲取精確的信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量的傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點被密集的隨機部署在一個面積不大的空間內(nèi)，需要利用節(jié)點之間的高度連接性來保證系統(tǒng)的抗毀性和容錯性。這種情況下，需要依靠節(jié)點的自組織性處理各種突發(fā)事件，節(jié)點設(shè)計時軟硬件都必須具有魯棒性和容錯性。,第15章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò),15.1 網(wǎng)絡(luò)組成 15.3 硬件平臺 15.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實例,15.3 硬件平臺,傳感器節(jié)點應(yīng)具有的功能：一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理；另一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和路由，對本身采集的數(shù)據(jù)和收到的其它節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，轉(zhuǎn)發(fā)路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。傳感器節(jié)點數(shù)目龐大，通常采用電池供電，傳感器節(jié)點的能量一旦耗盡，該節(jié)點就不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和路由功能，直接影響整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的健壯性和生命周期。 網(wǎng)關(guān)節(jié)點往往個數(shù)有限，而且能量常常能夠得到補充。網(wǎng)關(guān)節(jié)點通常使用多種方式與外界通信。 數(shù)據(jù)管理中心主要由數(shù)據(jù)庫、管理軟件以及PC機（服務(wù)器）構(gòu)成。,15.3.1 傳感器節(jié)點,傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作為一種微型化的嵌入式系統(tǒng)，構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)層支撐平臺。大部分節(jié)點采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大，更換困難，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重要的設(shè)計準(zhǔn)則之一，從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計到整個網(wǎng)絡(luò)各層的協(xié)議設(shè)計都把節(jié)能作為設(shè)計目標(biāo)，以最大限度地延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。 模塊化設(shè)計是提高節(jié)點通用性、擴展性和靈活性的有效途徑。集成化以滿足節(jié)點集數(shù)據(jù)采集、處理和轉(zhuǎn)發(fā)等功能于一身的需求。微型化可以滿足大規(guī)模布撒、提高隱蔽性的應(yīng)用需求。,15.3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計,網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收傳感器節(jié)點發(fā)送來的采集數(shù)據(jù)，通過有線 (串口或USB電纜)或無線方式與PC或服務(wù)器相連。 網(wǎng)關(guān)節(jié)點的功能：一是通過匯聚節(jié)點獲取無線傳感網(wǎng)絡(luò)的信息并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，二是利用外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。 一種是基于以太網(wǎng)的有線通信網(wǎng)關(guān)節(jié)點，雖然以太網(wǎng)通信穩(wěn)定可靠，但需要具備相應(yīng)的接入條件，這在許多應(yīng)用情況下難以實現(xiàn)；另一類是基于無線通信方式（GPRS、GSM和CDMA等）的網(wǎng)關(guān)節(jié)點，無線通信移動性好，但易受到網(wǎng)絡(luò)覆蓋面的約束。,15.3.3 WSN測試平臺,理論分析推導(dǎo)：雖然可以進(jìn)行多個同類協(xié)議的比較，模型的簡化也降低了理論分析的可信度。 仿真分析：并不能考慮實際應(yīng)用環(huán)境中節(jié)點狀態(tài)、無線通信環(huán)境及網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性等問題，單純仿真存在性能缺陷，甚至是設(shè)計錯誤。 測試平臺：用來驗證真實環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種協(xié)議和算法的綜合性能（通信質(zhì)量、能耗分布以及誤碼率等），分析和測試節(jié)點狀態(tài)、通信環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)性能等因素可能給網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量帶來的各種影響，避免因建模假設(shè)帶來的理論誤差，最大限度的保證通信協(xié)議和傳感網(wǎng)絡(luò)的可靠性。,15.3.3 WSN測試平臺,測試平臺通過部署一定規(guī)模的專用節(jié)點，模擬監(jiān)測環(huán)境，綜合評測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在未來應(yīng)用中可能出現(xiàn)的錯誤或故障，并加以分析和調(diào)試。 為進(jìn)一步量化評估網(wǎng)絡(luò)綜合性能，研究網(wǎng)絡(luò)行為和監(jiān)控技術(shù)等提供重要的軟硬件基礎(chǔ)。 為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從理論設(shè)計到大規(guī)模應(yīng)用提供了重要的開發(fā)和測試手段。,15.3.3 WSN測試平臺,用戶訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、測試仿真服務(wù)器和數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器構(gòu)成了上層服務(wù)器平臺。 具有多網(wǎng)通信功能的高速數(shù)據(jù)處理終端和網(wǎng)關(guān)是連接上層服務(wù)與底層節(jié)點的關(guān)鍵設(shè)備。 對于測試平臺中使用的節(jié)點，在常規(guī)節(jié)點基礎(chǔ)上增加了有線通信接口和復(fù)位調(diào)試等功能。,15.3.3 WSN測試平臺,測試平臺的重要作用就是監(jiān)測并發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時的錯誤和故障，并指導(dǎo)分析和調(diào)試工作。,第15章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò),15.1 網(wǎng)絡(luò)組成 15.3 硬件平臺 15.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實例,15.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實例,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點微小，價格低廉，部署方便、隱蔽性高、可自主組網(wǎng)等特點，在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控、健康監(jiān)測、工業(yè)控制、智能交通和倉儲物流等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 隨著傳感網(wǎng)絡(luò)研究的深入，無線傳感網(wǎng)絡(luò)逐漸滲透到人類生活的各個領(lǐng)域。地震監(jiān)測、生活習(xí)性監(jiān)測、船只監(jiān)控、深海監(jiān)控、戰(zhàn)場評估、目標(biāo)跟蹤和檢測、森林火災(zāi)監(jiān)控、小區(qū)安全監(jiān)控、精細(xì)農(nóng)業(yè)。,15.4.1 軍事應(yīng)用,利用飛機拋撒或火炮發(fā)射等裝置，將大量廉價傳感器節(jié)點按照一定的密度部署在待測區(qū)域內(nèi)，對周邊的各種參數(shù)，如震動、氣體、溫度、濕度、聲音、磁場、紅外線等各種信息進(jìn)行采集，然后由傳感器自身構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等信道，傳回監(jiān)控中心。 可以將無線傳感網(wǎng)絡(luò)用作武器自動防護(hù)裝置，在友軍人員、裝備上加裝傳感器節(jié)點以供識別，隨時掌控情況避免誤傷。通過在敵方陣地部署各種傳感器，做到知己知彼，先發(fā)制人。另外，該項技術(shù)利用自身接近環(huán)境的特點，可用于智能型武器的引導(dǎo)器，與雷達(dá)和衛(wèi)星等相互配合，可避免攻擊盲區(qū)，大幅度提升武器的殺傷力。,15.4.2 城市生命線,被稱為城市生命線的水、電、煤氣和石油等網(wǎng)絡(luò)，縱橫交錯，埋在地下，出現(xiàn)問題很難發(fā)現(xiàn)，維護(hù)極其困難，泄露、爆炸等事故造的社會和經(jīng)濟損失巨大。 采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對城市水管網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測，獲取水壓、水位以及水的質(zhì)量等信息，判斷水位、泄漏和污染情況。 采用壓力和超聲傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測城市天然氣管網(wǎng)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將大幅提高城市生命線的安全性。,15.4.3 健康監(jiān)測：人體健康監(jiān)測,為更好的對冠心病、腦溢血等高危病人進(jìn)行24小時健康監(jiān)測，不妨礙病人的日常起居和生活質(zhì)量，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有廣闊的應(yīng)用前景。 通過在老年人身上佩戴血壓、脈搏、體溫等微型無線傳感器，經(jīng)過住宅內(nèi)的傳感器網(wǎng)關(guān)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給醫(yī)院，醫(yī)生可以遠(yuǎn)程了解老年人的健康狀況。 在公寓內(nèi)安裝包括溫度、濕度、光、紅外、聲音和超聲等多個傳感節(jié)點，根據(jù)這些節(jié)點收集的信息，實時了解人員的活動情況。采用多傳感器信息融合技術(shù)，可以準(zhǔn)確地判斷出被監(jiān)測人的行為，如：做飯、睡覺、看電視、淋浴等等，,15.4.3 健康監(jiān)測：建筑物健康監(jiān)測,在建筑物上安裝聯(lián)網(wǎng)的地震傳感器，為處于地震帶的民居提供更好的監(jiān)測預(yù)警機制。 把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點綁定在鳥巢鋼架結(jié)構(gòu)上，對施工過程中鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力、壓力分析等。 將具有溫度、濕度、壓力、加速度、光照等傳感器的節(jié)點布放在重點保護(hù)對象當(dāng)中，無需拉線鉆孔，便可有效地對建筑物進(jìn)行長期監(jiān)測。此外，對于珍貴文物，在保存地點的墻角、天花板等位置，監(jiān)測環(huán)境的溫度、濕度是否超過安全值，可以更妥善地保護(hù)展品的品質(zhì)。,15.4.3 健康監(jiān)測：建筑物健康監(jiān)測,在橋梁監(jiān)測中，利用適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，例如壓電傳感器、加速度傳感器、超聲傳感器、濕度傳感器等，可以有效地?gòu)建一個三維立體的防護(hù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。用于監(jiān)測橋梁、高架橋、高速公路等環(huán)境。 對許多老舊的橋梁，橋墩長期受到水流的沖刷，傳感器能夠放置在橋墩底部、用以感測橋墩結(jié)構(gòu)；也可放置在橋梁兩側(cè)或底部，搜集橋梁的溫度、濕度、震動幅度、橋墩被侵蝕程度等，能減少事故造成的生命財產(chǎn)損失。,15.4.4 環(huán)境監(jiān)測,監(jiān)視大鴨島海燕的棲息情況。位于緬因州海岸大鴨島上的海燕由于環(huán)境惡劣，海燕又十分機警，研究人員無法采用常規(guī)方法進(jìn)行跟蹤觀察。 為此使用了包括光、濕度、氣壓計、紅外傳感器、攝像頭在內(nèi)的近10種傳感器類型數(shù)百個節(jié)點，系統(tǒng)通過自組織無線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?00英尺外的基站計算機內(nèi)，再由此經(jīng)衛(wèi)星傳輸至加州的服務(wù)器。全球的研究人員都可以通過互聯(lián)網(wǎng)察看該地區(qū)各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，掌握第一手的環(huán)境資料，為生態(tài)環(huán)境研究者提供了一個極為便利的平臺。,15.4.4 環(huán)境監(jiān)測,2005年，澳洲的科學(xué)家利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)探測北澳大利亞蟾蜍的分布情況。利用蟾蜍叫聲響亮而獨特特點，選用聲音傳感器作為監(jiān)測手段，將采集到的信息發(fā)回給控制中心，通過處理，了解蟾蜍的分布、棲息情況。 2008年1月新加坡政府與哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院合作，成立了環(huán)境監(jiān)測與建模研究中心。計劃在未來幾年內(nèi)，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)新加坡國內(nèi)海陸空一體化的自然環(huán)境監(jiān)測。實現(xiàn)新加坡的國界、大氣污染、海域、空氣質(zhì)量及空域信息監(jiān)測等。,15.4.5 大型場館安全監(jiān)測,英國國家博物館利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了報警系統(tǒng)，將節(jié)點放在珍貴文物或藝術(shù)品的底部或背面，通過偵測燈光的亮度是否改變，測量物品是否遭受到振動等，來確保展覽品的安全。 傳感器網(wǎng)可以與館內(nèi)火警噴水網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)連接。如果一個傳感器群監(jiān)測到過熱或煙塵或兩者都有，它可以自動與網(wǎng)絡(luò)中的其它群通訊并確定這是否是一個真實事件并相應(yīng)做出反應(yīng)。通過確定傳感器群周圍的溫度和煙塵，傳感器網(wǎng)可以精確查出火源位置，在需要區(qū)域打開噴水裝置，并優(yōu)選安全逃離通道。,15.4.5 大型場館安全監(jiān)測,無錫傳感網(wǎng)中心的傳感器產(chǎn)品在上海浦東國際機場和上海世博會被成功應(yīng)用，首批價值1500萬元的傳感安全防護(hù)設(shè)備銷售成功，這套設(shè)備由10萬個微小的傳感器組成，散布在墻頭墻角墻面和周圍道路上。傳感器能根據(jù)聲音、圖像、震動頻率等信息分析判斷，爬上墻的究竟是人還是貓狗等動物。 多種傳感手段組成一個協(xié)同系統(tǒng)后，可以防止人員的翻越、偷渡、恐怖襲擊等攻擊性入侵。由于效率高于美國和以色列的防入侵產(chǎn)品，國家民航總局正式發(fā)文要求，全國民用機場都要采用國產(chǎn)傳感網(wǎng)防入侵系統(tǒng)。目前，僅浦東機場直接采購傳感網(wǎng)產(chǎn)品金額為4000多萬元，加上配件共5000萬元。,