IoT__第3章__无线传感器网络__3.1_简述

**第三章 **无线传感器网络

3.1 简述

传感器网络 Sensor Networks

传感器网络是一种由传感器节点组成的网络，其中每个传感器节点具有传感器、微处理器和通信接口电路，节点之间通过通信链路组成网络，共同协作来监测各种物理量和事件。简称传感网。

有线传感器网络

• 较多用于自动化领域，可以构成网络控制系统，把单个分散的测量控制设备当成为网络节点，通过底层控制网络把它们连接起来，共同完成信息汇集、自动控制的任务。
• 现场总线系统可以在一对导线上挂接多个传感器、执行器、开关、按钮和控制设备等。
• Profibus、LonWorks、HART、CAN (车内总线)、M-bus** (仪表总线) …

无线传感器网络

• 低功耗、短距离、无线移动网络
• 简称：无线传感网

无线传感网 （WSN: Wireless Sensor Network）

WSN 的早期需求来源：态势感知

无线传感器网络的早期发展

无线传感器网络的应用优势

分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比

低成本、高冗余的设计提供了较强的容错能力

节点与探测目标的近距离接触消除了环境噪声对系统性能的影响

节点中多种传感器的混合应用提高了探测的性能指标

多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域

个别移动节点对拓扑结构的调整有效消除了探测阴影和盲点

无线传感器网络的技术定位

无线传感器网络的技术特点

节点

–微型化：嵌入物理世界

–智能化：增强的数据处理

–自治化：容错性

–多样化：尽可能感知周围感兴趣的物质现象

网络

–密集性：抵抗敌意和恶意破坏

–灵活性：快速构建信息基础设施

–自组织：鲁棒性

–多跳性：低能耗

无线传感器网络的体系结构

传感器网络结构

传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。

大量传感器节点（sensor nodes）都随机部署在监测区域（sensor field）内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

传感器节点是一个微型的嵌入式系统，处理能力、存储能力和通信能力相对较弱。每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由功能，除了进行信息收集和数据处理外，还要对其它传感器节点发出来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其它节点协作完成一些特定的任务。

汇聚节点（sink node）的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它连接无线传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议之间的通讯协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集到的信息数据转发到外部网络上。

传感器节点结构

传感器节点一般由传感模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块组成。

• 传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；
• 处理模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；
• 无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；
• 能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。

传感器节点硬件架构（例）

传感器节点（例） Motes

Devices that incorporate communications, processing, sensors, and batteries into a small package

Atmel microcontroller with sensors and a communication unit

• RF transceiver, laser module, or a corner cube reflector
• temperature, light, humidity, pressure, 3 axis magnetometers, 3 axis accelerometers

TinyOS

传感器节点

传感器节点是一个微型化的嵌入式系统，它构成了传感网的基础层支持平台。

典型的传感器节点由数据采集的感知模块、数据处理和存储模块、无线通信模块、能源供给模块4个部分组成，

• 感知模块由传感器、A/D转换器组成，负责感知监控对象的信息；
• 能源供给单元负责供给节点工作所消耗的能量，一般为小体积的电池；
• 无线通信模块完成节点间的交互通信工作，一般为无线电收发装置；
• 数据处理模块包括存储器和微处理器等部分，负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据。
• 同时，有些节点上还装配有能源再生装置、移动或执行机构、定位系统及复杂信号处理（包括声音、图像、数据处理及数据融合）等扩展设备以获得更完善的功能。

传感器网络协议栈

• 物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术，主要解决编码调制、通信速率，通信频段的选取等问题 。
• 数据链路层负责数据成帧、多路复用、帧检测、媒体访问和差错控制，保证了传感器网络内点到点和点到多点的连接 。
• 网络层负责路由生成与路由选择。
• 传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。
• 应用层包括一系列基于监测任务的应用软件。
• 能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量。
• 移动管理平台检测并注册传感器应用的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。
• 任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务

协议栈 B 细化并改进了协议栈 A

•定位和时间同步子层，既要依赖于数据通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持，如基于时分复用的MAC协议，基于地理位置的路由协议等都需要定位和同步信息。

•右边的诸多机制一部份融合到各层协议中，用以优化和管理协议流程；另一部分独立在协议外层，通过各种收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。

•QoS管理在各协议层设计队列管理、优先级机制或带宽预留等机制，并对特定应用的数据给于特别处理。

•拓扑控制利用物理层、链路层或路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持，优化MCA层协议和路由协议的协议过程，减少网络能量消耗。

•网络管理则要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。

传感器网络的特点

• 节点数量大，密度高
• 拓扑动态变化
• 节点异构，或只有少量特殊节点；
• 分布式：没有预先指定的中心，所有节点通过分布式算法相互协调；
• 自组织：传感器网络的部署和初始化等不需要外界干预；
• 节点资源受限，特别是能量非常有限；
• 以数据为中心的网络，节点具有数据处理的能力；
• 与应用紧密耦合的网络
• 大规模网络
• 自组织网络
• 动态性网络
• 可靠性网络
• 应用性相关的网络
• 以数据为中心的网络

传感器节点的能耗分布

E(trans.) ≈ E(rece.) ≈ E(idle) >> E(sleep) ≈ E(sens.) ≈ E(cpu)

降低功耗的举措

减少通信流量

采用多跳通信方式

增加休眠时间

……

无线传感器网络与物联网

•无线传感器网络为物联网奠定了传感和监控的技术基础

•无线传感器网络位于物联网联接物理空间的感知层面

•物联网是广义联网的无线传感器网络

•物联网不仅仅感知，还要做到控制

•物联网面临更多的技术挑战