现代传感技术与系统 教学课件 作者 林玉池 曾周末 第15章.ppt

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1、第15章无线传感器网络15.1网络组成15.3硬件平台15.4无线传感器网络应用实例WSN（wirelesssensornetwork）利用集成化的微型传感器协作地实时感知、采集和监测对象或环境的信息，用微处理器对信息进行处理，并通过自组织无线通信网络以多跳中继方式传送，将网络化信息获取和信息融合技术相结合，使终端用户得到需要的信息。15.1网络组成15.1.1无线传感器网络的网络结构传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通常用电池供电。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现

2、两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，把收集的数据转发到外部网络。15.1.2传感器节点传感器模块用于感知、获取外界的信息，被监测的物理信号决定了传感器的类型；处理器模块负责协调节点各部分的工作，对感知部件获取的信息进行必要的处理和保存，控制感知部件和电源的工作模式等；无线收发模块负责与其它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。15.1.3无线传感器网络协议栈管理平台使得传感器节点能够以高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。应用层包括一系列基于监测任务的应用层

3、软件。网络层的主要功能包括分组路由、网络互联、拥塞控制等。数据链路层负责媒体接入控制和建立网络节点之间可靠通信链路，为邻居节点提供可靠的通信通道；物理层负责感知数据的收集，并对收集的数据进行采样、信号的发送和接收、信号的调制解调等任务。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。服务质量为应用程序提供足够的资源使它们按用户可以接受的性能指标工作。15.1.3无线传感器网络协议栈能量管理负责控制节点对能量的使用，为延长网络存活时间有效的利用能源。拓扑管理负责保持网络的连通和数据有效传输。网络管理负责网络维护、诊断，并向用户提供网络管理服务接口，通常包括数据收集、数

4、据处理、数据分析和故障处理等功能。服务质量为应用程序提供足够的资源使它们按用户可以接受的性能指标工作。时间同步为传感器节点提供全局同步的时钟支持。节点定位确定每个传感器节点的相对位置或绝对的地理坐标。15.1.4无线传感器网络的特点①能量资源有限：网络节点由电池供电，其特殊的应用领域决定了在使用过程中，通过更换电池的方式来补充能量是不现实的。“高效使用能量来最大化网络生命周期”。②硬件资源有限：传感器节点是一种微型嵌入式设备，大量的节点数量要求其低成本、低功耗，所携带的处理器能力较弱，计算能力和存储能力有限。在成本、硬件体积、功耗等受到限制的条件下，传感器节点需要完成监测数据

5、的采集、转换、管理、处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等工作。通过优化设计实现硬件的协调工作。15.1.4无线传感器网络的特点③无中心：WSN是一个对等式网络，所有节点地位平等，没有严格的中心节点。节点仅知道与自己彼邻节点的位置及相应标识，通过与邻居节点的协作完成信号处理和通信。④自组织：无线传感器网络节点往往通过飞机播撒到未知区域，通常情况下没有基础设施支持，其位置不能预先设定，节点之间的相邻关系预先也不明确。网络节点布撒后，无线传感器网络节点通过分层协议和分布式算法协调各自的监控行为，自动进行配置和管理，利用拓扑控制机制和网络协议形成转发监测数据的多跳无线网络系统。1

6、5.1.4无线传感器网络的特点⑤多跳路由：无线传感器网络节点的通信距离有限，一般在几十到几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信，对于面积覆盖较大的区域，传感器网络需要采用多跳路由的传输机制。无线传感器网络中没有专门的路由设备，多跳路由由普通网络节点完成。同时，因为受节点能量、节点分布、建筑物、障碍物和自然环境等因素的影响，路由可能经常变化，频繁出现通信中断。针对通信环境和有限通信能力，设计网络多跳路由机制以满足传感器网络的通信需求。⑥动态拓扑：在WSN使用过程中，部分节点附着于物体表面随处移动，部分节点由于能量耗尽或环境因素造成故障或失效而退出网络，部分节点因弥补失效节点、

7、增加监测精度而补充到网络中，节点数量动态变化，使网络的拓扑结构动态变化。动态拓扑组织功能和动态系统的可重构性。⑦可靠性：由于传感器节点的大量部署不仅增大了监测区域的覆盖，减少盲区，而且可以利用分布式算法处理大量信息，降低了对单个节点传感器的精度要求，大量冗余节点的存在使得系统具有很强的容错性能。15.1.4无线传感器网络的特点15.1.4无线传感器网络的特点节点数量多：为了获取精确的信息，在监测区域通常部署大量的传感器节点。传感器节点被密集的随机部署在一个面积不大的空间内，需要利用节点之间的高度连接性来