无线传感器网络ppt:无线传感器网络(WSN)教材.ppt

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无线传感器网络ppt:无线传感器网络(WSN)教材.ppt第五章无线传感器网络学****任务5.1无线传感器网络概述5.2无线传感器网络的系统结构5.3无线传感器网络的应用5.4无线传感器网络的研究方向5.1无线传感器网络概述一、WSN对物联网的支撑作用无线传感器网络技术是传统传

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第五章无线传感器网络学****任务5.1无线传感器网络概述5.2无线传感器网络的系统结构5.3无线传感器网络的应用5.4无线传感器网络的研究方向5.1无线传感器网络概述一、WSN对物联网的支撑作用无线传感器网络技术是传统传感技术和网络通讯技术的融合,通过将无线网络节点附加采集各种物理量的传感器而成为兼有感知能力和通讯能力的智能节点,是物联网的核心支撑技术之一。是物联网网络感知层和传输网络层的主要实现技术。二、什么是无线传感器技术?无线传感器网络技术是传统传感技术和网络通讯技术的融合,通过将无线网络节点附加采集各种物理量的传感器而成为兼有感知能力和通讯能力的智能节点,是物联网的核心支撑技术之一。三、无线传感器网络概念无线传感器网络(work,WSN)是由一组稠密布置、随机散布的传感器节点构成的无线自组织网络,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域内感知对象的信息,并将其提供给用户。构成无线传感器网络的三个要素:传感器节点、感知对象、观察者四、WSN发展历史国外最早的传感器网络出现在上世纪七十年代,将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络,我们称之为第一代传感器网络。1993年,美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)联合rockwell研究中心在DARPA的资助下开始进行了WINS(workSensors)的项目研究。1996年起麻省理工学院(MIT)进行了μAMPS(Micro.AdaptiveMulti.domainPower.awareSensors)项目的研究。四、WSN发展历史加州大学伯克利分校(UCBerkeley)于1999年在DARPA的资助下开始进行SmartDust项目的研究。无线传感器网络技术最先在空间探索领域和军事领域上得到展开,如2000年被美国国防部定为国防部科学技术五个尖端项目之一SmartSensorWeb项目。在民用方面,2002年10月24日,Intel公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。日本总务省在2004年3月成立了泛在传感器网络调查研究会,该研究会的主要目的就是对无线传感器网络的研究开发课题、标准化课题、社会的认知性和该技术推进政策等进行探讨。四、WSN发展历史国内无线传感器网络及其应用研究被记录在1999年发表的中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告中。2001年,微系统研究与发展中心成立。2002年~2008年,中国国家自然基金共支持传感器网络相关的面上项目111项,重点项目3项;国家“863”重点项目发展计划共支持面上项目30余项,国家重点基础研究发展计划“973”也设立2项与传感器网络直接相关的项目。四、WSN发展历史2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向,其中2个与无线传感器网络研究直接相关。中国工业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中,有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对传感器网络技术而设立的。五、WSN的特点和优点特点网络规模大节点微型化动态性自组织可靠性时效性以数据为中心应用相关性强
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多传感器数据压缩与融合
– 邻近传感节点对相同事件的感知数据需要融合,基于时间戳
判断是否同一事件,需要时钟同步
. 低功耗MAC协议、路由协议
– 不发送数据时,节点处于休眠状态,网络节点的同步休眠需
要时钟同步
. 测距、定位(位置相关报务,LBS)
– 距离测量和定位是基于无线电信号的传输时间,时间同步越
准确,距离测量也越准确
. 分布式系统的传统要求
– 分布式系统的数据库查询,状态等一致性的要求
. 协作传输、处理的要求
– 协作传输是基于电磁波的能量累加效应,多个节点以相同的
调制解调方式同时发送信号,使得远处的汇集节点能接收到
信号
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* 如今的工业厂房规模日益增大,厂房车间等的实时环境成为影响安全生产和产品质量的重要因素。单靠人力去监测厂房设备及环境信息,会耗费大量的资源。如果在广大的厂房空间中布置好一定数量的传感器节点,这些节点就能组成网络实时采集设备及环境信息,如温度、压力、烟雾浓度、有害气体含量等,并将信息实时反馈到监控中心。 * 当监控人员发现厂房内设备或环境信息不正常时,能够即刻通知相关负责人第一时间赶到现场,对设备及环境进行调整,以防止安全事故的发生并保持良好的生产环境。 病房外的医生携带PDA等通讯设施。 WSN应用领域及实例分析(9/19) 得知病人病情后,医生将通知值勤护士或者急救人员前往病房救助。 WSN应用领域及实例分析(10/19) 智能家居 厂房设备及 环境监控 精细农业 种植 医院病房 电子巡检 WSN应用领域及实例分析(11/19) WSN应用领域及实例分析(12/19) 农场监控中心实时监控农场信息,耕作者及时了解农场温度、光照度、土壤酸碱度等,以便对农作物的生长情况进行控制。 WSN应用领域及实例分析(13/19) 智能家居 厂房设备及 环境监控 精细农业 种植 医院病房 电子巡检 WSN应用领域及实例分析(14/19) 监测节点 WSN应用领域及实例分析(15/19) 穿戴有数据衣等感知设备的人体感知到人体状况异常时,会向房间内的节点发出信号。 WSN应用领域及实例分析(16/19) 智能家居 厂房设备及 环境监控 精细农业 种植 医院病房 电子巡检 WSN应用领域及实例分析(17/19) WSN应用领域及实例分析(18/19) 监控人员发现厂房设备及环境有异常情况时,通知相关负责人迅速到达故障地点。 WSN应用领域及实例分析(19/19) WSN应用存在的问题及研究热点[2](1/7) 在无线传感器网络的设计应用过程中,有多种基础性技术是支撑传感器网络完成任务的关键,这些关键技术的解决是保证网络用户功能正常运行的前提。 1)网络协议 在无线传感器网络的网络协议研究中,MAC协议和路由协议是研究的重点。 常用的MAC协议有:IEEE802.15.4、S-MAC、及T-MAC协议等;路由主要有:SPIN、DD、GEM、LEACH等协议。 WSN应用存在的问题及研究热点(2/7) 2)时间同步 在WSN中,传感器节点通常需要相互合作,完成复杂的检测和感知任务,这需要各节点保持时间上的一致性,方便处理与时间有关的操作;WSN的一些节能方案也是通过时间同步来实现的。 目前,在WSN中应用比较成熟的时间同步协议有RBS(参考广播同步)、Tiny/mini-Sync(微小/迷你同步)以及TPSN(Timing-sync协议的传感器网络)等三种。 WSN应用存在的问题及研究热点(3/7) 3)定位技术 在WSN中,传感器节点获得的检测数据一般是与位置相关联的,用户感兴趣的是收到的数据是从哪个位置送来的;在一些应用中,需要通过空间不同位置的传感器协调实现测量功能。因此,WSN中的定位技术包括节点自身定位和目标定位两种。 定位技术可以利用现有的GPS等定位技术,也可以根据WSN自身特点采用一些适用有效的定位算法,目前主要有DV2hop算法、位置分发算法、DV2distance算法等 WSN应用存在的问题及研究热点(4/7) 4)数据融合 由于WSN的各种局限,在满足用户需求下,需要对监测数据进行融合处理,以节省通信带宽和能量,提高信息收集效率;从耗能角度看,各节点间的通信耗能远高于计算处理耗能。 目前数据融合的方法很多,常用的有综合平均法、卡尔曼滤波法、贝叶斯方法、神经网络法、统计决策理论、模糊逻辑法、产生式规则和D-S证据理论等。 WSN应用存在的问题及研究热点(5/7) 5)能量管理 WSN的节点的电池充电和更换困难。因此,在设计时,要致力于高效实用节点的能量。所以能量管理也是WSN研究中的重要课题。 目前主要采用的能量管理策略有休眠机制、数据融合等,它们主要应用在计算机、存储单元及通信单元部分。休眠机制可以通过相应的硬件芯片、网络协议协调、动态电源管理及动态电压调度等多种措施实现。 WSN应用存在的问题及研究热点(6/7) 6)安全管理 WSN中,安全管理主要体现在通信安全和信息安全两个方面。通信安全主要考虑节点的安全、被动抵御入侵、主动反击入侵三方面问题,信息安全主要考虑数据的机密性、数据鉴别、数据的完整性和实效性等方面问题。 目前,WSN的安全研究内容主要包括:a)物理层的高效加密算法、扩频抗干扰等。b)数据链路层的安全MAC协议。C)网络层的安全路由协议。D)应用

无线传感器网络ppt:无线传感器网络课件

PPT内容

这是无线传感器网络课件,包括了无线传感器网络简介,无线传感器网络的拓扑控制,无线传感器网络的路由算法介绍等内容,欢迎点击下载。

无线传感器网络概述
郑巍
无线传感器网络简介
无线传感器网络的拓扑控制
无线传感器网络的路由算法介绍
无线传感器网络的概念
无线传感器网络( wireless sensor network, WSN):就是由部署在检测区域内的大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作的感知,采集和处理网络覆盖区域中对象的信息,并发送给观察者。
传统网络: 人 人
无线传感器网络:人 自然界
与现有网络的区别
无线自组网(mobile ad-hoc network)
1.几十到上百个节点
2.无线通信,各个节点的关系是对等的
3.首要目标是保证高质量的传输服务和高带宽利用
无线传感器网络(WSN)
1.节点更为庞大,成千上万,节点分布更为密集
2.环境影响和干扰很大,本身能量不足,因此节点很容易出现故障,影响网络拓扑结构
3.首要目标是能源的高效使用。
传感器节点的限制
1.电源能量有限
因此多采用睡眠机制
2.通信能力有限
能耗和通信距离的关系
因此宜采用多跳而尽量少用单跳
无线通信受干扰很大,甚至可能出现频繁的通信中断
因此如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求成为传感器网络的关键问题。
3.计算和存储能力有限
合理的利用资源成为重要目标
传感器网络的特点
1.大规模网络
2.自组织网络
3.动态性网络
4.可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域,要求传感器网络的软硬件有很强的鲁棒性和容错性。
5.应用相关的网络 不同的传感器网络有不同的设计目标,和Internet不一样他们互相之间没有统一的通信协议,开发时更关心之间的差异。
6.以数据为中心的网络。 传感器网络关心的只是整个网络获得的信息,而并不关心某一个节点获得了什么信息,是以事件为中心的。所以说是以数据为中心的网络。
军事应用
通过飞机或炮弹直接将传感器节点撒播到指定区域,从而能非常隐蔽和近距离准确的收集战场信息。为火控和制导系统提供精确制导,利用生物和化学传感器探测生化武器的成分。除了探测之外还可以鉴别身份和追踪目标。
环境和生态监测
这是中科院对雪豹进行监测拍摄的照片。
医疗护理
包括监测人体的各种生理数据,跟踪和监控医院内医生和患者的行动,医院的药物管理。值得一提的是应用在人工视网膜中,替代视网膜的芯片有100个微型的传感器组成并置入人眼,可以使得失明者或视力极差者能够恢复到一个可以接受的视力水平。
建筑物状态监测
这是利用传感器网络来监控建筑物的安全状态。
无线传感器网络的关键技术
1.网络拓扑控制
2.网络协议
3.网络安全
4.时间同步
5.定位技术
6.数据融合
7.数据管理
8.无线通信技术
9.嵌入式操作系统
10.应用层技术
无线传感器网络拓扑控制
网络的拓扑结构控制与优化有重要的意义:
1.影响整个网络的生存时间
2.减少节点间通信干扰
也就是节点传输半径控制,即功率控制
3.为路由协议提供基础
功率控制
1.基于节点度的算法
(1)本地平均算法
事先知道每个节点所需邻居节点的上限和下限。调整节点的发射半径,当在发射半径内的节点数在上限和下限之间则停止。
(2)本地邻居平均算法
2.基于邻近图的算法
(1)邻近图
将无线传感器网络用图G=(V,E)表示,再根据一个给定的邻居的判别规则,来确定其邻居节点。如RNG等
(2) DRNG算法和DLMST算法
层次型拓扑结构控制
也就是将无线传感器网络分割为一些子网络,也叫分簇,在这些子网络中选取一个簇头,他的作用是与其他簇头和sink节点通信,而子网内的其他节点就只与网内节点通信不与网外节点通信。
(1)LEACH算法 :将相邻的节点动态地形成簇,并随机产生簇头。
(2)GAF(geographical adaptive fidelity)算法: 以节点的地理位置为依据的分簇算法。主要思想是将监测区域分成虚拟单元格。
(3)TopDisc(Topology discovery)算法
源于图论的思想,利用颜色区分节点状态,解决骨干网络拓扑结构的形成问题(骨干网络节点也就是簇节点)
三色算法
四色算法
路由协议
能量感知路由协议
基于查询的路由协议
地理位置路由协议
可靠的路由协议
分簇路由协议
能量感知路由协议
能力感知路由协议的几种策略
1.最大PA路由:从数据源到汇聚节点的所有路径中选取PA之和最大的路径。如图中的C-B-A,但此路径包含了路径B-A所以排除,选择路径F-E
2.最小消耗路由:从数据源到汇聚节点的所有路径中选取节点耗能之和最少的路径。如图中B-A
3.最少跳数路由:选取从数据源到汇聚节点跳数最少的路径。如图中-D-
4.最大最小PA节点路由:每条路径上有多个节点,且节点的可用能量不同,从中选取每条路径中可用能量最小的节点来表示这条路径的可用能量。再在其中选最大的。如图中的-D-
基于查询的路由协议
1.定向扩散路由
兴趣扩散阶段 汇聚节点采用洪泛的方式传播兴趣消息到整个区域或部分区域内地所有传感器节点。
数据传播阶段 建立源点和汇聚节点之间的路径
路径加强阶段 以某一标准在多个路径之中选一个路径,成为加强路径。
定向扩散路由协议演示图
基于查询的路由协议
2.谣传路由
其基本思想是:事件区域中的传感器节点产生代理消息,代理消息沿随机路径向外扩散传播,同时汇聚节点发送的查询消息也沿随机路径在网络中传播。当代理消息和查询消息的传输路径交叉在一起时,就会形成一条汇聚节点到事件区域的完整路径
谣传路由演示图
地理位置路由
1.GEAR(geographical and energy aware routing)路由 根据时间区域的地理位置信息,建立汇聚节点到时间区域的优化路径,避免了洪泛传播方式,从而减少了路由建立的开销。GEAR路由假设已知事件区域的位置信息,每个节点知道自己的位置信息和剩余能量信息,并通过一个简单的Hello消息知道所有邻居的位置信息和剩余能量信息。其主要思想为首先汇聚节点发出查询命令,并根据事件区域的地理位置将查询命令传送到区域内距汇聚节点最近的节点,然后从该节点将查询命令传播到区域内的其他所有节点,再建立路径。
地理位置路由
地理位置路由
2.GEM(graph embedding)路由
这是一种适用于数据中心存储方式的地理路由。其基本思想时建立一个虚拟极坐标系统,用来表示世纪的网络拓扑结构。网络中的节点形成一个以汇聚节点为根的带环树,每个节点用到树根的跳数距离和角度范围来表示,节点间的数据路由通过这个带环树实现。
地理位置路由
3.边界定位的地理路由
利用信标节点(即知道自己位置信息的节点)来确定全局坐标系以及确定其他节点在坐标系中的位置。当所有节点的坐标位置信息确定后,协议使用贪婪算法选择路由。
有三种方式:
1.边界节点均为信标节点
2.使用两个信标节点
3.使用一个信标节点
可靠路由协议
某些传感器网络应用对于数据传输的可靠性提出了比较高的要求,因此传感器网络路由中的一个重要方面师研究可靠路由协议。传感器节点由于有限能量供应和工作环境恶劣经常面临失效问题,这也为研究适合于传感器网络的可靠路由协议增加了困难。目前,可靠路由协议主要从两个方面考虑:一是利用节点的冗余性提供多条路径一保证通过性的可靠性;二是建立对传输可靠性的估计机制,从而保证每跳传输的可靠性。
可靠路由协议
1.基于不相交路径的多路径路由机制
在传感器网络中,引入多路径路由是为了提高数据传输的可靠性和实现网络负载的平衡。本算法的基本思想是:首先建立从数据源节点到汇聚节点的主路径,然后在建立多条备用路径;数据通过主路径进行传输,同时利用备用路径低俗传输数据来维护路径的有效性;当主路径失败时,从备用路径中选择次优路径作为新的主路径。
基于不相交路径的多路径路由机制演示图
可靠路由协议
2.ReInForM路由
ReInForM( Reliable Information Forwarding Multiple paths) 路由时从数据源节点开始,考虑可靠性需求,信道质量以及传感器节点到汇聚节点的跳数,决定需要的传输路径数目,以及下一跳节点数目和相应的节点。其基本过程是:首先,数据源节点根据传输的可靠性要求计算需要的传输路径数目;然后,在邻居节点中选择若干节点作为下一跳转发节点,并给每个节点按照一定比例分配路径数目;最后,数据源节点将分配的路径数作为数据报头中的一个字段发给邻居节点。邻居节点在接受到数据源节点的数据后,将自己视作数据源节点,重复上述数据源节点的选路过程。
可靠路由协议
3.SPEED协议
在有些传感器网络应用中,汇聚节点需要根据采集数据实时作出反应,因此传感器网络记诶但到汇聚节点的数据通道要保持一定的传输速率。SPEED协议是一个实时路由协议,在一定程度上实现了端到端的传输速率保证,网络拥塞控制以及负载平衡机制。为实现上述目标,SPEED协议首先交换节点的传输延迟,一得到网络负载情况;然后节点利用局部地理信息和传输速率信息作出路由决定,同时通过邻居反馈机制保证网络传输速率在一个全局定义的传输速率阈值之上。
分簇路由协议
路由协议自主切换
传感器网络中的路由协议和具体应用紧密相关,没有一个能适用于所有应用的路由协议。而传感器网络可能需要在相同监测区域内完成不同的任务,此时如果为每种任务部署专门的传感器网络将增加传感器网络的成本。未来能够适用于多种任务,传感器网络需要根据应用环境和网络条件自主选择适用的路由协议,并在各个路由协议之间自主切换。

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《无线传感器网络课件》是由用户Giant+于2017-08-22上传,属于课件PPT。

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