物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

InternetofThings2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院1第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院23.1

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和性能指標(biāo)3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3.4常用傳感器3.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)3.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)3.7無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在物流中應(yīng)用案例第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院3泛在網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)的關(guān)系第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的由來第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概念無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的獲取信息的手段，由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量微型而又廉價(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式組成的一個(gè)多跳的具有自組織特性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是將覆蓋區(qū)域中的感知對(duì)象的信息進(jìn)行感知、采集和處理，并最終發(fā)送給觀測者。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院53.1

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院6一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括傳感節(jié)點(diǎn)（SensorNode）、匯聚節(jié)點(diǎn)（SinkNode）和任務(wù)管理單元第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院7無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用原理第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源能量對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的限制無線傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較弱。匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院8第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.1.2

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷史無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最初來源于美國先進(jìn)國防研究項(xiàng)目局（DARPA）的一個(gè)研究項(xiàng)目。從1978年至今，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下四個(gè)階段：

第一階段：也稱為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)，其是由具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)傳輸功能的傳感器節(jié)點(diǎn)所組成的監(jiān)測系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了信息的單向傳遞，但是存在著抗干擾性差、布線復(fù)雜等缺點(diǎn)。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院9第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.1.2

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷史第二階段：監(jiān)測系統(tǒng)由智能傳感器和傳感控制器所組成，傳感器和傳感控制器之間采用串/并口相連，使得其相對(duì)于第一代監(jiān)測系統(tǒng)有了顯著的綜合能力。第三階段：也稱為第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)，這時(shí)傳感器與傳感控制器采用現(xiàn)場總線型的方式相互連接，共同構(gòu)成了智能型傳感器網(wǎng)絡(luò)，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入到局部監(jiān)測的階段。第四階段：也稱為第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)階段，目前正處于研究開發(fā)和快速增長期。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院10第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域1.軍事領(lǐng)域(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其具有明顯抗毀性和隱蔽性，可以將其應(yīng)用到作戰(zhàn)環(huán)境，用于對(duì)戰(zhàn)場的兵力裝備、攻擊目標(biāo)、地形、生物化學(xué)和核攻擊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。(2)“智能塵埃”技術(shù)2.環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報(bào)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用來監(jiān)測土壤、空氣等環(huán)境信息，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報(bào)中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境條件、水源質(zhì)量等多種數(shù)據(jù)的綜合采集。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院11第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以用來監(jiān)測土壤的生態(tài)特性，包括溫度、水分、化學(xué)元素、含氧量等狀況。4.智能交通上海市重點(diǎn)科技研發(fā)計(jì)劃中的智能交通監(jiān)測系統(tǒng)：將傳感器節(jié)點(diǎn)部署在交叉路口周圍，并為路邊的立柱、橫杠裝上匯聚節(jié)點(diǎn)，將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)集成在路口的信號(hào)控制器內(nèi)，再將終端節(jié)點(diǎn)安裝在路邊或路面下，然后通過傳送至交管中心的信息，實(shí)現(xiàn)事故避免、交通誘導(dǎo)等功能。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院12第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)5.醫(yī)療護(hù)理(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)人體生理數(shù)據(jù)進(jìn)行無線監(jiān)測、對(duì)醫(yī)院護(hù)理人員和患者進(jìn)行追蹤和監(jiān)控、醫(yī)院的藥品管理、貴重醫(yī)療設(shè)備放置場所的監(jiān)測等。(2)WSN智能病房6.工業(yè)方面的應(yīng)用在工業(yè)環(huán)境中，可以利用WSN對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和監(jiān)控。7.空間探索通過撒播在外星上的WSN節(jié)點(diǎn)，就可以監(jiān)測到該星球的相關(guān)信息。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院13第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和性能指標(biāo)3.2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本特點(diǎn)1.節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、密度高(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信和傳感半徑有限，一般為十幾米范圍之內(nèi)，而且為了節(jié)能，傳感器節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，所以需要布設(shè)大量的傳感器節(jié)點(diǎn)來保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。(2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和密度都要比通常的Adhoc網(wǎng)絡(luò)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院14第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2.節(jié)點(diǎn)體積小、能量有限無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是在微電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，傳感器節(jié)點(diǎn)各部分集成度很高，因此具有體積小的優(yōu)點(diǎn)，通常只能攜帶能量十分有限的電池。3.節(jié)點(diǎn)計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限(1)由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊性，要求傳感器節(jié)點(diǎn)的價(jià)格低、功耗小，必然導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲(chǔ)器容量比較小。(2)Flash存儲(chǔ)器2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院15第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)4.通信半徑小，帶寬低(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是利用多跳來實(shí)現(xiàn)低功耗下的數(shù)據(jù)傳輸，因此其設(shè)計(jì)的通信覆蓋范圍只有幾十米。(2)傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大部分是經(jīng)過節(jié)點(diǎn)處理過的數(shù)據(jù)，因此流量較少。5.節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化很快，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性(1)傳感器節(jié)點(diǎn)在工作和睡眠狀態(tài)之間切換(2)傳感器節(jié)點(diǎn)隨時(shí)會(huì)由各種原因發(fā)生故障而失效(3)新的傳感器節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充進(jìn)來(4)網(wǎng)絡(luò)一旦形成，人很少干預(yù)其運(yùn)行，這就需要網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院16第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)6.無中心和自組織在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的，沒有預(yù)先指定的中心，各節(jié)點(diǎn)通過分布式算法來相互協(xié)調(diào)，自動(dòng)組織成網(wǎng)絡(luò)。

7.網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，三者之間的路徑也隨之變化。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院17第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)8.節(jié)點(diǎn)存在一定的故障率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能工作在惡劣的環(huán)境之中，為了保證網(wǎng)絡(luò)的正常工作，要求網(wǎng)絡(luò)必須具有一定的容錯(cuò)能力，允許傳感器節(jié)點(diǎn)具有一定的故障率。9.以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)對(duì)于觀察者來說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心是感知數(shù)據(jù)而不是網(wǎng)絡(luò)硬件。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院18第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)1.生命周期(1)影響傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的硬件因素：CPU、存儲(chǔ)器、無線通信模塊的能耗。(2)軟件因素：通信協(xié)議棧的設(shè)計(jì)、基于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合算法等。2.能源有效性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各項(xiàng)技術(shù)和協(xié)議的使用一般都以節(jié)能為前提，必須將能源有效性放在路由協(xié)議設(shè)計(jì)的第一位。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院19第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.實(shí)時(shí)性(1)實(shí)時(shí)性指的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)事件的響應(yīng)時(shí)間長短，響應(yīng)時(shí)間越短，實(shí)時(shí)性越好。(2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用大多要求有較好的實(shí)時(shí)性。4.可擴(kuò)展性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性表現(xiàn)在傳感器數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域、生命周期、時(shí)間延遲、感知精度等方面的可擴(kuò)展極限。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院20第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)5.安全抗干擾如何使用較少的能量完成數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證、入侵檢測及在破壞或受干擾的情況下可靠地完成任務(wù)，都關(guān)系到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的效用。6.感知精度感知精度、實(shí)時(shí)性和能量消耗之間具有密切的關(guān)系。在傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，需要權(quán)衡三者的得失，使系統(tǒng)能在最小能源開銷條件下最大限度地提高感知精度和實(shí)時(shí)性。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院21第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)7.相互協(xié)作由于單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的能力有限，往往不能單獨(dú)完成對(duì)目標(biāo)的測量、跟蹤和識(shí)別工作，而需要多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用一定的算法通過交換信息，對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、匯總和過濾，并以事件的形式得到量終結(jié)果。8.容錯(cuò)性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性，以保證系統(tǒng)具有高強(qiáng)壯性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的軟硬件出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整或自動(dòng)重構(gòu)。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院22第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3.3.1傳感器節(jié)點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院23第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器模塊（由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成）負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的信息采集，并通過A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后發(fā)送到處理部件。處理器模塊（CPU、存儲(chǔ)器）一般由嵌入式系統(tǒng)組成，包括CPU、存儲(chǔ)器、操作系統(tǒng)等。該模塊主要負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作、存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院24第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線通信模塊（由無線通信器件組成）負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。通信模塊有發(fā)送、接收、空閑以及睡眠等四種狀態(tài)。能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。隨著集成電路工藝的進(jìn)步，數(shù)據(jù)采集單元和處理單元的能耗已經(jīng)變得很低，絕大部分能量消耗在無線通信模塊上。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院25第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能模型2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院26第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.3.2傳感器網(wǎng)絡(luò)1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理體系結(jié)構(gòu)(1)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)分為兩類：一類是計(jì)算處理能力較弱、通信距離較短、成本較低的微型傳感器節(jié)點(diǎn)和高端節(jié)點(diǎn)；另一類是能量供應(yīng)充足、計(jì)算處理能力更強(qiáng)、通信距離更遠(yuǎn)的匯聚節(jié)點(diǎn)。(2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般有“平坦”結(jié)構(gòu)和層次化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)兩種。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院27第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐層、基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用業(yè)務(wù)層的一部分共性功能以及管理、信息安全等部分組成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺(tái)軟件。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺(tái)軟件體系結(jié)構(gòu)主要分為四個(gè)層次：網(wǎng)絡(luò)適配層、基礎(chǔ)軟件層、應(yīng)用開發(fā)層和應(yīng)用業(yè)務(wù)適配層，其中網(wǎng)絡(luò)適配層和基礎(chǔ)軟件層組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)嵌入式軟件的體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)用開發(fā)層和基礎(chǔ)軟件層組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐結(jié)構(gòu)，具體如下：2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院28第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(1)網(wǎng)絡(luò)適配層在網(wǎng)絡(luò)適配層中，網(wǎng)絡(luò)適配器是對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)底層的封裝。(2)基礎(chǔ)軟件層包含無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各種中間件：網(wǎng)絡(luò)中間件、配置中間件、功能中間件、管理中間件、安全中間件。(3)應(yīng)用開發(fā)層應(yīng)用開發(fā)層包括應(yīng)用框架接口、開發(fā)環(huán)境和工具集。(4)應(yīng)用業(yè)務(wù)適配層對(duì)各種應(yīng)用業(yè)務(wù)的封裝，用來解決基礎(chǔ)軟件層的變化和接口的不一致性問題。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院29第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系通常由橫向的通信協(xié)議層和縱向的傳感器網(wǎng)絡(luò)管理面組成。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院30第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(1)物理層物理層是通信協(xié)議的第一層，是整個(gè)開放系統(tǒng)的基礎(chǔ)。其功能主要包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)規(guī)范，對(duì)感知數(shù)據(jù)的采樣量化，提供簡單但健壯的信號(hào)調(diào)制，工作頻段選擇、工作溫度、信道編碼、定時(shí)、同步、載波生成、信號(hào)檢測、發(fā)送和接收等問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要使用無線傳輸。目前廣泛應(yīng)用的有藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)等。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院31第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(2)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的多路復(fù)用、數(shù)據(jù)幀檢測、媒體接入和差錯(cuò)控制。數(shù)據(jù)鏈路層保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)的連接。MAC層協(xié)議主要有兩個(gè)職能：一是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立；二是為傳感器節(jié)點(diǎn)有效合理地分配資源。面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院32第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(3)網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層主要考慮數(shù)據(jù)的路由，網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議主要負(fù)責(zé)尋找從發(fā)送方到接收方的最優(yōu)路徑，并將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，定位目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置，產(chǎn)生、維護(hù)和選擇路由及其節(jié)點(diǎn)路由信息交換。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)特色以數(shù)據(jù)為中心，路由算法設(shè)計(jì)時(shí)需要特別考慮能耗的問題?；赪SN的路由協(xié)議主要分為四大類：泛洪式路由協(xié)議、以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議、分層路由協(xié)議、基于位置的路由協(xié)議。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院33第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(4)傳輸層傳輸層主要負(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，它為傳感器節(jié)點(diǎn)提供建立、維護(hù)和取消傳輸連接的功能，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的可靠傳輸和錯(cuò)誤恢復(fù)。傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議（UDP）協(xié)議(5)應(yīng)用層應(yīng)用層的主要任務(wù)是獲取數(shù)據(jù)并迸行相應(yīng)簡單處理。應(yīng)用層支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種實(shí)際應(yīng)用，可以有效地迸行數(shù)據(jù)融合操作，節(jié)約節(jié)點(diǎn)能耗。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院34第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(6)能量管理平臺(tái)管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能源，在各個(gè)協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量；(7)移動(dòng)管理平臺(tái)檢測并注冊傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤其鄰居的位置；(8)任務(wù)管理平臺(tái)在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院35第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.4

常用傳感器3.4.1

傳感器的分類

2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院36分類方法類型例子按照被測參量分類機(jī)械量參量如位移傳感器，速度傳感器熱工參量如溫度傳感器，壓力傳感器物性參量如pH傳感器，氧含量傳感器按照其工作原理分類物理傳感器如電容傳感器，光電傳感器化學(xué)傳感器如氣敏傳感器，溫敏傳感器生物傳感器如味覺傳感器，聽覺傳感器按照能量轉(zhuǎn)換分類能量轉(zhuǎn)換型傳感器如熱敏電阻、光敏電阻傳感器能量控制型傳感器如霍爾傳感器，電容傳感器按照其使用材料分類所用材料類別金屬聚合物，陶瓷，混合物材料物理性質(zhì)導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體、磁性材料材料晶體結(jié)構(gòu)單晶、多晶、非晶第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.4.2

傳感器的特性和選型1.傳感器的特性傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系。有靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性之分。(1)靜態(tài)特性是指在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。重要參數(shù)指標(biāo)有量程、線性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯、分辨力和漂移。(2)動(dòng)態(tài)特性是指傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。研究動(dòng)態(tài)特性的標(biāo)準(zhǔn)輸入形式有正弦、階躍和線性，最常用為階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院37第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2.傳感器的選型傳感器的選型標(biāo)準(zhǔn)有以下幾個(gè)方面：(1)根據(jù)測量對(duì)象與測量環(huán)境確定傳感器的類型對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查→根據(jù)被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下問題：量程的大?。槐粶y位置對(duì)傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制→確定選型→考慮傳感器的具體性能指針2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院38第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(2)靈敏度要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的干擾信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。(3)線性范圍

傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院39第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(4)穩(wěn)定性

影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。(5)精度精度是傳感器一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它關(guān)系到整個(gè)測量系統(tǒng)的測量精度。如果測量目的是定性分析，則選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不必選用絕對(duì)量值精度高的；如果是為了定量分析，則必須獲得精確的測量值，應(yīng)選用精度等級(jí)能滿足要求的傳感器。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院40第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.4.3

常見傳感器類型介紹

2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院41第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.4.3

常見傳感器類型介紹1.溫度傳感器(1)溫度傳感器利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為電量。(2)溫度傳感器有電阻式傳感器、熱電偶傳感器，PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器等。2.濕度傳感器(1)濕度傳感器基本形式為利用濕敏材料對(duì)水分子吸附能力或?qū)λ肿赢a(chǎn)生物理效應(yīng)的方法測量濕度。(2)濕敏元件是最簡單的濕度傳感器，主要有水分子親和力型濕敏元件和非水分子親和力型濕敏元件。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院42第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

3.位移傳感器小位移通常用應(yīng)變式、電感式、差動(dòng)變壓器式、渦流式、霍爾傳感器來檢測，大位移常用感應(yīng)同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感技術(shù)來測量。4.加速度傳感器(1)加速度傳感器所測量的加速度包括一般性物體的移動(dòng)速度變化（直線加速度）、物體的低頻晃動(dòng)、高頻振動(dòng)等。(2)加速度傳感器主要有壓電式、集成電路式、壓阻式和變電容式。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院43第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)5.煙霧傳感器(1)煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器。(2)工作原理：將可燃性氣體在空氣中的含量（即濃度）轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報(bào)警控制等工作。(3)煙霧傳感器的分類2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院44第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院45微型傳感器的應(yīng)用第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.5無線傳感器關(guān)鍵技術(shù)3.5.1拓?fù)淇刂?.功率控制機(jī)制調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，在滿足網(wǎng)絡(luò)連通度的前提下，均衡節(jié)點(diǎn)的單跳可達(dá)鄰居數(shù)目。2.

層次型拓?fù)淇刂?1)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（簇頭節(jié)點(diǎn)）、普通節(jié)點(diǎn)（簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)）、分簇算法三者各自的功能與三者之間的聯(lián)系？(2)層次型拓?fù)淇刂频膬?yōu)點(diǎn)2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院46第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.

休眠調(diào)度在傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂扑惴ㄖ?，除了傳統(tǒng)的功率控制和層次型拓?fù)淇刂苾蓚€(gè)方面之外，還提出了啟發(fā)式的節(jié)點(diǎn)喚醒和休眠機(jī)制。這種機(jī)制重點(diǎn)在于解決節(jié)點(diǎn)在睡眠狀態(tài)和活動(dòng)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換問題，不能夠獨(dú)立作為一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制機(jī)制，需要與其他拓?fù)淇刂扑惴ńY(jié)合使用。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院47第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.5.2

節(jié)點(diǎn)部署1.靜止部署方式靜止部署主要可以分為隨機(jī)和計(jì)劃兩種部署方法。2.移動(dòng)部署方式移動(dòng)部署方式通常使用的有增量式、基于虛擬力的、基于概率檢測的、基于Voronoi圖的節(jié)點(diǎn)部署方法等四種部署方式。3.混合部署方式混合部署就是指異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的部署。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院48第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.5.3

定位技術(shù)WSN節(jié)點(diǎn)定位算法通?？梢苑譃榛跍y距的(Range-based)和與測距無關(guān)的(Range-free)兩類。(1)基于測距的算法需要測量相鄰節(jié)點(diǎn)之間的絕對(duì)距離或者方位，并利用節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離或者方位來計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置，常用的測距技術(shù)有RSSI、TOA、TDOA和AOA等。(2)與測距無關(guān)的算法無須測量節(jié)點(diǎn)之間的絕對(duì)距離或方位，而是利用節(jié)點(diǎn)間的估計(jì)距離計(jì)算節(jié)點(diǎn)的位置，其比較典型的算法有DV-Hop定位和凸規(guī)劃定位。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院49第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院50技術(shù)測距方式精度特點(diǎn)或應(yīng)用范圍GPSTOA5昂貴，不可用在室內(nèi)LoranTDOA工作在90～110kHz，主要用于海上EnhancedLoranTDOA82004年在美國建立，在西北歐等地使用ARGOS多普勒效應(yīng)，6顆NOAA衛(wèi)星150能在任何地點(diǎn)、任何安裝了相應(yīng)設(shè)備的平臺(tái)上使用，功耗低，體積小，重量輕PolarisWireless使用多徑信號(hào)指紋定位在內(nèi)效果較好需要建立信號(hào)指紋數(shù)據(jù)庫RADARRSS模式識(shí)別3（50%）基于現(xiàn)有WLANAeroscoutTDOA和RSSI1（TDOA）基于Wi-Fi活動(dòng)RFID標(biāo)簽UbisenseTDOA和AOA（3D）最大可測距離大于PAL650TDOA可達(dá)世界上第一個(gè)FCC認(rèn)證的基于UWB的活動(dòng)RFID跟蹤系統(tǒng)SapphireDARTUWBTDOA好于（平均）有效距離超過PinPoint3D～iDTOA1器件昂貴，和802.11存在干擾IndoorGPSAOA利用激光測距，有效范圍為2～300m，代價(jià)高定位方式比較第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.5.4

數(shù)據(jù)融合技術(shù)(1)數(shù)據(jù)融合是指將多份數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行處理，組合出更高效、更符合用戶需求的數(shù)據(jù)的過程。(2)傳感器網(wǎng)絡(luò)存在能量約束與數(shù)據(jù)融合的關(guān)系？(3)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)協(xié)議層來進(jìn)行。(4)數(shù)據(jù)融合功效的幾個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)：準(zhǔn)確度、完整性、等待時(shí)間、信息開銷。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院51第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院52數(shù)據(jù)融合的分類第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.5.5

時(shí)間同步(1)準(zhǔn)確的時(shí)間同步是實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)自身協(xié)議的運(yùn)行、定位、多傳感器數(shù)據(jù)融合、移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤、基于TDMA的MAC協(xié)議以及基于睡眠/偵聽模式的節(jié)能機(jī)制等技術(shù)的基礎(chǔ)。(2)時(shí)間同步不確定性的主要的影響因素如圖所示：2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院53第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(3)典型的時(shí)間同步協(xié)議有：TPSN協(xié)議、DMTS協(xié)議、LTS協(xié)議、RBS協(xié)議、FTSP協(xié)議。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院54算法TPSNDMTSLTSRBSFTSP優(yōu)點(diǎn)雙向報(bào)文交換，同步精度提高一次同步，擴(kuò)展性好，能耗低系統(tǒng)開銷小能耗低一次同步，能耗低，排除報(bào)文延遲和終端等待時(shí)間精度高，一次同步缺點(diǎn)計(jì)算復(fù)雜，一次只同步一對(duì)節(jié)點(diǎn)，能耗大，雙向不對(duì)稱未考慮報(bào)文延遲和編碼時(shí)間，未補(bǔ)償時(shí)鐘漂移，精度低精度低，不適合較大規(guī)模的時(shí)間同步未考慮傳播時(shí)間、接收時(shí)間，精度低通用性不強(qiáng)，能耗大第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.5.6

能耗管理(1)在MAC層的能量消費(fèi)主要表現(xiàn)在空閑監(jiān)聽、沖突、串音和控制包開銷。為了減少能量的消耗，MAC協(xié)議通常采用“偵聽/睡眠”交替的無線信道偵聽機(jī)制，傳感器節(jié)點(diǎn)在需要收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)才偵聽無線信道，沒有數(shù)據(jù)需要收發(fā)時(shí)就盡量進(jìn)入睡眠狀態(tài)。(2)在路由層，不僅關(guān)心單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，更關(guān)心整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量的均衡消耗，這樣才能有效延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院55第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.5.7

安全機(jī)制1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全攻擊(1)類型包括保密與認(rèn)證攻擊、拒絕服務(wù)攻擊和針對(duì)完整性的隱秘攻擊三種。(2)物理層攻擊、數(shù)據(jù)鏈路層攻擊、網(wǎng)絡(luò)層攻擊、傳輸層攻擊2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)(1)加密技術(shù)按照密鑰不同可分為對(duì)稱密鑰加密算法和非對(duì)稱密鑰加密算法。(2)對(duì)稱密鑰相對(duì)非對(duì)稱密鑰，具有計(jì)算復(fù)雜度低、效率高、算法簡單、系統(tǒng)開銷小等優(yōu)點(diǎn)。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院56第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議傳感器網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議SPINS，包含兩個(gè)子協(xié)議：SNEP和μTESLA。SNEP提供了基本的安全機(jī)制，μTESLA是傳感器網(wǎng)絡(luò)廣播認(rèn)證協(xié)議。4.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理目前管理方案大致可以分為基于密鑰分配中心（KDC）方式、基于預(yù)分配方式和基于分組、分簇實(shí)現(xiàn)方式。5.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證技術(shù)認(rèn)證技術(shù)主要包含內(nèi)部實(shí)體之間認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)和用戶之間認(rèn)證和廣播認(rèn)證。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院57第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)6.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全路由技術(shù)設(shè)計(jì)安全可靠的路由協(xié)議主要從兩個(gè)方面考慮：一是采用消息加密、身份認(rèn)證、路由信息廣播認(rèn)證、入侵檢測、信任管理等機(jī)制來保證信息傳輸?shù)耐暾院驼J(rèn)證；二是利用傳感器節(jié)點(diǎn)的冗余性，提供多條路徑。2025/9/17北京物資學(xué)院信息學(xué)院58第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)1.NS-2(1)NS-2是一種可擴(kuò)展、以配置和可編程的時(shí)間驅(qū)動(dòng)的仿真工具，由REA