第一章無線傳感器網絡概述第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹無線傳感器網絡的體系結構無線傳感器網絡研究及發展現狀無線傳感器網絡所面臨的挑戰第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹第一章無線傳感器網絡概述第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——一般概念隨著計算機及相關技術的發展，使得將計算、通信、傳感等功能都集成在一個設備成為了可能，無線傳感器網絡正是這些技術的緊密結合。無線傳感器網絡是一種由傳感器節點構成的網絡，能夠實時地監測、感知和采集節點部署區的環境或觀察者感興趣的感知對象的各種信息（如光強、溫度、濕度、噪聲和有害氣體濃度等物理現象），并對這些信息進行處理后以無線的方式發送出去。無線傳感器網絡使普通物體具有了感知能力和通信能力，在軍事偵察、環境監測、醫療護理、智能家居、工業生產控制以及商業等領域有著廣闊的應用前景。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——一般概第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——典型場景無線傳感器網絡由傳感區域內大量的無線節點、Sink節點、外部網絡構成。如圖中節點A感知到數據之后，通過節點B、C、D、E多跳傳送給Sink節點，再由Sink節點傳送給外部網絡（如Internet）。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——典型場第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——作為無線自組網自組織：在節點位置確定之后，節點需要自己尋找其鄰居節點，實現相鄰節點之間的通信，通過多跳傳輸的方式搭建整個網絡，并且需要根據節點的加入和退出來重新組織網絡，使網絡能夠穩定正常的運行。分布式：網絡的感知能力由若干冗余節點共同完成，每一個節點具有相同等的硬件資源和通信距離，沒有哪一個節點嚴格地控制網絡的運行，節點消亡之后網絡能夠重組，任意一個節點的加入或退出都不會影響網絡的運行，抗擊毀能力強。節點平等：除了Sink節點之外，無線傳感器節點的分布隨機，以自己為中心只負責自己通信范圍內的數據交換；每個節點都是平等的，沒有先后優先級之間的差別，具有相同的通信能力，既可以產生數據也可以轉發數據。可靠性要求高：自組織網絡采用的是無線信道，通信需要通過多跳路由，因此數據的可靠性不高；而且信道容易受到干擾、和竊聽，保密性能差。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——作為無第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——獨特的特征節點資源有限：如節點的電源能量、通信能力、計算存儲能力有限。而且難以維護，對節點運行的程序包括使用的存儲空間、算法時間開銷有較高的要求；網絡規模大：大部分無線傳感器網絡的覆蓋范圍很大并且部署密集，在單位面積內可能存在大量的傳感器節點；時效性：無線傳感器網絡采集的信息需要在一定時間內及時送達觀察者或是數據處理中心，對可能發生的事故和危險情況進行及時預告和提醒第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——獨特的第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——獨特的特征節點的可感知，微型化和自組織能力是無線傳感器網絡所具有的三個最基本的特點無線傳感器網絡的特點決定了無線傳感器網絡非常適合應用于惡劣的環境尤其是無人值守的場景即使被監測區域中的部分節點損壞或休眠時，也不會造成該區域的無線傳感網絡崩潰或影響數據的獲得，網絡仍能為系統提供可靠的監測數據。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——獨特的第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——信息感知優勢分布節點中多角度和多方位信息的綜合，有效地提高了對被監測區域的觀測的準確度和信息的全面性傳感器網絡低成本、高冗余的設計原則為整個系統提供了較強的容錯能力。即使在極為惡劣的應用環境中，監控系統也可以正常工作節點中多種傳感器的混合應用有利于提高探測的性能指標多節點聯合，可形成覆蓋面積較大的實時探測區域。借助于個別具有移動能力的節點對網絡拓撲結構的調整能力，可以有效地消除探測區域內的陰影和盲點第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——信息感第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——未來發展趨勢節點進一步微型化。利用芯片集成技術、微機電技術和微無線通信技術，設計體積更小、生存周期更長，成本更低的節點尋求更好的系統節能策略。絕大部分無線傳感器網絡的電源不可更換或不能短時間更換，因此功耗問題一直是制約無線傳感器網絡發展的核心進一步降低節點成本。由于傳感器網絡的節點數量非常大，往往是成千上萬個。要使傳感器網絡達到實用化，要求每個節點的價格控制在較為低廉的價格，甚至是一次性使用進一步提高傳感器網絡安全性和抗干擾能力。如何利用較少的能量和較小的計算量來完成數據加密、身份認證等功能，在破壞或受干擾的情況下可靠地完成執行的任務第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——未來發第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——未來發展趨勢提高節點的自動配置能力。使網絡在部分節點出現錯誤或休眠能將大量的節點迅速按照一定的規則組成一定的結構完善高效的跨層網絡協議棧。在無線傳感器網絡已有的分層體系結構上引入跨層的機制和參數，打破層的界限多層合作實現某些優化目標網絡的多應用和異構化。隨著無線傳感器網絡的發展,同一傳感器網絡將從支持單一應用向支持多種不同應用發展,大規模的無線傳感器網絡中將包括大量的異構的傳感器節點。進一步與其他網絡的融合。無線傳感器網絡與現有網絡的融合將帶來新的應用。傳感器網絡專注于探測和收集環境信息，復雜的數據處理和存儲等服務則交給基于無線傳感器網絡的網格體系來完成。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——未來發第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前景軍事領域。

無線傳感器網絡非常適合應用于惡劣的戰場環境中，因此軍事領域成為無線傳感器網絡最早展開的領域，由于戰爭的傷亡性，傳感器節點將取代人去執行一些危險任務，如監控我軍兵力、裝備和物資，監視沖突區，偵察敵方地形和布防，定位攻擊目標，評估損失，偵察和探測核、生物和化學攻擊。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前景環境監測和保護。在監測區域撒播大量的無線傳感器節點，并提高環境監控的覆蓋范圍、精度和實時性。包括跟蹤生物種群，監測水位水質，預警火災、地震、泥石流和臺風等災害。還可用于海洋、深空等環境工業監控與故障診斷。通過無線傳感器網絡可方便地對煤礦、石油鉆井、核電廠和組裝線工作的設備和員工進行監控和診斷，保障設備安全和員工人身安全智能農業。在農業領域無線傳感器網絡有著卓越的技術優勢。它可用于監視農作物灌溉情況、土壤空氣變更情況、牲畜和家禽的環境狀況以及大面積地表檢測智能家居。智能家居系統的設計目標是將住宅內的各種家居設備聯系起來，使各個家居設備能夠自動運行，相互協作，為居住者提供盡可能多的便利和舒適第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前景醫療健康與監護。無線傳感器網絡節點微小的特點在醫學上有特殊的用途。可以利用傳感器監測病人的心率和血壓等生理特征，以隨時了解病人的病情進行及時有效地處理。并可以利用傳感器網絡長期不間斷地收集醫學實驗對象的生理數據，為醫學研究提供依據。智能交通系統。可通過運用大量傳感器網絡，并配合GPS系統、區域網絡系統等資源，優化交叉路口信號燈控制，提供車輛誘導，緩解道路擁堵，提高駕駛安全。智能倉儲物流。利用無線傳感器網絡的多傳感器高度集成，以及部署方便、組網靈活的特點，可用來進行糧食、蔬菜、水果、蛋肉存儲倉庫的溫度、濕度控制，中央空調系統的監測與控制，以及廠房環境控制，特殊實驗室環境的控制等。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前景智慧城市通過物聯網基礎設施、云計算基礎設施、地理空間基礎設施等新一代信息技術以及百科、社交網絡、綜合集成等工具和方法的應用，實現全面透徹的感知、寬帶泛在的互聯、智能融合的應用。知識社會環境下的智慧城市是信息化城市發展的高級形態。智慧城市的建設覆蓋諸多領域，交通、醫療、安防、社區、電網等等都是智慧城市建設中不可或缺的部分。其中智慧社區、智能家居是與人最為密切相關的部分，是智慧城市建設的必經步驟。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前景智慧城市：2010年，IBM正式提出了“智慧城市”遠景：城市六個核心系統組成：組織（人）、業務/政務、交通、通訊、水和能源。國內不少公司也提出有關智慧城市的架構體系，如“智慧城市4+1體系”，已在城市綜合體智能化（如株洲神農城）、天津智慧和平區等智能化項目中得到應用。2013年1月國家住建布提出了建設智慧城市的首批名單：包括北京、石家莊、無錫、溫州等90個城市通過審核，正式成為國內首批試點智慧城市。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前景住建部2013年1月宣布，北京市東城區、江蘇省無錫市、河北省石家莊市、浙江省溫州市等90個城市通過審核，成為首批國家智慧城市試點。在90個試點中，37個地級市，50個區（縣），3個鎮。試點城市將要在3-5年完成創建此后由相關部門組織評估并進行等級評定。評定等級將由低到高分為一星、二星和三星。住建部與國家開發銀行簽訂合作協議，未來三年，住建部與國家開發銀行合作投資智慧城市，資金規模將達800億，同時推進智慧城市試點項目的遴選、調查、發款等工作。除了通過審批試點的90個城市，目前還有近三百個城市已經開始建設智慧城市項目，而未來幾年將有600-800個城市打造智慧城市，預計國家在“十二五”期間用于建設智慧城市的投資規模將達5000億元，而帶動相關產業發展的市場規模預計將在2萬億元左右，前景非常廣闊。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡體系結構可以從這幾個角度來認識無線傳感器網絡的系統結構：無線傳感器網絡的節點結構無線傳感器網絡的軟件體系結構無線傳感器網絡的網絡拓撲結構無線傳感器網絡的協議結構第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡體系結構第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡體系結構——節點結構

傳感器節點通常用于部署，其成本低廉、重量輕，同時支持一些基本的功能，如事件檢測、分類、追蹤以及匯報，在一般情況下，節點支持以下功能：動態配置，以支持多種網絡功能；節點可以動態配置成網關、普通節點等；遠程可編程，以便增加新的功能，如支持新的信號處理算法；定位功能，以便確定自己的絕對或者相對位置，如利用全球定位系統（GlobalPositionSystem，GPS）；支持低功耗的網絡傳輸；支持長距離通信的能力，以便數據傳輸，如網關之間的通信。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡體系結構——節第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡體系結構——節點結構主要組成部分：數據采集模塊(傳感器、信號調理、A/D轉換器)數據處理和控制模塊(微處理器、存儲器)無線通信模塊(射頻收發器)能量供應模塊(電池及電源管理模塊)可以選擇的其他功能單元：定位模塊移動模塊電源自供電模塊第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡體系結構——節無線傳感器網絡的系統結構——節點結構第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——節點結構第一章無線傳感器網第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——軟件結構最靠近基礎硬件并對各種軟硬件資源進行管理的是操作系統，無線傳感器網絡操作系統一般采用事件驅動的組件設計模式，完整的系統由調度器和分層組件組成每一類完整的無線傳感器網絡的軟件結構，都需要有面向特定應用的業務邏輯部分軟件。可根據傳感器網絡節點采集的數據的類型、特性、用途和用戶的需要對數據進行特定的處理在現代的無線傳感器網絡軟件體系中，還會設計處理分布系統所特有功能的軟件，形成無線傳感器網絡中間件軟件，用于支撐各種應用第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——軟件結構第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——網絡拓撲結構平面網絡結構分級網絡結構混合網絡結構Mesh網絡結構第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——無線傳感器網絡的系統結構——網絡拓撲結構平面網絡結構：

無線傳感器網絡中最簡單的一種拓撲結構，所有節點為對等結構，具有完全一致的功能特性第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——網絡拓撲結構第一章無線傳感無線傳感器網絡的系統結構——網絡拓撲結構分級網絡結構：分級網絡結構分為上層和下層兩個部分：上層為中心骨干節點；下層為一般傳感器節點。這種網絡拓撲結構擴展性好，便于集中管理，可以降低系統建設成本，提高網絡覆蓋率和可靠性第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——網絡拓撲結構第一章無線傳感無線傳感器網絡的系統結構——網絡拓撲結構Mesh網絡結構：Mesh網絡結構是一種新型的無線傳感器網絡結構，該結構是規則分布的網絡結構，該結構中通常只允許節點和節點最近的鄰居通信第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——網絡拓撲結構第一章無線傳感第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——協議結構無線傳感器網絡協議設計所需要考慮的特殊特性（1）無線傳感器網絡中的節點數目高出Adhoc網絡節點數目幾個數量級，這就對傳感器網絡的可擴展性提出了要求（2）無線傳感器網絡最大的特點就是能量受限。在各層協議設計時，節能是設計的主要考慮目標之一（3）傳感器網絡節點受損的概率遠大于傳統網絡節點，因此自組織網絡的健壯性保障是必須的（4）傳感器節點高密度部署，網絡拓撲結構變化快，對于拓撲結構的維護也提出了挑戰第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——協議結構傳感器網絡體系結構具有橫向的通信協議層和縱向的傳感器網絡管理面這樣的二維結構。通信協議層可以劃分為物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層五層，網絡管理面則可以劃分為能耗管理面、移動性管理面以及任務管理面。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——協議結構無線傳感器網絡的各通信協議層物理層數據鏈路層網絡層傳輸層應用層第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——協議結構無線傳感器網絡的各通信協議層功能物理層負責載波頻率產生、信號的調制解調等工作，提供簡單但健壯的信號調制和無線收發技術。數據鏈路層（1）媒體訪問控制。主要負責網絡結構的建立和為傳感器節點有效、合理地分配資源。（2）差錯控制。保證源節點發出的信息可以完整、無誤地到達目標節點。網絡層負責路由發現和維護，是無線傳感器網絡的重要因素。無線傳感器網絡中，大多數節點無法直接與網關通信，需要通過中間節點進行多跳路由。（以數據為中心）第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——協議結構無線傳感器網絡的各通信協議層功能傳輸層負責將傳感器網絡的數據提供給外部網絡，也就是負責網絡中節點間和節點與外部網絡之間的通信。應用層主要由一系列應用軟件構成，主要負責監測任務。這一層主要解決三個問題：傳感器管理協議、任務分配和數據廣播管理協議，以及傳感器查詢和數據傳播管理協議。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——協議結構無線傳感器網絡的各管理平臺功能如下：能量管理平臺管理傳感器節點如何使用資源，在各個協議層都需要考慮節省能量。移動管理平臺檢測傳感器節點的移動，維護到匯聚節點的路由，使得傳感器節點能夠動態跟蹤其鄰居的位置。任務管理平臺

在一個給定的區域內平衡和調度檢測任務。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的發展20世紀70年代，第一代傳感器網絡誕生，第一代傳感器網絡特別簡單，傳感器只能獲取簡單信號，數據傳輸采用點對點模式，傳感器節點與傳感控制器相連就構成了這樣一個傳感器網絡。第二代傳感器網絡比第一代傳感器網絡在功能上稍有增強，它能夠讀取多種信號，硬件上采用串/并接口來連接傳感控制器，是一種能夠綜合多種信息的傳感器網絡。傳感器網絡更新的速度越來越快。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的發展第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的發展在20世紀90年代后期，第三代傳感器網絡問世，它更加智能化，綜合處理能力更強，能夠智能地獲取各種信息，網絡采用局域網形式，通過一根總線實現傳感器控制器的連接，是一種智能化的傳感器網絡。到現在為止，第四代傳感器網絡還在開發之中，雖然實驗室的無線傳感器網絡已經能夠運行，但限于節點成本、電池生命周期等原因，大規模使用的產品出現得還很少，這一代網絡結構采用無線通信模式，大規模地撒播具有簡單數據處理和融合能力的傳感器節點，無線自組織地實現網絡間節點的相互通信，這就構成了第四代傳感器網絡，即無線傳感器網絡。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的發展第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的發展在20世紀90年代后期，第三代傳感器網絡問世，它更加智能化，綜合處理能力更強，能夠智能地獲取各種信息，網絡采用局域網形式，通過一根總線實現傳感器控制器的連接，是一種智能化的傳感器網絡。到現在為止，第四代傳感器網絡還在開發之中，雖然實驗室的無線傳感器網絡已經能夠運行，但限于節點成本、電池生命周期等原因，大規模使用的產品出現得還很少，這一代網絡結構采用無線通信模式，大規模地撒播具有簡單數據處理和融合能力的傳感器節點，無線自組織地實現網絡間節點的相互通信，這就構成了第四代傳感器網絡，即無線傳感器網絡。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的發展無線傳感器網絡的發展第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的發展第一章無線傳感器網絡概述第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的發展1993年，美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）聯合rockwell研究中心在DARPA的資助下開始進行了WINS（WirelessIntegratedNetworkSensors）的項目研究1996年起麻省理工學院(MIT)進行了μAMPS(Micro-AdaptiveMulti-domainPower-awareSensors)項目的研究，該項目主要關注網絡問題，提出了無線傳感器網絡的組織應該以節能、自組織和可重構為目標。（LEACH協議）加州大學伯克利分校（UCBerkeley）于1999年在DARPA的資助下開始進行SmartDust項目的研究，該項目的目標是研制體積不超過一立方毫米，使用太陽能電池供電，具有光通信能力的自治傳感器節點在美國自然科學基金（NSF）等單位的資助下，UCLA聯合其他一些機構成立了CENS（CenterforEmbeddedNetworkSensing）。該中心對無線傳感器網絡的跟蹤定位與節點部署、調試工具、數據存儲與查詢、能量管理等等諸多方面進行研究。UCBerkeley成立了WEBS（wirelessEmbeddedSystems），WEBS負責SmartDust和NEST等項目，涉及硬件平臺、安全路由、環境監測和定位系統等許多方面。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的發展第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的發展空間探索領域和軍事領域方面：NASA的SensorWeb項目應用于火星探測DARPA資助的SensorIT(SensorInformationTechnology)項目，戰場環境不同種類的傳感器的部署戰場的組成的傳感器網絡美國海軍研究局資助的DADS（DeployableAutonomousDistributedSystem）項目，開發可在近海水域部署的水下無線傳感器網絡在民用方面2002年Intel公司的“基于微型傳感器網絡的新型計算發展規劃”，制定了微型傳感器網絡在預防醫學、環境監測、森林滅火乃至海底板塊調查、行星探查等領域的應用第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的發展第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡面臨的挑戰低能耗實時性低成本安全和抗干擾協作第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡面臨的挑戰第一章無線傳感器網絡概述主要參考書目：李曉維,徐勇軍,任豐原.無線傳感器網絡技術北京理工大學出版社.

2007年8月王殊,閻毓杰,胡富平,屈曉旭.無線傳感器網絡的理論和應用.北京航空航天大學出版社.

2007年8月譚勵.無線傳感器網絡理論與技術應用.機械工業出版社.

2011年7月第一章無線傳感器網絡概述主要參考書目：

第一章無線傳感器網絡概述第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹無線傳感器網絡的體系結構無線傳感器網絡研究及發展現狀無線傳感器網絡所面臨的挑戰第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹第一章無線傳感器網絡概述第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——一般概念隨著計算機及相關技術的發展，使得將計算、通信、傳感等功能都集成在一個設備成為了可能，無線傳感器網絡正是這些技術的緊密結合。無線傳感器網絡是一種由傳感器節點構成的網絡，能夠實時地監測、感知和采集節點部署區的環境或觀察者感興趣的感知對象的各種信息（如光強、溫度、濕度、噪聲和有害氣體濃度等物理現象），并對這些信息進行處理后以無線的方式發送出去。無線傳感器網絡使普通物體具有了感知能力和通信能力，在軍事偵察、環境監測、醫療護理、智能家居、工業生產控制以及商業等領域有著廣闊的應用前景。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——一般概第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——典型場景無線傳感器網絡由傳感區域內大量的無線節點、Sink節點、外部網絡構成。如圖中節點A感知到數據之后，通過節點B、C、D、E多跳傳送給Sink節點，再由Sink節點傳送給外部網絡（如Internet）。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——典型場第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——作為無線自組網自組織：在節點位置確定之后，節點需要自己尋找其鄰居節點，實現相鄰節點之間的通信，通過多跳傳輸的方式搭建整個網絡，并且需要根據節點的加入和退出來重新組織網絡，使網絡能夠穩定正常的運行。分布式：網絡的感知能力由若干冗余節點共同完成，每一個節點具有相同等的硬件資源和通信距離，沒有哪一個節點嚴格地控制網絡的運行，節點消亡之后網絡能夠重組，任意一個節點的加入或退出都不會影響網絡的運行，抗擊毀能力強。節點平等：除了Sink節點之外，無線傳感器節點的分布隨機，以自己為中心只負責自己通信范圍內的數據交換；每個節點都是平等的，沒有先后優先級之間的差別，具有相同的通信能力，既可以產生數據也可以轉發數據。可靠性要求高：自組織網絡采用的是無線信道，通信需要通過多跳路由，因此數據的可靠性不高；而且信道容易受到干擾、和竊聽，保密性能差。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——作為無第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——獨特的特征節點資源有限：如節點的電源能量、通信能力、計算存儲能力有限。而且難以維護，對節點運行的程序包括使用的存儲空間、算法時間開銷有較高的要求；網絡規模大：大部分無線傳感器網絡的覆蓋范圍很大并且部署密集，在單位面積內可能存在大量的傳感器節點；時效性：無線傳感器網絡采集的信息需要在一定時間內及時送達觀察者或是數據處理中心，對可能發生的事故和危險情況進行及時預告和提醒第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——獨特的第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——獨特的特征節點的可感知，微型化和自組織能力是無線傳感器網絡所具有的三個最基本的特點無線傳感器網絡的特點決定了無線傳感器網絡非常適合應用于惡劣的環境尤其是無人值守的場景即使被監測區域中的部分節點損壞或休眠時，也不會造成該區域的無線傳感網絡崩潰或影響數據的獲得，網絡仍能為系統提供可靠的監測數據。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——獨特的第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——信息感知優勢分布節點中多角度和多方位信息的綜合，有效地提高了對被監測區域的觀測的準確度和信息的全面性傳感器網絡低成本、高冗余的設計原則為整個系統提供了較強的容錯能力。即使在極為惡劣的應用環境中，監控系統也可以正常工作節點中多種傳感器的混合應用有利于提高探測的性能指標多節點聯合，可形成覆蓋面積較大的實時探測區域。借助于個別具有移動能力的節點對網絡拓撲結構的調整能力，可以有效地消除探測區域內的陰影和盲點第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——信息感第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——未來發展趨勢節點進一步微型化。利用芯片集成技術、微機電技術和微無線通信技術，設計體積更小、生存周期更長，成本更低的節點尋求更好的系統節能策略。絕大部分無線傳感器網絡的電源不可更換或不能短時間更換，因此功耗問題一直是制約無線傳感器網絡發展的核心進一步降低節點成本。由于傳感器網絡的節點數量非常大，往往是成千上萬個。要使傳感器網絡達到實用化，要求每個節點的價格控制在較為低廉的價格，甚至是一次性使用進一步提高傳感器網絡安全性和抗干擾能力。如何利用較少的能量和較小的計算量來完成數據加密、身份認證等功能，在破壞或受干擾的情況下可靠地完成執行的任務第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——未來發第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——未來發展趨勢提高節點的自動配置能力。使網絡在部分節點出現錯誤或休眠能將大量的節點迅速按照一定的規則組成一定的結構完善高效的跨層網絡協議棧。在無線傳感器網絡已有的分層體系結構上引入跨層的機制和參數，打破層的界限多層合作實現某些優化目標網絡的多應用和異構化。隨著無線傳感器網絡的發展,同一傳感器網絡將從支持單一應用向支持多種不同應用發展,大規模的無線傳感器網絡中將包括大量的異構的傳感器節點。進一步與其他網絡的融合。無線傳感器網絡與現有網絡的融合將帶來新的應用。傳感器網絡專注于探測和收集環境信息，復雜的數據處理和存儲等服務則交給基于無線傳感器網絡的網格體系來完成。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——未來發第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前景軍事領域。

無線傳感器網絡非常適合應用于惡劣的戰場環境中，因此軍事領域成為無線傳感器網絡最早展開的領域，由于戰爭的傷亡性，傳感器節點將取代人去執行一些危險任務，如監控我軍兵力、裝備和物資，監視沖突區，偵察敵方地形和布防，定位攻擊目標，評估損失，偵察和探測核、生物和化學攻擊。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前景環境監測和保護。在監測區域撒播大量的無線傳感器節點，并提高環境監控的覆蓋范圍、精度和實時性。包括跟蹤生物種群，監測水位水質，預警火災、地震、泥石流和臺風等災害。還可用于海洋、深空等環境工業監控與故障診斷。通過無線傳感器網絡可方便地對煤礦、石油鉆井、核電廠和組裝線工作的設備和員工進行監控和診斷，保障設備安全和員工人身安全智能農業。在農業領域無線傳感器網絡有著卓越的技術優勢。它可用于監視農作物灌溉情況、土壤空氣變更情況、牲畜和家禽的環境狀況以及大面積地表檢測智能家居。智能家居系統的設計目標是將住宅內的各種家居設備聯系起來，使各個家居設備能夠自動運行，相互協作，為居住者提供盡可能多的便利和舒適第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前景醫療健康與監護。無線傳感器網絡節點微小的特點在醫學上有特殊的用途。可以利用傳感器監測病人的心率和血壓等生理特征，以隨時了解病人的病情進行及時有效地處理。并可以利用傳感器網絡長期不間斷地收集醫學實驗對象的生理數據，為醫學研究提供依據。智能交通系統。可通過運用大量傳感器網絡，并配合GPS系統、區域網絡系統等資源，優化交叉路口信號燈控制，提供車輛誘導，緩解道路擁堵，提高駕駛安全。智能倉儲物流。利用無線傳感器網絡的多傳感器高度集成，以及部署方便、組網靈活的特點，可用來進行糧食、蔬菜、水果、蛋肉存儲倉庫的溫度、濕度控制，中央空調系統的監測與控制，以及廠房環境控制，特殊實驗室環境的控制等。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前景智慧城市通過物聯網基礎設施、云計算基礎設施、地理空間基礎設施等新一代信息技術以及百科、社交網絡、綜合集成等工具和方法的應用，實現全面透徹的感知、寬帶泛在的互聯、智能融合的應用。知識社會環境下的智慧城市是信息化城市發展的高級形態。智慧城市的建設覆蓋諸多領域，交通、醫療、安防、社區、電網等等都是智慧城市建設中不可或缺的部分。其中智慧社區、智能家居是與人最為密切相關的部分，是智慧城市建設的必經步驟。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前景智慧城市：2010年，IBM正式提出了“智慧城市”遠景：城市六個核心系統組成：組織（人）、業務/政務、交通、通訊、水和能源。國內不少公司也提出有關智慧城市的架構體系，如“智慧城市4+1體系”，已在城市綜合體智能化（如株洲神農城）、天津智慧和平區等智能化項目中得到應用。2013年1月國家住建布提出了建設智慧城市的首批名單：包括北京、石家莊、無錫、溫州等90個城市通過審核，正式成為國內首批試點智慧城市。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前景住建部2013年1月宣布，北京市東城區、江蘇省無錫市、河北省石家莊市、浙江省溫州市等90個城市通過審核，成為首批國家智慧城市試點。在90個試點中，37個地級市，50個區（縣），3個鎮。試點城市將要在3-5年完成創建此后由相關部門組織評估并進行等級評定。評定等級將由低到高分為一星、二星和三星。住建部與國家開發銀行簽訂合作協議，未來三年，住建部與國家開發銀行合作投資智慧城市，資金規模將達800億，同時推進智慧城市試點項目的遴選、調查、發款等工作。除了通過審批試點的90個城市，目前還有近三百個城市已經開始建設智慧城市項目，而未來幾年將有600-800個城市打造智慧城市，預計國家在“十二五”期間用于建設智慧城市的投資規模將達5000億元，而帶動相關產業發展的市場規模預計將在2萬億元左右，前景非常廣闊。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡介紹——應用前第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡體系結構可以從這幾個角度來認識無線傳感器網絡的系統結構：無線傳感器網絡的節點結構無線傳感器網絡的軟件體系結構無線傳感器網絡的網絡拓撲結構無線傳感器網絡的協議結構第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡體系結構第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡體系結構——節點結構

傳感器節點通常用于部署，其成本低廉、重量輕，同時支持一些基本的功能，如事件檢測、分類、追蹤以及匯報，在一般情況下，節點支持以下功能：動態配置，以支持多種網絡功能；節點可以動態配置成網關、普通節點等；遠程可編程，以便增加新的功能，如支持新的信號處理算法；定位功能，以便確定自己的絕對或者相對位置，如利用全球定位系統（GlobalPositionSystem，GPS）；支持低功耗的網絡傳輸；支持長距離通信的能力，以便數據傳輸，如網關之間的通信。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡體系結構——節第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡體系結構——節點結構主要組成部分：數據采集模塊(傳感器、信號調理、A/D轉換器)數據處理和控制模塊(微處理器、存儲器)無線通信模塊(射頻收發器)能量供應模塊(電池及電源管理模塊)可以選擇的其他功能單元：定位模塊移動模塊電源自供電模塊第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡體系結構——節無線傳感器網絡的系統結構——節點結構第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——節點結構第一章無線傳感器網第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——軟件結構最靠近基礎硬件并對各種軟硬件資源進行管理的是操作系統，無線傳感器網絡操作系統一般采用事件驅動的組件設計模式，完整的系統由調度器和分層組件組成每一類完整的無線傳感器網絡的軟件結構，都需要有面向特定應用的業務邏輯部分軟件。可根據傳感器網絡節點采集的數據的類型、特性、用途和用戶的需要對數據進行特定的處理在現代的無線傳感器網絡軟件體系中，還會設計處理分布系統所特有功能的軟件，形成無線傳感器網絡中間件軟件，用于支撐各種應用第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——軟件結構第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——網絡拓撲結構平面網絡結構分級網絡結構混合網絡結構Mesh網絡結構第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——無線傳感器網絡的系統結構——網絡拓撲結構平面網絡結構：

無線傳感器網絡中最簡單的一種拓撲結構，所有節點為對等結構，具有完全一致的功能特性第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——網絡拓撲結構第一章無線傳感無線傳感器網絡的系統結構——網絡拓撲結構分級網絡結構：分級網絡結構分為上層和下層兩個部分：上層為中心骨干節點；下層為一般傳感器節點。這種網絡拓撲結構擴展性好，便于集中管理，可以降低系統建設成本，提高網絡覆蓋率和可靠性第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——網絡拓撲結構第一章無線傳感無線傳感器網絡的系統結構——網絡拓撲結構Mesh網絡結構：Mesh網絡結構是一種新型的無線傳感器網絡結構，該結構是規則分布的網絡結構，該結構中通常只允許節點和節點最近的鄰居通信第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——網絡拓撲結構第一章無線傳感第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——協議結構無線傳感器網絡協議設計所需要考慮的特殊特性（1）無線傳感器網絡中的節點數目高出Adhoc網絡節點數目幾個數量級，這就對傳感器網絡的可擴展性提出了要求（2）無線傳感器網絡最大的特點就是能量受限。在各層協議設計時，節能是設計的主要考慮目標之一（3）傳感器網絡節點受損的概率遠大于傳統網絡節點，因此自組織網絡的健壯性保障是必須的（4）傳感器節點高密度部署，網絡拓撲結構變化快，對于拓撲結構的維護也提出了挑戰第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——協議結構傳感器網絡體系結構具有橫向的通信協議層和縱向的傳感器網絡管理面這樣的二維結構。通信協議層可以劃分為物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層五層，網絡管理面則可以劃分為能耗管理面、移動性管理面以及任務管理面。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——協議結構無線傳感器網絡的各通信協議層物理層數據鏈路層網絡層傳輸層應用層第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——協議結構無線傳感器網絡的各通信協議層功能物理層負責載波頻率產生、信號的調制解調等工作，提供簡單但健壯的信號調制和無線收發技術。數據鏈路層（1）媒體訪問控制。主要負責網絡結構的建立和為傳感器節點有效、合理地分配資源。（2）差錯控制。保證源節點發出的信息可以完整、無誤地到達目標節點。網絡層負責路由發現和維護，是無線傳感器網絡的重要因素。無線傳感器網絡中，大多數節點無法直接與網關通信，需要通過中間節點進行多跳路由。（以數據為中心）第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——協議結構無線傳感器網絡的各通信協議層功能傳輸層負責將傳感器網絡的數據提供給外部網絡，也就是負責網絡中節點間和節點與外部網絡之間的通信。應用層主要由一系列應用軟件構成，主要負責監測任務。這一層主要解決三個問題：傳感器管理協議、任務分配和數據廣播管理協議，以及傳感器查詢和數據傳播管理協議。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——協議結構無線傳感器網絡的各管理平臺功能如下：能量管理平臺管理傳感器節點如何使用資源，在各個協議層都需要考慮節省能量。移動管理平臺檢測傳感器節點的移動，維護到匯聚節點的路由，使得傳感器節點能夠動態跟蹤其鄰居的位置。任務管理平臺

在一個給定的區域內平衡和調度檢測任務。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的系統結構——第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的發展20世紀70年代，第一代傳感器網絡誕生，第一代傳感器網絡特別簡單，傳感器只能獲取簡單信號，數據傳輸采用點對點模式，傳感器節點與傳感控制器相連就構成了這樣一個傳感器網絡。第二代傳感器網絡比第一代傳感器網絡在功能上稍有增強，它能夠讀取多種信號，硬件上采用串/并接口來連接傳感控制器，是一種能夠綜合多種信息的傳感器網絡。傳感器網絡更新的速度越來越快。第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的發展第一章無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的發展在20世紀90年代后期，第三代傳感器網絡問世，它更加智能化，綜合處理能力更強，能夠智能地獲取各種信息，網絡采用局域網形式，通過一根總線實