內容提要：物聯網的支撐技術融合了RFID、傳感器技術、無線傳感器網絡、智能網絡等多種技術。無線傳感器網絡立足于無線通信協議。物聯網的基礎是互聯網，無線網絡是補充。傳感網的基礎是無線網絡。本章介紹無線傳感網技術體系、通信協議與信息整合。第4章無線傳感器網絡技術4.1無線傳感網絡概述4.2無線傳感網絡技術體系4.3無線傳感網絡的通信協議4.4無線傳感網絡的技術標準本章目錄無線傳感器網絡技術無線傳感器網絡（WSN，wirelessSensorNetwork）是由具有感知、計算及通信能力的一群微型傳感器節點組成的一個自組網絡系統。目的是協作感知、采集處理區域的信息如環境參數、溫度、振動、化學濃度等數據發送到匯聚節點供分析。無線傳感器網絡涉及傳感器技術、網絡通信技術、無線傳輸技術、嵌入式技術、分布式、微電子、軟件編程。4.1.1

無線傳感器網絡介紹4.1無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的特點大規模網絡自組織網絡多跳路由動態性網絡可靠的網絡以數據為中心的網絡應用相關的網絡4.1無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的實現條件與約束電源能量有限通信能力有限計算和存儲能力4.1無線傳感器網絡概述無線傳感器網絡的應用軍事應用環境觀測和預報系統醫療護理智能家居建筑物狀態監控其他應用：如空間探索4.1.2傳感器網絡體系結構4.1無線傳感器網絡概述圖4-3傳感器網絡體系結構傳感器網絡協議棧4.1無線傳感器網絡概述圖4-5傳感器網絡協議棧改進的模型？討論：p87教材圖4-5b4.1.3傳感器網絡的發展4.1無線傳感器網絡第一代傳感器網絡出現在20世紀70年代。使用具有簡單信息信號獲取能力的傳統傳感器，采用點對點傳輸、連接傳感控制器構成傳感器網絡；第二代傳感器網絡，由智能傳感器，現場控制站組成的測控網絡。采用串，并接口(如Rs-232)與傳感控制器相聯第三代傳感器網絡出現在20世紀90年代后期和本世紀初，用具有現場總線的智能傳感器網絡第四代傳感器網絡-無線傳感器網絡。本文所介紹的無線傳感器網絡就是指第四代傳感器網絡。新一代計算設備普適計算的重要途經

4.2.1自組網技術4.2無線傳感網絡技術體系移動自組網(Ad-Hoc)Adhoc網絡的前身是分組無線網（PacketRadioNetwork）1991年成立的IEEE802.11標準委員會采用了“Adhoc網絡”一詞來描述這種特殊的對等式無線移動網絡。移動自組網的特點無中心自組織動態變化的網絡拓樸受限的無線傳輸安全性差多跳路由4.2.2節點定位技術1.基本概念和算法在傳感器網絡中，為了實現定位的需要，隨機播撒的節點主要有兩種：信標節點（BeaconNode）和未知節點（UnknownNode）。通常將已知自身位置的節點稱為信標節點，信標節點可以通過攜帶GPS定位設備等手段獲得自身的精確位置，而其它節點稱之為未知節點，未知節點以信標節點作為參考點，通過信標節點的位置信息來確定自身位置。圖4-6傳感器網絡中信標節點和未知節點1.基本概念和算法(1)鄰居節點（NeighborNodes）：無需經過其它節點能夠直接與之進行通信的節點；(2)跳數（HopCount）：兩個要實現通信的節點之間信息轉發所需要的最小跳段總數；(3)連通度（Connectivity）：一個節點擁有的鄰居節點數目；(4)跳段距離（HopDistance）兩個節點間隔之間最小跳段距離的總和(5)接收信號傳播時間差(TimeDifferenceofArrival，TDOA)：兩種不同頻率的信號到達同一目的地時由于不同的傳輸速度所造成的時間差；(6)接收信號傳播時間（TimeofArrival，TOA）：信號在兩個不同節點之間傳播所需要的時間；(7)信號返回時間（Round-tripTimeofFlight，RTOF）：信號從一個節點傳到另一個節點后又返回來的時間；(8)到達角度(AngleofArrival，AOA)：節點自身軸線相對于其接收到的信號之間的角度；(9)接收信號強度指示(ReceivedSigna1StrengthIndicator，RSSI)：無線信號到達傳感器節點后的強弱值。（1）三邊測量法4.2傳感網技術體系根據上式可得未知節點D的坐標方程為：

（2-2）（2）三角測量法4.2傳感網技術體系

（2-2）（3）最大似然估計法

（2-2）圖4-9最大似然估計法（3）最大似然估計法

（2-2）4.2.2傳感器網絡定位算法的分類基于距離和距離無關的定位算法基于TOA的定位（基于到達時間的定位機制）基于TDOA的定位（基于到達時間差的定位機制）基于AOA的定位（基于到達角度的定位機制）基于RSSI的定位（基于接收信號強度的定位機制）2.遞增式和并發式3.基于信標和無信標的定位基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號特征距離測量方法距離d=波速v*傳播時間Δt傳播時間Δt=收到時刻t–發出時刻t0問題：接受端如何得知t0？基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號特征方法1：利用波速差發送端同時發送一道電磁波和聲波接收端記錄：電磁波到達時刻聲波到達時刻距離由于遠大于，上式可簡化為基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號特征方法2：測量波的往返時間發送端于時刻發送波接收端收到波后，等待時間后返回同樣的波發送端記錄收到回復的時間距離基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號特征位置計算方法多邊測量（也稱多點測量）平面上定位，取三個參考點以每個參考點為圓心，到該參考點的距離為半徑畫圓，目標必在圓上平面上三個圓交于一點實際中取用超過三個參考點，用最小二乘法減少誤差基于距離差的定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號特征ToA的局限需要參考點和測量目標時鐘同步TDoA不需要參考點和測量目標時鐘同步參考點之間仍然需要時鐘同步基于距離差的定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號特征距離差測距方法測量目標廣播信號參考點i，j分別記錄信號接收到的時刻ti，tj測量目標到i，j的距離差基于距離差的定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號特征位置計算方法至少兩組數據聯立方程求解實際采用多組數據最小二乘法求解每次測量結果參考點坐標到參考點的距離構建方程：AOA定位分析基于RSSI的定位基于距離基于距離差基于信號強度基于信號強度的定位原理：建立信號衰減與距離關系，利用4-6計算節點與基站的距離，再用三邊法計算節點位置。基于信號特征的定位基于距離基于距離差基于信號特征解決方法：將信號強度看做“特征”預先布置N個參考節點測出N個參考節點信號的強度，得到一個N維向量事先測出區域中每個位置的特征向量將目標測出的特征向量和事先測量值比對，找出位置缺點：不能應對動態變化4.2.3時間同步技術網絡時間協議(NTP)RBS機制4.2.4安全技術路徑選擇交換算法特點：能量優先局部拓樸數據中心應用相關4.3.1無線傳感網絡路由協議4.3無線傳感網通迅協議4.3無線低速網絡協議藍牙紅外802.15.4/ZigBee典型的無線低速網絡協議：4.3無線傳感網通迅協議藍牙（Bluetooth）典型無線低速網絡藍牙紅外802.15.4/ZigBee藍牙技術是一種短距離低功耗傳輸協議，最早始于1994年，由瑞典的愛立信公司研發。采用的是調頻技術（frequency-hoppingspreadspectrum），頻段范圍是2.402GHz-2.480GHz。通信速率一般能達到1Mbps左右，新的藍牙標準也支持超過20Mbps的速率。通信半徑從幾米到100米左右不等，常見為幾米左右。藍牙和Wi-Fi區別典型無線低速網絡藍牙紅外802.15.4/ZigBeeWi-Fi的定位目標是為了取代網絡應用中的有線設備，能夠真正的實現從有線到無線的轉變，他可以用來傳送各種文件，視頻，音頻，實現互聯網的各種應用。藍牙主要是為了替換一些個人用戶攜帶設備的有線，如耳機，鍵盤等。這些設備對帶寬的要求相對較少，或者說不是經常使用，比如手機間的傳送小文件，或者說這些設備的資源擁有量（電量，計算資源等等）相對較低。紅外（Infrared)典型無線低速網絡藍牙紅外802.15.4/ZigBee紅外通信技術利用紅外線傳輸數據，比藍牙技術出現更早，是一種較早的無線通信技術。特點紅外通信采用的是875nm左右波長的光波通信，通信距離一般為1米左右。設備體積小、成本低、功耗低、不需要頻率申請等優勢缺點設備之間必須互相可見對障礙物的衍射較差4.4.1802.15.4標準/ZigBee典型無線低速網絡藍牙紅外802.15.4/ZigBee802.15.4/ZigBee是無線傳感網領域最為著名的無線通信協議ZigBee主要定義了網絡層、傳輸層以及之上的應用層的規范802.15.4主要定義了短距離通信的物理層以及鏈路層規范4.4無線傳感網技術標準802.15.4物理層典型無線低速網絡藍牙紅外802.15.4/ZigBee頻段：3個頻段，均為國際電信聯盟電信標準化組定義的用于科研和醫療的開放頻段，包括868.0-868.6MHz，主要為歐洲采用，單信道；902-928MHz，北美采用，10個信道，支持擴展到30；2.4-2.4835GHz世界范圍內通用，16個頻道。傳輸技術：最早為直接擴頻，后來可采用調頻、調相等多種技術。4.4無線傳感網技術標準802.15.4介質訪問控制層典型無線低速網絡藍牙紅外802.15.4/ZigBee介質訪問控制層（MAC）控制和協調節點使用物理層的信道802.15.4采用載波偵聽多路訪問方式(CSMA/CA)，與802.11（Wi-Fi）類似。傳輸之前，先偵聽介質中是否有使用同一信道的載波存在，若不存在說明信道空閑，將直接進入數據傳輸狀態；若系統檢測到存在載波，則在隨機退避一段時間后重新檢測信道，退避的時間長短由具體的協議指定。4.4無線傳感網技術標準CSMA/CA協議典型無線低速網絡藍牙紅外802.15.4/ZigBee4.4無線傳感網技術標準ZigBee網絡層典型無線低速網絡藍牙紅外802.15.4/ZigBee網絡層功能：路由，新節點和路徑的發現，決定一個節點屬于某一個子網絡等。ZigBee網絡層采用距離矢量路由協議（AODV）源節點廣播一個路由請求給它的所有鄰居鄰居節點在收到消息后，再廣播收到的消息給它們的鄰居，如此直到消息到達目的節點。當目的節點收到路由請求消息以后，目的節點返回一個路由回復給源節點。回復不再以廣播方式發送到源節點，而是沿著路由請求數據包從源節點到目的節點的路徑，這樣源節點就可以按照這條路徑發送消息到目的節點了。距離矢量路由協議（AODV）典型無線低速網絡藍牙紅外802.15.4/ZigBeeZigBee網絡層以上典型無線低速網絡藍牙紅外802.15.4/ZigBee網絡層以及上提供了向終端用戶的接口與互聯網類似，在網絡層以上：互聯網模型中需要提供不同類型的傳輸服務（比如TCP協議和UDP協議）在傳輸協議上還需要提供各種基于不同傳輸協議的應用（比如FTP，HTTP等等）。4.4無線傳感網技術標準ZigBee與常用協議比較典型無線低速網絡藍牙紅外802.15.4/ZigBee無線傳感網組網：物理層設計鏈路特點動態性（Dynamic)非對稱性（Asymmetric）：兩個節點之間一個方向鏈路質量好，另一個方向質量非常差。空間關聯性（SpatialCorrelation）：因為位置相近的節點通常有相似的環境。時間關聯性（TemporalCorrelation）物理層設計應當支持802.15.14模塊，如CC2420，同時滿足：低能量消耗低通訊半徑低通信帶寬無線傳感網組網：MAC層設計無線傳感網節點特殊性：節點功能小→計算不能太復雜節點能量少→盡量減少不必要傳輸節點通信范圍小→需要多跳網絡設計節點內存小→不可能保存全部路由表節點工作環境復雜→高適應性協議MAC層：沿用CSMA/CA無線傳感網組網：MAC層設計無線收發模塊占用大部分電量消耗！MAC層設計：如何降低能量消耗？無線收發器件（radiotransceiver）工作時通常處于三種狀態（發送，偵聽，空閑狀態），發送和偵聽狀態為工作狀態，空閑狀態浪