无线传感器网络
概述
引言
用于国防军事，国家安全 环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐赈灾通信方式：
1.有线 2.无线 3.红外 4.光 短距离的无线低功率通信技术从技术特征看
是无中心结点的全分布系统： 1.探测感知模块 2.数据处理模块 3.通信模块传感器网络体系结构
无线网络的分类
1.有基础设施网 2.无基础设施网 a.移动 Ad Hoc 网络 ->终端是快速移动的 b.无线传感器网络 ->结点是静止的或者是移动很慢的无线传感器网络的定义
是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线传感器网络 目的 协作地探测处理传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息 报告给农户基础技术
传感器技术 ————> 感官 ->数据采集 计算机技术 ————> 大脑 ->数据处理 通信技术 ————> 神经 ->数据传输三个基本要素
传感器 感知对象 用户基本功能
协作式的感知、采集、处理和发布感知信息传感器网络节点的功能模块
1.传感模块 :传感器— 》数模转换 -->负责探测目标的物理特征和现象 2.计算模块 -->负责处理数据和系统管理 3.通信模块 ->负责网络管理信息和所感知信息的发送和接收 4.存储模块 : 负责存放数据和程序 5.电源模块 : 结点供电 6.嵌入式软件系统: 支撑结点传感器网络的协议分层
1.物理层 负责载波频率的产生、信号调制、解调 2.数据链路层 负责媒体接入和差错控制 3.网络层 负责路由发现与维护 4.传输层 负责数据流的传输控制 5.应用层 负责任务调度、数据分发等具体业务传感器网络特色
跨层设计技术 1.能量分配 : 尽量延长网络的可用时间 2.移动管理 : 对结点进行检测和注册 3.应用优化 : 根据应用需求优化调度任务传感器网络的结构
传感器网络 1.基站 2.大量节点组成 传感器网络分为 1.平面结构: 规模小 简单 地位平等 健壮性好 2.分级结构: 规模大
与现有无线网络的区别
1.自组网（ Ad Hoc Network ） 2.传感器网络设计目标：电能的高效利用排在首位 3.无线网络设计目标：高服务质量和高效带宽利用，节约能源次之 与现场总线的区别: 现场总线是应用在生产现场和微机化测量控制设备之间、实现双向串行多结点通 信系统。 不考虑节约电源问题。传感器结点的限制条件
电源能量 通信能力 计算和存储能力组网特点
自组织性 以数据为中心 应用相关性 动态性 网络规模宏大 可靠性思考题
图示说明无线传感器网络的系统架构。P5
传感器网络结点的使用限制因素有那些？
受到体积、价格、电源供给、通信距离等因素的限制
传感器网络的体系结构包括哪些部分？各部分的功能是什么？
网络通信协议
1.物理层、数据层、网络层、传输层、应用层
2.把低能量消耗、低速率传输、低成本为重点目标，旨在为个人或家庭范围
内不同设备之间低速互连提供统一标准，由物理层、数据链路层、网络
层、传输层和应用层组成
网络管理平台
1.拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理
2.主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理。包括拓扑控
制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等
网络支撑平台
1.时间同步、定位、应用服务接口、网络管理接口
2.建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。包括一系列基于监测任
务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各
种具体应用的支持。
微型传感器的基本知识
传感器的组成
能够把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号的器件或装置
传感器的类型介绍
能量控制型传感器 电感式传感器 电容式传感器 电阻式传感器 被测非电量转换成电参量，在工作时 不能起换能作用，需外部供给辅助电源使其工作，又称无源传感器 能力转换型传感器 压电式传感器 磁电式传感器 热电偶传感器 感受外接机械量变化后，输出电压、电流或电荷量 光敏传感器 感应光线强弱的传感器 色敏传感器 图像传感器 气、湿敏传感器 将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器 用于可燃气体的探测或报警 集成与智能传感器 将敏感元件、测量电路、各种补偿原件集成在一块芯片上具有体积小、重量 轻、功能强和性能好的特点传感器的一般特性
灵敏度 响应特性 线性范围 稳定性 重复性 漂移 精度 分辨率（力） 迟滞思考题
智能传感器具有哪些特点？ 具有自动调零和自动校准功能 具有判断和信息处理功能，对测量值进行各种修正和误差补偿 实现多参数综合测量 自动诊断故障 具有数字通信接口，便于与计算机联机传感器网络的通信和组网技术
物理层
国际标准化组织（ International Organization for Standardization ， ISO ） 定义 物理层是建立、维护和释放数据链路实体之间的二进制比特传输的物理连接。 提供机械的、电气的、功能的和规程性的特性。 功能 为数据终端设备 (Data Terminal Equipment ， DTE) 提供传送数据的通路。 传输数据。 其他管理工作。MAC协议
时分复用无竞争接入方式 随机竞争接入方式 竞争与固定分配相结合的接入方式路由协议
路径选择 指选择互连网络从源节点向目的节点传输信息的行为，并且信息至少通过一个中 间节点 特点 能量优先 基于局部拓扑信息 以数据为中心 应用相关思考题
无线网络通信系统为什么要进行调制和解调？解制有哪些方法？ 调制的分类方法：移幅键控（ ASK ）、移频键控（ FSK ）、相移键控 （ PSK ）、副载波调制 1. 适应无线信道传输 2. 提高频谱利用效率 3. 抗干扰和抗衰减能力增强 4. 频率复用 5.基带信号通常具有较低的频率成分，不适合在无线信道中进行传输。在通信系统中，需要由一个载波来运载基带信号。 6.调制就是使载波信号的某个参量随基带信号的变化而变化，从而实现基带信号转换成频带信号。在通信系统的接收端对应要有解调过程，其作用是将信道中的频带信号恢复为基带信号。 7.解调的作用：在通信系统的接收端对应要有解调过程，其作用是将信道中的频带信号恢复为基带信号。 在设计传感器网络的物理层是需要着重考虑哪些问题？ 编码调制技术、通信速率、通信频段 设计基于竞争的MAC协议的基本思想是什么？ P53 当结点需要发送数据是，通过竞争方式使用无线信道，如果发送的数据产生 了碰撞，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。 试写（画）出CSMA/CA的基本访问机制，并说明随机退避时间的计算方法。 P55
随机退避时间的计算方法：
退避时间＝
Random()×aSlottime
Random(
）是在竞争窗口
[0
，
CW]
内均匀分布的伪随机整数；
CW
是整数随机
数，它的数值位于标准规定的
aCWmin
和
aCWmax
之间；
aSlottime
是一个时
槽时间包括启动时间、介质传播时延、检测信道的响应时间等
通常有哪些原因导致传感器网络产生无效能耗？
空闲侦听、数据冲突、串扰、控制开销
传感器网络的支撑技术
时间同步机制 定位技术 无线传感器网络定位问题的含义是指自组织的网络通过特定方法提供节点的位置信息。分类方法
1.物理位置 目标在特定坐标系下的位置数值，表示目标的相对或者绝对位置 2.符号位置 目标与一个基站或者多个基站接近程度的信息，表示目标与基站之间的连 通关系，提供目标大致的所在范围数据融合
定义 1.是多信源、多层次的处理过程，每个层次代表信息的不同抽象程度 2.过程包括数据的检测、关联、估计与合并 3.数据融合的输出包括低层次上的状态身份估计和高层次上的总战术态势的评估 作用 提高信息的准确性和全面性。 降低信息的不确定性。 提高系统的可靠性。 增加系统的实时性。 方法 (1) 综合平均法 (2) 卡尔曼滤波法 (3) 贝叶斯估计法 (4) D-S 证据推理法 (5) 统计决策理论 (6) 模糊逻辑法 (7) 产生式规则法 (8) 神经网络方法 能量管理 安全机制传感器的应用开发基础
思考题
简述传感器网络常用的几种无线通信技术及其特点（1）蓝牙。具有低功耗、快速连接、广泛集成、高兼容性和便利性的特点
（2）紫峰（ZigBee）。低宽带满足多种传感器数据采集需求；低功耗减少维护频率和成本；网络扩展性强。
（3）低秩适应性网络协议（LoRa）。LoRa最显著的优点是长距离传输能力；同样具有低功耗特性；还具有较强的抗干扰能力。
（4）近场通信（NFC）。用于极短距离通信，适用于需要高度安全性的应用场景；NFC可以实现快速配对和数据交换，便捷性好；同样具有低功耗的特性。
（5）Wi-Fi。Wi-Fi提供较高的数据传输速率，适用于带宽较高的场景；Wi-Fi覆盖范围广，易于接入现有的基础设施；Wi-Fi有着较高的功耗。