无线传感器网络技术及应用剖析.pptVIP

第1章 无线传感器网络基础知识  　　　　　1.1 无线传感器网络的概念与特点1.1.1 无线传感器网络的概念　　无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。2001年1月《MIT技术评论》将无线传感器列于十种改变未来世界新兴技术之首。2003年8月，《商业周刊》预测：无线传感器网络将会在不远的将来掀起新的产业浪潮。2004年《IEEE Spectrum》杂志出版了专集《传感器的国度》，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。我国未来20年预见技术的调查报告中，信息领域157项技术课题有7项与 传感器网络直接相关。2006年年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与无线传感器的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。可以预计，无线传感器网络的研究与应用的进一步发展是一种必然趋势，将会给人类社会带来极大的变革。　　无线传感器网络综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以多跳自组的网络方式传送给观察者。 　　无线传感器网络可以定义为：无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。　　可以看出，传感器、感知对象和观察者是传感器网络的三个基本要素。这三个要素之间通过无线网络建立通信路径，协作地感知、采集、处理、发布感知信息。 1.1.2 无线传感器网络的特点　　目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Ad Hoc网络等，它们在通信方式、动态组网以及多跳通信等方面有许多相似之处，但同时也存在很大的差别。与这些无线网络相比，无线传感器网络具有如下特点：　　(1) 电源能量有限。传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点数目庞大，成本要求低廉，分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何在使用过程中节省能源，最大化网络的生命周期，是传感器网络面临的首要挑战。 　　(2) 通信能量有限。传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器网络更容易受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。因此，如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，是传感器网络面临的挑战之一。　　(3) 传感器节点的计算能力和存储能力有限。传感器节点是一种微型嵌入式设备，其价格低，功耗小，处理器能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。 　　(4) 网络规模大，分布广。传感器网络中的节点分布密集，数量巨大。此外，传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。传感器网络的这一特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，因此传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性，以满足传感器网络的功能要求。 　　(5) 自组织、动态性网络。在传感器网络应用中，传感器节点多通过随机布撒的方式放置，其位置往往不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道。这就要求传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监控数据的多跳无线网络系统。同时，由于部分传感器节点能量耗尽或环境因素造成失效，以及经常有新的节点加入，或是网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，这就要求传感器网络必须具有很强的动态性，以适应网络拓扑结构的动态变化。 　　(6) 无线传感器网络的传感器节点具有数据融合能力，与Mesh网络的区别是数据少、易移动以及注重节点的能源，与无线Ad Hoc网络相比数量多、密度大、易受损、拓扑结构变动频繁。此外，无线传感器网络的传感器节点还具有广播式点对多通信、节点能量及计算能力受限等特点。 　　　　1.2 无线传感器网络的发展1.2.1 无线传感器网络的发展阶段　　无线传感器网络的发展分为以下几个阶段：　　第一阶段：最早可以追溯至20世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”上进行了一场血腥较量，这条道路是