无线传感器网络原理及应用第1章 无线传感器网络概述ppt课件.ppt

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1、第1章无线传感器网络概述1.1无线传感器网络的体系结构1.2无线传感器网络的特征1.3无线传感器网络的应用及关键技术1.4主流无线传感器网络仿真平台1.1无线传感器网络的体系结构无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。无线传感器网络由无线传感器、感知对象和观察者三个基本要素构成。无线是指传感器与观察者之间、传感器之间的通信方式，能够在传感器与观察者

2、之间建立通信路径。无线传感器的基本组成包括如下几个单元：电源、传感部件、处理部件、通信部件和软件等。此外，还可以选择其他的功能单元，如定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。图1-1所示为传感节点的物理结构。传感节点一般由传感单元、数据处理单元、定位装置(GPS)、移动装置、能源(电池)及网络通信单元(收发装置)等六大部件组成，其中传感单元负责被监测对象原始数据的采集，采集到的原始数据经过数据处理单元的处理之后，通过无线网络传输到一个数据汇聚中心节点(Sink)，由Sink再通过因特网或卫星传输到用户数

3、据处理中心。图1-1传感节点的物理结构传感器节点的处理器一般选用嵌入式CPU，在存储计算时，由于传感器节点的体积小，必然导致其携带的处理器能力比较弱、存储器容量比较小。随着低功耗电路和系统设计技术以及电路加工工艺的提高，目前已经开发出很多超低功耗微处理器，如Motorola公司的68HCl6，ARM公司的ARM7和Intel公司的8086等，其计算能力得到了大幅度的提高。同时对存储技术的研究也使得Flash存储器等小体积、大容量、低电压操作、多次写、无限次读的非易失存储介质用于传感器节点制造。传感器节点

4、的能量供应一般采用电池，目前使用的大部分电池都是自身存储有限能源的化学电池，并且节点能量在实施部署后很难进行有效的补充。随着光电转换理论的提出，传统的电池被加入了许多新的元素，太阳能电池、微光电池、生物能电池、地热能电池等一系列可以从自然界中汲取能量转换为电能的电池的出现，使得能量的自补充成为可能。从理论上来讲，新型电池能持久供应能量，但由于工程实践中生产这种微型化的电池还有相当的难度以及受到节点部署区域特定地理环境等限制，其效果并不理想，如何进一步缩小其体积是目前研究的重点。为了尽可能地延长整个传感器

5、网络的生命周期，在设计传感器节点时，保证能量供应的持续性是一个重要的设计原则。传感器节点能量消耗的模块主要包括传感器模块、信息处理模块和无线通信模块，而绝大部分的能量消耗集中在无线通信模块上，约占整个传感器节点能量消耗的80%。一旦节点的能量衰竭，该节点即失效。因此，在电池技术没有获得飞跃性的发展之前，人们主要是从研究传感器的网络特性着手，提出了各种用于传感器网络的分簇算法、路由协议等，通过减少节点能量消耗的方式来延长网络生命周期。　　传感器网络往往通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射等方式部署，当部署

6、完成后，如图1-2所示，各节点任意分布在被监测区域内，节点以自组织的形式构成网络。图1-2节点部署图借助于节点内置的、形式多样的感知模块，可测量所在环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分以及移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象。节点的计算模块先对数据进行简单处理，再采用微波、无线、红外和光等多种通信形式，通过多跳中继方式将监测数据传送到汇聚节点。汇聚节点将接收到的数据进行融合及压缩后，最后通过因特网或其他网络通信方式将监测信息传送到

7、管理节点。同样的，用户也可以通过管理节点进行命令的发布，通知传感器节点收集指定区域的监测信息。图1-3给出了一个无线传感器网络的体系结构，图中，网络的部分节点组成了一个与Sink进行通信的数据链路，再由Sink把数据传送到卫星或者因特网，最后通过该链路和Sink进行数据交换并借此使数据到达最终用户手中。图1-3无线传感器网络的体系结构依据传感器网络节点的连接特点，在研究中，一般利用图论的概念将传感器网络抽象成一种单位圆平面图(Unit-DiskGraph)，即假设传感节点具有相同的有效传输半径R，则认为

8、彼此处于传输半径范围内(半径为R的平面圆内)的节点之间存在一条单位长度的无向边。按照源节点的分布情况，传感器网络模型可分为事件半径模型和随机源节点模型两种。图1-4与图1-5分别给出了传感器网络的事件半径模型和随机源节点模型。　　在图1-4所示的事件半径模型中，星形符号表示要监测的事件，在以该事件为圆心、半径为R的圆内的所有非Sink节点的传感节点被选择为数据源。而在图1-5所示的随机源节点模型中，随机选择K个非Sink节点的传感节点作为