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內(nèi)容提要 WSN研究歷史什么是WSN特點WSN特點WSN研究方向WSN關鍵技術WSN應用 計算設備的演化歷史 發(fā)展歷程 一 二十世紀70年代 冷戰(zhàn)時期的聲音監(jiān)測系統(tǒng) SoundSurveillanceSystem SOSUS 空中預警與控制系統(tǒng) AirborneWarningandControlSystem AWACS 1980年 DARPA的分布式傳感器網(wǎng)絡項目 DistributedSensorNetworks DSN 1994年 加州大學洛杉磯分校的WilliamJ Kaiser向DARPA提交建議書 LowPowerWirelessIntegratedMicrosensors 里程碑 二十世紀80年代至90年代之間 美國海軍研制的協(xié)同交戰(zhàn)能力系統(tǒng) CooperativeEngagementCapability CEC 用于反潛的確定性分布系統(tǒng) FixedDistributedSystem FDS 和高級配置系統(tǒng) AdvancedDeploymentSystem ADS 以及遠程戰(zhàn)場傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng) RemoteBattlefieldSensorSystem REMBASS 和戰(zhàn)術遠程傳感器系統(tǒng) TacticalRemoteSensorSystem 等無人看管地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡系統(tǒng) 發(fā)展歷程 二 1998年 Gregory J Pottie闡釋了WSN的科學意義 DARPA巨資啟動了SensIT項目 目標是實現(xiàn) 超視距 戰(zhàn)場監(jiān)測 1999年9月 商業(yè)周刊將其列位21世紀最重要的21項技術之一 橡樹嶺國家實驗室 OakRidgeNationalLaboratory ORNL 提出了 網(wǎng)絡就是傳感器 NetworkisSensor 的論斷 2001年1月 MIT技術評論 將WSN列于十種改變未來世界新興技術之首 2003年8月 商業(yè)周刊 預測 WSN和其他三項信息技術將會在不遠的將來掀起新的產(chǎn)業(yè)浪潮 2004年 IEEESpectrum 雜志發(fā)表一期專集 傳感器的國度 論述WSN的發(fā)展和可能的廣泛應用 我們國家未來20年預見技術的調(diào)查報告 信息領域157項技術課題中有7項與傳感器網(wǎng)絡直接相關 2006年初發(fā)布的 國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要 為信息技術確定了三個前沿方向 其中兩個與WSN的研究直接相關 即智能感知技術和自組織網(wǎng)絡技術 什么是傳感器網(wǎng)絡 WSN WirelessSensorNetworks基礎微電子技術 嵌入式計算技術 現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術 分布式信息處理技術 傳感器接近感知對象傳感器僅產(chǎn)生數(shù)據(jù)流傳感器無計算能力無傳感器間通信能力 傳統(tǒng)的感知方法 有線 無線連接 現(xiàn)代感知方法 SensingArea 傳感器網(wǎng)絡覆蓋感知對象區(qū)域每個傳感器完成其臨近感知對象的觀測多傳感器協(xié)同完成感知區(qū)域的大觀測任務使用多跳路由算法向用戶報告觀測結果 Sink Internet或通信衛(wèi)星 Sensornetwork 無線傳感器網(wǎng)絡結構 WSN網(wǎng)絡系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點 匯聚節(jié)點 大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近 能夠通過自組織方式構成網(wǎng)絡 經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點 傳感器網(wǎng)絡的實體 傳感器節(jié)點功能 采集 處理 控制和通信等網(wǎng)絡功能 兼顧節(jié)點和路由器資源受限 存儲 計算 通信 能量Sink節(jié)點功能 連接傳感器網(wǎng)絡與Internet等外部網(wǎng)絡 實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉換 發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務 轉發(fā)收集到的數(shù)據(jù) 特點 連續(xù)供電 功能強 數(shù)量少等 傳感器網(wǎng)絡與adhoc的不同 WSN結點數(shù)量更為龐大多數(shù)節(jié)點為靜止節(jié)點分布更為密集能量約束結點更容易出錯拓撲結構變化頻繁 Adhoc幾十至上百個節(jié)點局域網(wǎng)節(jié)點全移動結構變化 移動 能量可連續(xù)提供點到點通信 傳感器網(wǎng)絡的特點 大規(guī)模網(wǎng)絡 地理區(qū)域大 部署密集提高信噪比 提高監(jiān)測精度 增強容錯性 減少盲區(qū)自組織網(wǎng)絡 不確定性 拓撲結構變化資源受限 計算 存儲 通訊 能量動態(tài)拓撲 節(jié)點故障 通訊故障 移動性 節(jié)點加入可靠網(wǎng)絡 適應環(huán)境條件 魯棒性 容錯性應用相關 沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺以數(shù)據(jù)為中心 感知能力 計算能力 通信能力體積小能耗小由四部分組成 現(xiàn)代微型傳感器 傳感器節(jié)點 傳感器模塊 信息采集 數(shù)據(jù)轉換處理器模塊 控制 數(shù)據(jù)處理 網(wǎng)絡協(xié)議無線通訊模塊 無線通信 交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)能量供應模塊 提供能量 電源能量有限 通信能力有限 計算和存儲能力有限 WSN協(xié)議體系結構 無線傳感器網(wǎng)絡體系結構由分層的網(wǎng)絡通信協(xié)議 傳感器網(wǎng)絡管理以及應用支撐技術3個部分組成 四 傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術 通信能力有限節(jié)點通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米 關鍵之一如何在有限的通信能力條件下 完成探測數(shù)據(jù)的傳輸 無線通信技術是第一項關鍵技術 電源能量有限通常電池供電 工作環(huán)境惡劣 一次部署終生使用 更換電池困難 關鍵之二如何節(jié)省電源 最大化網(wǎng)絡的使用壽命 低功耗設計問題是第二項關鍵技術 計算能力有限節(jié)點體積小 處理器和存儲器性能有限 不允許進行復雜算法的運算 關鍵之三嵌入式操作系統(tǒng)設計是第三項關鍵技術 自組織的動態(tài)網(wǎng)絡傳感器網(wǎng)絡沒有基站節(jié)點失效 新節(jié)點加入 導致網(wǎng)絡拓撲結構的動態(tài)性 需要自動愈合 關鍵之四多跳自組織的網(wǎng)絡路由是第四項關鍵技術 傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡用戶感興趣的是數(shù)據(jù)而不是網(wǎng)絡和傳感器硬件 關鍵之五如何建立以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡 傳感器網(wǎng)絡的第五項關鍵技術是數(shù)據(jù)融合方法 網(wǎng)絡攻擊無處不在傳感器節(jié)點的物理操縱傳感信息的竊聽拒絕服務攻擊私有信息的泄露 關鍵之六安全性是傳感網(wǎng)絡設計的重要問題 如何保護機密數(shù)據(jù)和防御網(wǎng)絡攻擊是第六項關鍵技術 WSN的應用 SensorNetworks BattlefieldMonitoring HabitatMonitoring EarthquakeMonitoring Oceanographiccurrentmonitoring TrafficCongestionDetection TargetTracking Detection IntrusionDetection Videosurveillance 大鴨島海燕監(jiān)測 項目開始時間 2002年參與者 英特爾研究實驗室和加州大學伯克利分校 大鴨島WSN的結構 網(wǎng)絡節(jié)點是 自治 的 mote構成了多跳的網(wǎng)絡 每個網(wǎng)管mote節(jié)點利用外向天線將數(shù)據(jù)轉發(fā)到基站 基站 350英尺外的一臺筆記本計算機對數(shù)據(jù)進行存儲并轉發(fā)到Internet 冰河監(jiān)測 利用WSN監(jiān)測冰河的變化情況 目的在于通過分析冰河環(huán)境的變化來推斷地球氣候的變化 網(wǎng)絡節(jié)點埋在冰床下 深淺不同 冰面上作為簇頭的節(jié)點通過GSM鏈路將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回基站 本項目一個技術難點是如何在水中和冰里提供可靠的無線通信支持 橋梁監(jiān)測 電子牧場 醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)CodeBlue 項目開始時間 2003年參與者 哈佛大學http www eecs harvard edu mdw proj codeblue 火山觀測 項目開始時間 2005年參與者 哈佛大學http www eecs harvard edu mdw proj 智能家居 太空探測 GreenOrbs綠野千傳 項目開始時間 2009年杭州天目山http greenorbs org 超過1000個節(jié)點 300多個 工作在1年以上 礦井監(jiān)測 海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測 項目開始時間 2008年黃海海域100多個節(jié)點 WirelessMultimediaSensorNetworks BodyArea SensorNetworks 是附著在人體身上的一種網(wǎng)絡 由一套小巧可移動 具有通信功能的傳感器和一個身體主站 或稱BAN協(xié)調(diào)器 組成 每一傳感器既可佩戴在身上 也可植入體內(nèi) 協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡的管理器 也是BAN和外部網(wǎng)絡 如3G WiMAX Wi Fi等 之間的網(wǎng)關 使數(shù)據(jù)能夠得以安全地傳送和交換 Vehicularadhocnetworks 車載自組網(wǎng)分為2部分 車與車 V2V 車與設施 V2I vehicletoinfrastructure 水下WSN 常用網(wǎng)址 國外TINYOS網(wǎng)站相關用tinyos的應用