无线传感器网络
郝洁
南京航空航天大学 办公室：计算机学院104 电子邮件: haojie@
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课程目标
通过本课程的学习，了解无线传感器网络的关键 技术、现状及前景。 课程将讲授无线传感器网络典型应用、体系结构、
组网、软件、支撑技术的基本原理、关键技术、
设计方案及其应用。通过本课程的学习，要求学 生理解无线传感器网络中的主要问题和核心技术， 结合实验课程学习无线传感网应用开发为以后的 学习和工作打下基础。
• 学术界、产业界对“物联网”尚未形成一个统一的定义 • 物联网(IoT, Internet of Things)指的是将各种信息传感设 备,如射频识别(RFID)装置、传感器等种种装置与互联网、 移动通信网结合起来而形成的一个巨大“物—物”互联网 络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起,方便识 别和管理 • 物联网感知物理世界! – 强调的是“感”和“知”两个层面
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无线自组网
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IEEE将无线自组网定义为一种特殊的自组织、 对等式、多跳、无线移动网络（MANET）， 它是在无线分组网的基础上发展起来的 无线自组网有多个英文名称，如Ad hoc network 、Self-organizing network、 Infrastructureless network 与Multi-hop network 1991年5月，IEEE正式采用“Ad hoc网络”术语 Ad hoc在英语中的含义是“for the specific purpose only”，即“专门为某个特定目的、即 兴的、事先未准备的”意思
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WSN在地震监测中的应用
地震预警
台湾（ Taiwan Railway System ）） 墨西哥（ Seismic Alarm System 土耳其 (Istanbul Earthquake Rapid
地震预警系统
Response and Early Warning System) 1991年8月投入使用， 2005年发明了一种新型
– 学术研究：
• 国际会议
• 中国期刊网
– ACM SIGCOMM, Mobicom, Mobihoc – IEEE INFOCOM、ICNP、Sensys, SECON, MASS，IPSN、ICC、 GLOBECOM、ICCCN， WCNC、VTC – 通信学报、电子学报、软件学报、计算机学报等
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无线传感器网络
无线网络： 有基础设施网（无线分组网） 无基础设施网 ad hoc网络 WSN 无线网络的发展历程： 无线分组网 -> 无线自组网 ->无线传感器网络
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无线分组网
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分组无线网是一种利用无线信道进行分组交换的 通信网络，即网络中传送的信息要以“分组”或者 称“信包”为基本单元。 分组是由若干比特组成的信息段。通常包含“包 头”和“正文”两部分。 包头中含有该分组的源地址、宿地址和有关路由 等信息等。正文是真正需要传送的信息。 适用特点：分组无线网特别适用于实时性要求不 严和短消息比较多的数据通信。 网络结构：星形结构 分布式结构
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病人 医生
智慧医疗意义
• 可以随时掌握自己的健康状况
• 通过电子病历对患者病源的判断进行治一致性治疗，提升诊断的准确性
医疗研究人员
• 通过系统获得大量准确的医疗信息和大量高质量的有效案例，既可以对 大规模的疾病爆发做出准确的预测，更能够推进国家医疗行业的发展
药物供应商
• 实现及时和准确的药品配送而节省大量成本
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WSN在地震监测中的应用
第一章 无线传感器网络综述
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WSN定义
WSN应用和行业现状 WSN国内外标准化 WSN发展趋势
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传感器网络的各种应用
• 无线传感器网络（WSN, Wireless Sensor Network）将大量各种传感器节 点组成网络，形成实现对物理世界感知的综合信息系统。 • 雷达、卫星等：宏观远程侦察； 传感网： 微观近距侦察 • 移动通信网络：人人互联； 传感网： 人与物、物与物互联 • 互联网：虚拟信息空间； 传感网： 现实物理世界 • 物联网：连接； 传感网：感知
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传感器网络的应用-智能楼宇
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传感器网络的应用-商用
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传感器网络的应用-智能交通
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传感器网络的应用-电力输送
• 在电度表上装上传感器，供电部门随时都可知道 用户的用电情况。 • 江西省电网对分布在全省范围内的2万台配电变 压器的运行状态进行实时监测，实现用电检查、 电能质量监测、负荷管理、线损管理、需求侧管 理等高效一体化管理，一年降低电损1.2亿千瓦 时。
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传感器网络的应用-健康
• 远程监控人体的生理数据（心脏速率、血压）
– 采集的数据通过网络送到负责病人的主管医生 – 病人获得极大的行动自由度
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跟踪和监督医院内的病人和医生 医院的药物管理 正确地识别病人的敏感反应避免误诊 老人家庭环境下的护理 (tele-care)
– 随着社会老龄化的加剧而日趋重要
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N1
无线自组网的基本概念
• Ad hoc网络 物理结构与 拓扑结构
N3 N2
N1
N2
N3
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自组织与独立组网 无中心 多跳路由 动态拓扑 无线传输的局限与节点能量的 限制性 • 网络生存时间的限制
N4 N4 N5
N5
(a) Ad hoc的物理结构与拓扑结构
N2 N2 N1 N3 N3 N4 N4 N5 N5 N1
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传感网与物联网的关系(续)
综合信息 服务：集 感知、计 算、传输 为一体 管道： 仅仅只是 带宽的增 加（信息 的传输） 未来“U社 会”与“e 社会”的 根本差别
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应用层
核心网 络
感知层
16 ITU提出：传感网是物联网的底层支撑，IEEE、ISO、IEC 等标准化组织认可
传感网与物联网的关系(续)
能源输送
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传感器网络的应用-桥梁监控
桥梁监控
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WSN在地震监测中的应用
地震预测 • 美国国家地震系统 1.大量、长期、自动化采集数据 北加州地震网络 （ Northern California (Advanced National Seismic System) 分布及未来 Seismic Network，NCSN） • 布设由 2.大范围，低成本，高准确 • 7000个地震传感器系统组成的国家范围网络，为全国提供地震 • 目的： 灾害服务，密集覆盖26个危险城市地区 • 3. 实时性，连续获取地震前兆数据 – NCSN 用来监测所有的信号强度在微弱震动以上的本地
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课程内容
32课时
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第一部分 无线传感器网络综述 第二部分 无线传感器网络体系架构 第三部分 通信和组网技术 第四部分 支撑技术 第五章 通用技术等
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参考文献
• 国际杂志 – 综述性质
• IEEE Communications Magazine – Ad Hoc and Sensor Network Series • IEEE Network Magazine • IEEE Wireless Communications • • • • • • • IEEE/ACM Transactions on networking, Computer networks IEEE Transactions on Wireless Communications IEICE Transactions on Communications (ACM/Springer) Wireless Networks Ad Hoc networks IEEE Transactions on Mobile Computing
sink Network Sensor node Internet/ Satellite sink
Management Center
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定义
• 无线传感器网络（Wireless sensor networks） 是由大量静止／移动的传感器以自组织和 多跳的方式构成无线网络，目的是协作地 探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对 象的监测信息，并报告给用户。 • 传感器技术、计算机技术和通信技术是现 代信息技术的三大基础技术
管理系统
• 高效、高质量的智慧医疗解决现在城乡医疗资源不平衡，和大医院的拥 挤情况，政府付出更少的成本去提高对于医疗行业的监督，提高国民的 生活质量，促进社会和谐发展
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传感器网络的应用-家居
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当前家居环境存在的问题
• 家居能耗过高 • 家庭安防手段落后 • 家用电器使用不便
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海尔“物联之家”
WSN国内外现状 WSN国内外标准化 WSN发展趋势
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1.1 WSN定义
什么是无线传感器网络（WSN, Wireless Sensor Network）？ 你知道的应用有哪些？ 我们为什么需要WSN？
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MICA 2 MOTE
Ref:/Products/Product_p df_files/Wireless_pdf/MICA2_Datasheet.pdf
传感网低成本、高冗余的设计与部署原则为系 统提供较强的容错能力； 传感器对目标的抵近探测大大消除了环境噪声 对感知性能的影响；
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•ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
传感网中多传感器的联合应用与融合决策有利 于提高探测准确度；
多节点协同感知，可以加大实时探测区域；
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传感器网络的应用——环境
• 森林火险监测 • 洪水监测 • 精确农耕 • 大气监测 • 环境的生物复杂性地图
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传感器网络的应用——军事