第七章：传感器网络

无线传感网的概念、组成

概念

WSN（无线传感网络）由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成的，并通过无线通信形式形成的一个多跳的自组织的网络系统
多跳是指数据传输可能需要中间节点的转发
自组织是指传感器节点能自动形成有序的网络系统

组成

无线传感网络由无线传感节点、汇聚节点、管理节点三部分组成
image.png

无线传感器节点

  • 通常是微型嵌入式系统
  • 起到了信息收集、处理、传递、存储、融合、转发等作用
  • 结构：
    image.png
  • 组成（重点）：
    传感模块，处理模块，无线通信模块，能量供应模块
    1. 传感器模块：负责监测区域内信息的采集和模数转换。
    2. 处理器模块：负责控制整个传感器结点的操作，对数据进行存储和处理。是计算核心和控制中心。
    3. 无线通信模块：负责与其他传感器结点进行无线通信，交换数据。包括无线信号的收发、共享媒介的访问控制和无线传感器网络中数据传递的路由选择。
    4. 电源模块：提供能量。

汇聚节点

  • 功能较为强大的嵌入式基站
  • 主要负责收集、汇聚数据
  • 经由网关提交给管理节点
  • 汇聚节点和网关通常集成在一个物理设备中

管理节点

  • 是一台计算机或者功能强大的嵌入式处理设备
  • 配置和管理网络
  • 发布监测任务
  • 收集监测数据

WSN与物联网、互联网的关系

物联网就是将WSN与和联网、移动通信网络融合在一起，使WSN能够借助这两种传统的网络传递信息，从而利用传感信息实现应用的创新。WSN与互联网的异构性决定了WSN无缝接入互联网的难度。

WSN的路由协议分类

路由协议负责在源节点和目的节点之间寻找一条优化路径，并沿该路径正确转发数据。

以数据为中心的路由协议

  • 对相同属性数据进行融合，典型协议有基于信息协商的传感器协议（SPIN）和定向扩散协议（DD）
  • SPIN会通过协商，只广播其他节点没有的数据
  • DD会通过汇聚节点发送的“兴趣”数据包，建立梯度场传送数据

簇（集群）结构路由协议

  • 将传感器节点按照特定规则划分为多个集群（簇），每个簇由一个簇头和多个簇成员组成，形成簇树。
  • 簇头的作用：
    1. 负责管理簇内节点
    2. 负责簇内节点信息的收集和融合，并完成簇间数据的转发。
  • 使用的路由算法有LEACH、PEGASIS、TEEN、APTEEN、TTDD
  • LEACH算法：“最早提出的分层路由算法”、定义了“轮”的概念、簇头结点的选择

基于地理位置信息的路由协议

  • 假设节点知道自身、目的节点或目的区域的地理位置，并利用这些地理位置信息进行路由选择，将数据转发至目的节点
  • GAF、GPSR、GEAR

基于服务质量的路由协议

  • 在建立路由的同时，还考虑节点的剩余电量、每个数据包的优先级、估计端到端延时，从而选择出尽力满足网络服务质量要求的最适合路径
  • SAR、SPEED

Zigbee技术的特点和性能指标

Zigbee技术简介

  • ZigBee联盟制定，基于IEEE 802.15.4标准（个域网标准），在IEEE 802.15.4标准增加了网络层和应用层的框架，成为无线传感网络的主要组网技术之一。
  • ZigBee适合由电池供电的无线通信场合，ZigBee无线设备工作在公共频段上（全球2.4GHz，美国915MHz，欧洲868MHz），传输速率为20 ~ 250kbit/s，传输距离为10 ~ 75m。

Zigbee技术特点

  • 省电：
    节点大部分时间处于睡眠状态，当需要发送数据时，Zigbee可以在15毫秒内由睡眠状态进入工作状态
  • 廉价
  • 可靠：Mac层就有确认机制
  • 时延短：
    15毫秒由睡眠状态进入工作状态；蓝牙需要3～10s、WiFi 需要3 s
  • 网络容量大： 254个子节点，全网最多65000节点
  • 安全保障：AES - 128加密算法

WSN的核心支撑技术

包括拓扑控制、时间同步和数据融合三大技术

拓扑控制

指通过某种机制自适应地将节点组织成特定的网络拓扑形式，以达到均衡节点能耗、优化数据传输的目的。

功率控制算法

发射功率决定了节点的通信距离
利用多跳方式尽可能地降低节点的发射功率
是一种跨层技术

层次拓扑结构控制算法

层次拓扑控制就是利用分簇思想，依据一定的算法，将网络中的传感器节点划分为两类：簇头节点和簇内节点。
根据簇头产生的方式的不同，分簇算法又可以分为分布式和集中式两种。

时间同步

无线传感器网络的传输时延

发送时间
访问时间
传播时间
接收时间

时间同步的分类

排序
相对同步
绝对同步

WSN的时间同步协议

RBS——参考广播时钟同步
TPSN——传感网络时间同步
DMTS——延迟测量时间同步
LTS——轻量级时间同步
FTSP——泛洪时间同步协议

数据融合

数据融合是指将多份数据或信息进行处理，组合出更有效、更符合用户需求的数据的过程

数据融合的作用（重点）

  • 节省能量：数据融合对冗余数据进行网内处理，降低数据传输能耗
  • 获得更准确的信息：通过监测同一对象的多个传感器所采集的数据进行综合，来有效地提高信息的精度和可信度。
  • 提高数据收集效率：减少了需要传输的数据量，减轻网络的传输拥塞，降低数据的传输延迟。也可以减少数据分组个数，减少传输中的冲突碰撞现象，提高无线信道的利用率。

数据融合的种类和方法

  1. 种类
分类方法 分类结果
根据融合前后信息量的变化 有损融合和无损融合
根据数据来源 局部融合和全局融合
根据融合的操作级别 数据级、特征级融合和决策级融合
  • 数据级融合，在节点处进行，不依赖用户需求；
  • 特征级融合，在基站处进行；
  • 决策级融合，在基站处进行，专门针对应用需求。
    数据融合可以在协议栈的各个层次进行
  1. 数据融合的方法
    贝叶斯方法
    神经网络法
    D-S证据理论