无线传感器网络技术原理及应用课件第7章.pptxVIP

无线传感器网络技术原理及应用无线传感器网络是一种新兴的网络技术,可以在无线环境下收集和传输各种环境信息,广泛应用于物联网、智慧城市等领域。本章将深入介绍无线传感器网络的技术原理,包括节点设计、网络拓扑、通信协议等,并探讨其在实际应用中的典型案例。byJerryTurnersnull

7.1无线传感器网络概述定义无线传感器网络是由大量微型传感器节点组成的自组织、分布式的无线网络系统。它能够感知、采集和处理各种环境或监测对象的信息。特点无线传感器网络具有节点数量大、布放密集、自组织能力强、能量受限等特点,广泛应用于环境监测、工业自动化等领域。组成无线传感器网络由感知层、网络层和应用层三个部分组成,感知层负责信息采集,网络层负责信息传输,应用层负责信息处理和应用。

7.1.1无线传感器网络的定义无线传感器网络是由大量微小、低功耗、低成本的传感节点组成的自组织、自修复的网络系统。这些传感节点通过无线通信方式收集和传输各类环境或物理信息,再将数据传输到中央处理节点。无线传感器网络应用广泛,可用于环境监测、工业自动化、医疗健康等诸多领域。

无线传感器网络的特点高度自我配置和自我修复能力,能够自动检测和修复网络中的故障节点通常由大量小型、低功耗、低成本的传感节点组成,具有跨领域的广泛应用传感节点采用无线通信,部署灵活方便,可应用于各种复杂环境中

无线传感器网络的组成感知节点：负责数据采集的硬件设备，如温度、湿度、光照等传感器。中继节点：负责中继数据传输、路由选择等功能的设备。汇聚节点：负责集中管理、数据处理和分析的网关设备。

无线传感器网络的体系结构无线传感器网络可以采取三种不同的体系结构:集中式、分布式和混合式。这些架构各有特点,能满足不同应用场景的需求。了解这些架构的特点有助于我们设计出更高效、可靠的传感器网络。

集中式体系结构中心节点控制集中式体系结构以中心节点为核心,负责整个网络的控制和管理,处理来自传感器节点的数据。数据聚合效率高所有节点数据都汇集到中心节点,便于数据整合和分析处理,提高了传输和处理效率。部署简单中心节点负责多数功能,部署时无需对每个节点进行复杂配置,大大降低了部署难度。

分布式体系结构分布式体系结构是无线传感器网络的另一种典型架构。在这种结构中，网络节点彼此独立工作，无需中央控制设备。每个节点既是数据源又是数据中继器，通过多跳方式将数据传输到最终目的地。这种结构具有高度的灵活性和可扩展性，适用于复杂环境下的应用场景。

7.2.3混合式体系结构混合式体系结构是将集中式和分布式体系结构相结合的一种网络架构。它兼顾了两种架构的优点,既可以实现整体调度,又保留了分布式网络的灵活性。在该结构中,部分节点作为集中式的管理节点,负责整体的监控和协调;其他节点则以分布式的方式独立工作,完成各自的任务。这种混合的体系结构能够充分发挥各部分的优势,提高网络的性能和可靠性。同时,它也加强了网络的安全性,降低了单点故障的风险。通过合理设计,混合式体系结构可以实现无线传感器网络的高效管理和控制。

无线传感器网络的通信协议无线传感器网络通信需要多种协议层级协作完成。从物理层到传输层,每一层协议都发挥着重要作用,确保数据传输的可靠性和效率。本节将详细介绍无线传感器网络的各层通信协议。

7.3.1物理层协议频谱分配物理层负责分配无线传感器网络使用的频谱资源,确保不同节点之间的频率互不干扰。调制解调物理层定义了数字信号在无线信道上的调制和解调方式,确保数据能正确传输。信号发射与接收物理层负责无线传感器节点信号的发射和接收,保证信号的完整性和可靠性。

媒体接入控制层协议基于时分多址(TDMA)的MAC协议:通过时间分配的方式避免节点之间的冲突,提高传输效率。基于载波监听多路访问(CSMA/CA)的MAC协议:采用分散的竞争方式,节点监听信道并在空闲时发送数据,提高网络吞吐量。基于调度的MAC协议:由集中控制设备分配时间资源和信道,有利于能量管理和网络协调控制。

7.3.3网络层协议网络层协议是无线传感器网络的骨干,负责端到端的数据传输以及节点间的路径选择。常见的网络层协议包括AODV(AdhocOn-DemandDistanceVector)、DSDV(Destination-SequencedDistance-Vector)以及RPL(IPv6路由协议)等。这些协议设计通常针对传感器节点能量受限、计算资源有限的特点,采用探索式、分布式的路由机制,减少控制开销,提高能效和可靠性。

7.3.4传输层协议传输层协议承担着在无线传感器网络节点之间可靠地传输数据包的任务。常见的传输层协议包括UDP和TCP等,它们提供不同的可靠性保证和开销。无线传感器网络中,由于节点资源受限,通常采用轻量级的传输层协议,如TPDR、ATP、PSFQ等专