WirelessSensorNetwork無線傳感器網絡研究與應用

目錄1、無線傳感器網絡概述

2、國內外研究現狀

3、應用領域

4、研究熱點

5、典型應用

6、總結

7、相關研究工作1、無線傳感器網絡概述新興的第四代傳感器網絡第一代傳感器網絡：20世紀70年代。點對點傳輸，具有簡單信息獲取能力。第二代傳感器網絡：獲取多種信息的綜合能力，采用串/并接口與傳感控制器相聯。第三代傳感器網絡：20世紀90年代后期。智能傳感器采用現場總線連接傳感控制器構成局域網絡。第四代傳感器網絡：以無線傳感器網絡為標志，正處于研究和開發階段。普通節點和Sink節點：完成數據采集和多跳中繼傳輸。

網關節點G：完成無線和有線信號轉換，實現CERNET2的接入。

監控中心CC：完成區域數據的綜合處理。

以自組織形式構成多跳中繼的分級結構網絡節點硬件資源有限

能量效率要求高

無中心

自組織

多跳路由

動態拓撲

節點數量眾多，分布密集

無線傳感器網絡的特點由電源、數據獲取單元DAU、數據處理單元DPU、數據發送和接收單元DSRU構成。

無線傳感器網絡節點2.國內外研究現狀引起了世界各國軍事部門、工業界和學術界的極大關注美國軍方：C4KISR計劃、SmartSensorWeb、靈巧傳感器網絡通信、無人值守地面傳感器群、傳感器組網系統、網狀傳感器系統CEC等。Intel公司：2002年基于微型傳感器網絡的新型計算發展規劃。美國NSF：2003年制定了傳感器網絡研究計劃。美國DustNetworks和CrossbowTechnologies等公司：“智能塵埃、Mote”已進入應用測試。英國、日本、意大利等國：開展該領域的研究工作。我國也開展了這一領域的研究工作：無線傳感器結點的硬件設計、操作系統、網絡路由技術、節能技術、覆蓋控制技術等。正處于研究和開發階段。是一個從理論到實踐都需要大量研究的課題。2.1產品之一：智能塵埃SmartDust?光信號傳輸?很微小，微米級的包含傳感和通信的平臺?具有計算能力，雙向無線通信能力，自帶電源?成本比較低，適合大規模生產和部署?有特定的用途與功能：空間探測遠距離交通流量探測建筑物情況監控戰場，自然資源監視智能塵埃SmartDust智能塵埃SmartDust：大小比較2.2產品之二：Mote無線電波傳輸，

元件齊全，選擇性高，

功能較完善Mote基于Mote無線傳感器網絡硬件平臺=傳感器板：氣體傳感器溫度傳感器濕度傳感器Mote：

微處理器RF傳輸和接受設備電池和太陽能供電傳感器節點基站網關：把接收數據傳輸給其它媒介如：手機、Internet、衛星等3、無線傳感器網絡應用領域軍事：監控敵方部署、裝備、軍火情況戰場監視定位戰場損失評估核、生化武器攻擊監測和偵察環保：森林防火洪水監測污染監控精準農業生物種群研究無線傳感器網絡應用領域（續）醫療：無線監測人體生理數據醫院藥品管理老年人健康狀況監控遠程醫療空間探索：星球表面大范圍、長時期、近距離的監測和探索。選定著陸場地其他應用：緊急和臨時場合應急通信：地震、水災、強熱帶風暴災害地區、邊遠或偏僻野外地區交通流量監控智能化房屋結構健康監測機械設備狀態監測4、研究熱點問題(1)通信協議物理層協議:

研究傳感器網絡采用的傳輸媒體、頻段選擇及調制方式。包括：a)無線電傳輸主流傳輸方式，一般采用ISM頻段（433M,915M)

b)紅外線傳輸和光波傳輸不需調制，接收器電路簡單，功耗小（smartdust項目開發了具有光通信能力的傳感器）(1)通信協議--數據鏈路層協議

a)拓撲生成

平面結構：所有節點處于平等地位，結構簡單易維護

具有較好的健壯性

無管理節點，自組織協同算法復雜

典型算法：ASCENT,SPAN等

層次結構：以簇的形式存在，有簇首和成員節點

簇首管理或控制節點集合（簇）

可擴展性好，便于管理，但開銷大，硬件成本高

典型算法：DNC和RCA：雙信道分組機制

虛擬簇：需要交互的節點構成虛擬簇

b)信道接入方式固定分配：需要中心調度，SMACS，EAR隨機競爭：CSMA及其改進混合類：綜合上面兩類，S-MAC(1)通信協議--網絡層協議主要指路由協議，分平面和集群兩種，報頭裁減也很重要

問題所在：1）故障頻繁，導致網絡拓撲變化2）傳輸距離有限3）大規模組網4）能量約束

a)平面路由協議：點地位平等，簡單易擴展，缺乏管理?SPIN，以數據為中心的自適應路由協議，通過協商機制解決路由信息爆炸和資源浪費問題?DD，根據數據內容來優化路徑，節能網絡層協議

b)集群路由協議：劃分為簇，分簇首和簇成員，簇首負責信息的搜集、融合、數據轉發，便于管理，維護開銷大?LEACH，隨機循環選擇簇首，將能量負載平均分配到每個WSN節點中

?TEEN,PEGASIS等基于LEACH的成簇方法(2)傳感器網絡管理能量管理數據傳送是能耗最大的部分休眠/喚醒采用發送功率低的RF

控制節點對能量的使用，在各層上都可使用，如操作系統，物理層，鏈路層，路由協議等動態功率管理DPM，將節點分為5種工作狀態，由操作系統負責切換動態電壓調度DVS，根據負載狀態調整供電電壓(2)傳感器網絡管理----安全管理安全問題包括：傳統的無線電電磁干擾方式；對路由機制進行攻擊；侵入節點發送誤警數據，侵入節點致使網絡的某些節點和某些網段互發大量的無用數據，使能量很快耗盡，傳感器網絡分立，形成監測黑洞，無法完成正常監測工作。采用擴頻通信、傳感器節點接入認證/鑒權、數據水印和數據加密等技術提高網絡的安全性。(3)傳感器網絡數據管理數據查詢管理COUGAR系統能測試感知數據查詢技術性能，提出了在傳感器網絡上計算聚集函數的容錯和可擴展算法，并探索了把傳感器網絡表示為數據庫的思想，探討了如何把分布式查詢處理技術應用于感知數據查詢的處理.加州大學伯克利分校研究了傳感器網絡的數據查詢技術，提出了實現可動態調整的連續查詢的處理方法和管理傳感器網絡上多查詢的方法，應用數據庫技術實現了傳感器網絡上的數據聚集函數，提出了在低能源、分布式無線傳感器網絡環境下實現聚集函數的方法，并研制了一個感知數據庫系統TinyDB。南加州大學研究了傳感器網絡上的聚集函數的計算方法，提出了節省能源的計算聚集的樹構造算法，并通過實驗證明了無線通信機制對聚集計算的性能有很大的影響。(4)應用支撐服務時間同步傳感器網絡中的通信協議和應用，比如基于TDMA的MAC協議和敏感時間的監測任務等，要求節點間的時鐘必須保持同步。可以考慮精簡NTP協議的實現復雜度，將其移植到傳感器網絡中來。節點定位節點所采集到的數據必須結合其在測量坐標系內的位置信息要解決的問題是以最小的通信開銷和硬件代價實現節點定位定位方法為：利用少量已知位置節點（參考節點，采用GPS定位或者預先放置的節點），來獲得其它節點的位置信息提出的算法有：Niculescu，Bulusu等5、典型應用案例1Senera的橋梁安全監控系統

Senera的系統，用于監測橋梁、高架橋、高速公路等道路環境。對許多老舊的橋梁，橋墩長期受到水流的沖刷，傳感器能夠放置在橋墩底部、用以感測橋墩結構；也可放置在橋梁兩側或底部，搜集橋梁的溫度、濕度、震動幅度、橋墩被侵蝕程度等，能減少斷橋所造成生命財產的損失。案例2英國石化－油輪應用監測油輪發動機及旋轉設備系統能夠運行在苛刻的環境下長期高效采集有效數據免去人工檢查的繁瑣工程減少停工期和維護次數減少有線監控的高額成本BPHeliosCommendationOctober2005BPInternationalLtd船只機械監控的預測與維護系統

2004年，BP開始接觸一種名為‘塵埃’（Mote）的無線網絡技術。這個2x2英寸大小的裝置包括一個處理器、一塊永久非易失的儲存器、一個無線通訊模塊和一個能與傳感器相連的I/O板。此項BP的計劃是建立一套預測維護系統用來監視如馬達、泵之類具有強烈震動的機器。這些機器被放置于LochRonnach油船的引擎室內。通過振動信息來監測系統的工作狀態，當磨損或撕裂現象出現時則通過無線通信發送警告。監測系統MonitoringEngineinShipWorkinHarshEnvironmentLongtimeCollectionIMote2localFFTsignalprocessingMDA440

max104khighspeedsamplerate.EnergyHarvest

abnormalnormal案例3中國電力－高壓傳輸線應用監測大跨距輸電線路實時監控電線的應力、溫度和振動節點固定在高壓輸電線上基站位于高壓輸電塔所有無線設備不受惡劣天氣影響電池電量維持節點連續工作一年以上案例4高爾夫球場應用監測草皮土壤的溫度、濕度和鹽度自動控制地下曝氣處理系統調節草根的水分、通風情況以及養料供給節點埋在草皮土壤下4英寸至8英寸深每個節點之間的距離大約是100至400米每30分鐘采集并傳輸一次數據節點放置點節點6總結所謂無線傳感器網絡就是由部署在監測區域內大量廉價小型或微型的各類集成化傳感器節點協作地實時感知、監測各種環境或目標對象信息，通過嵌入式系統對信息進行智能處理，并通過隨機自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將所感知的信息傳送到用戶終端，從而真正實現“無處不在的計算”理念。無線傳感網絡綜合了傳感技術、嵌入式計算技術、現代網絡技術、無線通信技術、分布式智能信息處理技術等。傳感器網絡的研究采用系統發展模式，因而必須將現代的先進微電子技術、微細加工技術、系統芯片SOC設計技術、納米材料技術、現代信息通訊技術、計算機網絡技術等融合，以實現其小型化或微型化、集成化、多功能化、系統化、網絡化，特別是實現傳感網絡特有的超低功耗系統設計。無線傳感網絡可以在長期無