无线传感器网络研究与应用

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1、Wireless Sensor Network 无线传感器网络研究与应用目录1、无线传感器网络概述 2、国内外研究现状 3、应用领域 4、研究热点 5、典型应用 6、总结 7、相关研究工作1、无线传感器网络概述新兴的第四代传感器网络 第一代传感器网络：20世纪70年代。点对点传输， 具有简单信息获取能力。 第二代传感器网络：获取多种信息的综合能力，采 用串/并接口与传感控制器相联。 第三代传感器网络：20世纪90年代后期。智能传感 器采用现场总线连接传感控制器构成局域网络。 第四代传感器网络：以无线传感器网络为标志，正 处于研究和开发阶段。普通节点和Sink节点：完成数据采集和多跳中继传输。

2、网关节点G：完成无线和有线信号转换，实现CERNET2的接入。 监控中心CC：完成区域数据的综合处理。以自组织形式构成多跳中继的分级结构网络节点硬件资源有限 能量效率要求高 无中心 自组织 多跳路由 动态拓扑 节点数量众多，分布密集无线传感器网络的特点由电源、数据获取单元DAU、数据处理单元DPU、数 据发送和接收单元DSRU构成。无线传感器网络节点2. 国内外研究现状引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注 美国军方：C4KISR计划、Smart Sensor Web、灵巧传感 器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统 、网状传感器系统CEC 等。 Intel公司：2002年

3、基于微型传感器网络的新型计算发展 规划。 美国NSF：2003年制定了传感器网络研究计划。 美国Dust Networks和Crossbow Technologies等公司： “智能尘埃、Mote”已进入应用测试。 英国、日本、意大利等国：开展该领域的研究工作。 我国也开展了这一领域的研究工作：无线传感器结点的 硬件设计、操作系统、网络路由技术、节能技术、覆盖 控制技术等。 正处于研究和开发阶段。是一个从理论到实践都需要大量 研究的课题。2.1 产品之一：智能尘埃Smart Dust 光信号传输 很微小，微米级的包含传感和通信的平台 具有计算能力，双向无线通信能力，自带电源 成本比较低，适合大

4、规模生产和部署 有特定的用途与功能：空间探测远距离交通流量探测建筑物情况监控战场，自然资源监视智能尘埃Smart Dust智能尘埃Smart Dust：大小比较2.2 产品之二： Mote 无线电波传输， 元件齐全，选择性高， 功能较完善Mote基于Mote无线传感器网络硬件平台=传感器板： 气体传感器 温度传感器 湿度传感器 Mote： 微处理器 RF传输和接受设备 电池和太阳能供电传感器节点基站网关： 把接收数据传输给其 它媒介如：手机、 Internet、卫星等3、无线传感器网络应用领域 军事：监控敌方部署、装备、军火情况战场监视定位战场损失评估核、生化武器攻击监测和侦察 环保：森林防火

5、洪水监测污染监控精准农业生物种群研究无线传感器网络应用领域（续）医疗：无线监测人体生理数据医院药品管理老年人健康状况监控远程医疗 空间探索：星球表面大范围、长时期、近距离的监测和探索。选定着陆场地 其他应用：紧急和临时场合应急通信：地震、水灾、强热带风暴灾害地区、边远或 偏僻野外地区交通流量监控智能化房屋结构健康监测机械设备状态监测4、研究热点问题(1)通信协议 物理层协议: 研究传感器网络采用的传输媒体、频段选 择及调制方式。包括：a)无线电传输主流传输方式，一般采用ISM频段（433M,915M)b)红外线传输和光波传输不需调制，接收器电路简单，功耗小（smart dust项目开发了具有光

6、通信能力的传感器 ）(1)通信协议-数据链路层协议a) 拓扑生成平面结构：所有节点处于平等地位，结构简单易维护具有较好的健壮性无管理节点，自组织协同算法复杂典型算法：ASCENT,SPAN等层次结构：以簇的形式存在，有簇首和成员节点簇首管理或控制节点集合（簇）可扩展性好，便于管理，但开销大，硬件成本高典型算法：DNC和RCA：双信道分组机制虚拟簇：需要交互的节点构成虚拟簇b) 信道接入方式固定分配：需要中心调度，SMACS，EAR随机竞争：CSMA及其改进混合类：综合上面两类，S-MAC(1)通信协议-网络层协议主要指路由协议，分平面和集群两种，报头裁减也很重要问题所在：1） 故障频繁，导致网

7、络拓扑变化2） 传输距离有限3） 大规模组网4） 能量约束a)平面路由协议：点地位平等，简单易扩展，缺乏管理 SPIN，以数据为中心的自适应路由协议，通过协商机制解决路由信息爆炸和资源浪费问题 DD，根据数据内容来优化路径，节能网络层协议b)集群路由协议：划分为簇，分簇首和簇成员，簇首负 责信息的搜集、融合、数据转发，便于管理，维护开 销大 LEACH，随机循环选择簇首，将能量负载平均分配 到每个WSN节点中 TEEN, PEGASIS等基于LEACH的成簇方法(2)传感器网络管理 能量管理数据传送是能耗最大的部分休眠/唤醒采用发送功率低的RF控制节点对能量的使用，在各层上都可使用，如操作系统

8、， 物理层，链路层，路由协议等 动态功率管理DPM，将节点分为5种工作状态，由操作系统负 责切换 动态电压调度DVS，根据负载状态调整供电电压(2)传感器网络管理-安全管理安全问题包括： 传统的无线电电磁干扰方式；对路由机制进行攻击；侵入节 点发送误警数据，侵入节点致使网络的某些节点和某些网 段互发大量的无用数据，使能量很快耗尽，传感器网络分 立，形成监测黑洞，无法完成正常监测工作。 采用扩频通信、传感器节点接入认证/ 鉴权、数据水印和数 据加密等技术提高网络的安全性。(3)传感器网络数据管理 数据查询管理 COUGAR系统能测试感知数据查询技术性能，提出了在传感器网络 上计算聚集函数的容错和

9、可扩展算法，并探索了把传感器网络 表示为数据库的思想，探讨了如何把分布式查询处理技术应用 于感知数据查询的处理. 加州大学伯克利分校研究了传感器网络的数据查询技术，提出了 实现可动态调整的连续查询的处理方法和管理传感器网络上多 查询的方法，应用数据库技术实现了传感器网络上的数据聚集 函数，提出了在低能源、分布式无线传感器网络环境下实现聚 集函数的方法，并研制了一个感知数据库系统TinyDB。 南加州大学研究了传感器网络上的聚集函数的计算方法，提出了 节省能源的计算聚集的树构造算法，并通过实验证明了无线通 信机制对聚集计算的性能有很大的影响。(4)应用支撑服务 时间同步 传感器网络中的通信协议和

10、应用，比如基于TDMA 的MAC 协议 和敏感时间的监测任务等，要求节点间的时钟必须保持同 步。 可以考虑精简NTP协议的实现复杂度，将其移植到传感器网络 中来。 节点定位 节点所采集到的数据必须结合其在测量坐标系内的位置信息 要解决的问题是以最小的通信开销和硬件代价实现节点定位 定位方法为：利用少量已知位置节点（参考节点，采用GPS 定位或者预先放置的节点），来获得其它节点的位置信息 提出的算法有：Niculescu，Bulusu等5、典型应用案例1 Senera的桥梁安全监控系统Senera的系统，用于监测桥梁、高架桥、高速公 路等道路环境。对许多老旧的桥梁，桥墩长期 受到水流的冲刷，传感

11、器能夠放置在桥墩底部 、用以感测桥墩结构；也可放置在桥梁两侧或底部，搜集桥梁的温度 、湿度、震动幅度、桥墩被侵蚀程度等，能減 少断桥所造成生命财产的损失。案例2 英国石化油轮应用 监测油轮发动机及旋转设备 系统能够运行在苛刻的环境下 长期高效采集有效数据 免去人工检查的繁琐工程 减少停工期和维护次数 减少有线监控的高额成本BP Helios Commendation October 2005 BP International Ltd船只机械监控的预测与维护系统 2004年，BP开始接触一种名为尘埃 （Mote）的无线网络技术。这个2 x 2 英寸大小的装置包括一个处理器、一 块永久非易失的储存

12、器、一个无线通 讯模块和一个能与传感器相连的I/O板 。 此项BP的计划是建立一套预测维护系 统用来监视如马达、泵之类具有强烈 震动的机器。这些机器被放置于Loch Ronnach油船的引擎室内。通过振动 信息来监测系统的工作状态，当磨损 或撕裂现象出现时则通过无线通信发 送警告。 监测系统 Monitoring Engine in Ship Work in Harsh Environment Long time Collection IMote2 local FFT signal processing MDA440 max 104k high speed sample rate. Energ

13、y Harvest abnormalnormal案例3 中国电力 高压传输线应用 监测大跨距输电线路 实时监控电线的应力、温度和振动 节点固定在高压输电线上 基站位于高压输电塔 所有无线设备不受恶劣天气影响 电池电量维持节点连续工作一年以上案例4 高尔夫球场应用 监测草皮土壤的温度、湿度和 盐度 自动控制地下曝气处理系统调 节草根的水分、通风情况以及 养料供给 节点埋在草皮土壤下4英寸至8 英寸深 每个节点之间的距离大约是 100至400米 每30分钟采集并传输一次数据节点放置点 节点6 总结 所谓无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量廉价小型或微 型的各类集成化传感器节点协作地实时感知、监

14、测各种环境或目 标对象信息，通过嵌入式系统对信息进行智能处理，并通过随机 自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户 终端，从而真正实现“无处不在的计算”理念。 无线传感网络综合了传感技术、嵌入式计算技术、现代网络技术 、无线通信技术、分布式智能信息处理技术等。 传感器网络的研究采用系统发展模式，因而必须将现代的先进微 电子技术、微细加工技术、系统芯片SOC设计技术、纳米材料技术 、现代信息通讯技术、计算机网络技术等融合，以实现其小型化 或微型化、集成化、多功能化、系统化、网络化，特别是实现传 感网络特有的超低功耗系统设计。 无线传感网络可以在长期无人值守的状态下工作，在军事国防、 工农业、城市管理、智能交通、生物医疗、环境监测、抢险救灾 、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值 、巨大的实用价值和广阔的市场前景。6 总结 目前无线传感器网络技术的应用还很不成熟无线传感器网络作为一个全新的研究领域，在基础理论和工程 技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。无线传感器网络作为一个自治系统，涉及到定位及时间同步、 协同信号处理、通信模式及协议、网络容量、能耗、寿命、 任务分配协调控制、自适应性、中间件等诸多问题。谢谢