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无线传感器网络 马道坤 无线传感器网络美国商业周刊和mit技术评论在预测未来技术发展的报告中 分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一 无线传感器网络 塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业 主要内容 无线传感器网络的概述无线传感器网络在农业领域的应用无线传感器网络的支撑技术无线传感器网络研究设想与进展 无线传感器网络的概述 无线传感器网络由来什么是无线传感器网络无线传感器网络的特点无线传感器网络的应用领域无线传感器网络的研究进展 无线传感器网络由来 无线通信技术革命mems技术革命计算机技术革命 wirelessrevolution bostoncentraltelephonestationat40pearlstreetaftertheblizzardof1881 wirelessrevolution tiregencytr 1 1955 450 today 1sttransistor 1947 sonytr 610 1958 integratedcircuit 1963 1stintegratedcircuit 1958 today 5 micro electro mechanical systems mems 1mm smallsensors 5mm sensoruseselectrochemicalandphotonicpropertiestoperformbioanalysis computerrevolution 0 5oz 2 25x1 25x0 25inch 25lb 19 5x5 5x16inch 14mw 64w 35 6k today 512kbflash 160kbfloppies 128kbram 16 256kbram 4mhz 4 77mhz micazmote 2005 originalibmpc 1981 沙粒行动 巨型机说 我认为全球大概只需要五台计算机就够了 pc机说 每个家庭的桌面上都应该有一台电脑 pocketpc说 太大了 应该每人口袋里放一台 wsn说 每粒沙子都应该是一台计算机 摘录 陈贵海973工作会议报告南京大学2007年6月2日 computerrevolution sensornetwork gateway server internet 2 什么是无线传感器网络 wirelesssensornetwork wsn 由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成 通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统 目的是协作感知 采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息 并发送给观察者 无线传感器网络结构 internet与无线传感器网络如果说internet构成了逻辑上的信息世界 改变了人与人的沟通方式 那么 无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起 改变人类与自然界的交互方式 无线传感器网络节点结构 3 无线传感器网络的特点 大规模网络自组织网络动态性网络可靠的网络与应用相关的网络以数据为中心的网络传感器节点低能耗 低成本 无线传感器网络的优点 与传统的有线信息传输方式相比 可以节约成本20 80 sensorsmagazine2004 无线传感器可以应用在各种危险 恶劣的复杂环境下 实现对各种物理量的监控无线传感器网络中的具有自组织 动态性的特点 网络拓扑结构能够适应变化 动态调节无线传感器网络节点可以跟踪动态目标 具有可移动性 工业通信技术的发展面临的问题 投资和使用成本过高 2001年全球工业用传感器的市场份额是110亿美元 而安装和使用成本 主要是布线成本 超过1000亿美元 4 无线传感器网络的研究进展 军事领域 开始于20世纪90年代末 2001年 美国陆军提出 灵巧传感器网络通讯 计划 2002年5月 美国sandia国家试验室与能源部合作 研究针对地铁和车站的防范生化武器袭击的传感器网络 近期 美国陆军又确立 无人值守地面传感器群 和 战场环境侦察与监视系统 项目 4 无线传感器网络的研究进展 民用领域 1995年 美国交通部提出 国家智能交通系统项目规划 系统采用传感器网络进行交通管理 建立大范围全方位实时高效综合交通运输管理 2002年 intel发布 基于微型传感器网络的新型计算机发展规划 宣称将致力于传感器网络在预防医学 环境监测 森林防火及行星探测等领域 其微型传感器称为尘粒 mote 或智能微尘 smartdust 日本nec公司正在使用该公司研制成功的一个多跳无线传感器网络 用于环境监测 largesttinynetworkyet 800点 4 无线传感器网络研究进展 国内研究状况 中科院上海微系统研究所 沈阳自动化所 软件研究所 计算所 电子所 自动化所等研究机构 哈尔滨工业大学 清华大学 西北工业大学 国防科技大学等院校也正在开展传感器网络的研究国家科技部将无线传感器网络列入重大基础研究973计划 目前已经立项国家发改委在2005年下一代互联网示范工程cngi计划中立项资助多项基于ipv6的无线传感器网络用于工农业和水利设施检测 6 软硬件设计 6 竞争现状 国际竞争激烈 无线传输国际巨头公司 freescale jennic intel等 著名学府 universityofcalifornia berkeley 国内竞争初露端倪大公司介入 中兴 华为等高校研究所 绝大多少一流的与电子学科有关的高校与研究所 清华 北航 北邮 中农大等 自身定位 解决农业与环境应用问题为出发点 逐步构建研究特色 5 无线传感器网络的应用领域 军事应用实现对敌军兵力和装备的监控 战场的实时监视 目标定位 战场评估 核攻击和生物化学攻击的监测与搜索 在海湾战争中 美军就使用到了智能灰尘传感器节点 收集光 声等信息 从而实现快速锁定目标 进行轰炸 5 无线传感器网络的应用领域 险情预报实时监测降雨量 河水水位和土壤水份 预测爆发山洪的可能性 传感器节点随机分布在森林中 实时监测森林环境 进行火灾报告 使相关部门快速了解火源的具体地点 火势大小 5 无线传感器网络的应用领域 环境观测监视城市空气噪声情况 环境状况 地表监测 气象地理研究 还可用于行星探测等 5 无线传感器网络的应用领域 野生动物跟踪利用无线传感器网络跟踪鸟类 小型动物和昆虫进行 种群 迁徙情况的研究 美国加州大学伯克利分校intel实验室和大西洋学院联合在大鸭岛 greatduckisland 部署了一个多层次的传感器网络系统 用来监测岛上海燕的生活习性 5 无线传感器网络的应用领域 医疗护理在医疗系统和健康护理方面 用来监测人体的各种生理数据 跟踪和监控医院内医生和患者的行动 医院的药物管理等 人工视网膜是一项生物医学的应用项目 在ssim smartsensorsandintegratedmicrosystems 计划中 替代视网膜的芯片由100个微型传感器组成 置入人眼 帮助失明患者恢复到一个可以接受的视力水平 建筑物状态监测利用传感器网络监控建筑物的安全状态 让大楼 桥梁和建筑物感觉自身的状况 并将状态信息告诉管理部门 从而进行监控和修复 5 无线传感器网络的应用领域 5 无线传感器网络的应用领域 智能家居在家电和家具中嵌入传感器节点 通过无线网络与internet连接在一起 实现远程监控 远程遥控 为人们提供更舒适 方便和人性化的智能家居环境 农业领域农业领域是无线传感器网络应用的一个重要方面 无线传感器网络在农业中的应用 研究案例一 无线传感器网络在环境监测中的应用 来源 intel网站应用案例 intel公司在美国俄勒冈州葡萄园试验基地 系统描述 在葡萄园各处安装上可以自动组网且能耗很低的个智能尘粒 mote 每个智能尘粒每隔1分钟记录并存储一次当前温度 并记录下一天每个小时的最高和最低温度 向中心计算机汇总温度的变化情况 研究案例一 无线传感器网络在环境监测中的应用 应用效果 利用无线传感器网络还可以监测土壤含水量 太阳光强度 湿度等信息 使葡萄园主可以实时监控园内各处信息 实现施肥灌溉管理 合理安排收获进度 避免霜冻等灾害 提高葡萄产量和品质 研究案例二 无线传感器网络在温室监控中的应用 来源 raulmorais a valente andc ser dio awirelesssensornetworkforsmartirrigationandenvironmentalmonitoring apositionarticle efita wcca2005 系统描述 无线传感器网络由安装在温室测量土壤湿度的太阳能无线通信数据采集节点组成 也可用来测量温度 太阳光强度 相对湿度等气象参数 采集节点将采集的数据传送给基站 完成数据的存储和分析 并进行实时控制 无线网络节点通信协议采用了tdma和csma的组合 研究案例二 无线传感器网络在温室监控中的应用 安装在温室内的数据采集节点 模拟信号输入 16路无线收发器频率 433 92mhz覆盖范围 150米主供电 太阳能板 备用供电 600mahnicd电池 研究案例二 无线传感器网络在温室监控中的应用 网络结构示意图 研究案例三 无线技术在精细农业数据获取中的应用 来源 jean pierrechanet danielboffety g raldineandr wirelesstechnologiesforfielddataacquisition efita wcca2005 系统描述 将蓝牙 wifi无线通信技术应用在精细农业空间信息获取过程中 装用gps的农业机械通过wifi无线通信 替代繁杂交错的各种连接线缆 实时将采集的位置数据 属性数据传送给农场数据管理中心 也可在作业结束后 通过蓝牙方式将作业数据传给pda 操作简单灵活 减少了作业量 改善了作业环境 研究案例三 无线技术在精细农业数据获取中的应用 安装有sat trace设备的施肥机 农场数据管理中心的数据接收固定天线 数据接收的流动天线 研究案例三 无线技术在精细农业数据获取中的应用 研究案例四 rfid在动物识别跟踪监测中的应用 来源 rfid世界网应用案例 rfid牲畜跟踪系统 系统描述 rfid标签被用于识别追踪肉类 奶牛和奶羊 贵重的饲料和用于特殊试验用的动物 农场管理者可以自动的操作包括喂食 称重 疾病管理和饲养试验等工作流程 跟踪系统以网络为基础 收集记录数据 利用与互联网可靠的连接及监测牲畜流动检测点系统 提供实时追溯跟踪服务 提供动物从饲养到生产所有阶段整个流动过程的记录 研究案例四 rfid在动物识别跟踪监测中的应用 标签的种类 耳标或直接将标签植入到追踪动物的皮下 系统收集记录特殊的数据 如动物的rfid号 读取的时间 然后数据以一定的格式通过网络传送 有关的人员数秒内就可从屏幕上看到结果 研究案例四 rfid在动物识别跟踪监测中的应用 rfid跟踪系统能在动物整个生命周期内 从养殖场到屠宰加工厂 必要时甚至可到最终消费者 实时追溯或跟踪牲畜的移动和活动 无线传感器网络的关键技术 1 无线通信标准 无线个人区域网络 wirelesspersonalareanetwork wpan wpan网络为近距离范围内的设备建立无线连接 把几米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起 使它们可以互相通信设置接入lan或internet 1998年3月 ieee标准化协会正式批准建立ieee802 15工作组 为个人操作空间内相互通信的无线通信设备提供通信标准 2 定位技术 背景 传感器网络中 定位信息是事件位置报告 目标跟踪 地理路由 网络管理等系统功能的前提 所以定位信息是传感器节点不可缺少的部分 gps定位方式 由于能耗大 体积大 成本比较高 需要固定的基础设施 不适用于低成本自组织传感器网络 传感器网络定位方式 将网络节点分为信标节点和未知节点 信标节点少 可以通过gps定位获得精确位置 而未知节点以信标节点为参考点 通过三边测量法 三角测量法等方法计算节点位置 3 时间同步技术 背景 时间同步是传感器网络系统协同工作的基础 传统时间同步技术 如internet采用的网络时间协议 ntp gps 无线测距等技术用来提供网络全局时间同步 但是由于传感器网络的能量 价格 体积等方面约束 使这些技术不适用于传感器网络 传感器网络时间同步技术 目前提出了多个时间同步机制 其中rbs tiny mini sync和tpsn被认为是三个基本的同步机制 4 数据管理技术 无线传感器网络可看作一种分布式数据库 以数据库方式进行数据管理 但传统的分布式数据库的数据管理技术不适用于传感器网络 美国加州大学伯克利分校的tinydb系统和cornell大学的cougar系统是目前具有代表性的传感器网络数据管理系统 5 网络安全技术 无线传感器网络最基本的安全机制 机密性 点到点的消息认证 完整性鉴别 认证广播和安全管理 6 软硬件设计 微型化硬件 节点在体积上足够小 对目标系统本身特性不会造成影响软件 模块要尽量精简 没有冗余代码扩展性和灵活性硬件 节点定义统一和完整的外部接口 易于添加新的硬件部件