物联网中的无线传感网技术及其应用技术瓶颈分析

1、物联网中的无线传感网技术及其应用技术瓶颈分析 本文档格式为WORD,若不是word文档,则说明不是原文档。 最新最全的 学术论文 期刊文献 年终总结 年终报告 工作总结 个人总结 述职报告 实习报告 单位总结 摘 要：介绍了以传感器为核心的无线传感网在物联网技术中的重要地位及其应用，并对目前物联网中无线传感网络急需解决的技术问题进行了分析和探讨，给出了传感网中的传感器功耗、节点供电、节点寿命和节点失效等问题的相应解决方案。 关键词：物联网；无线传感网；传感器功耗；节点技术 TP391A2095-1302(2011)08-0079-03 物联网(The Internet of Things)也称

2、传感网，是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。其定义是：通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。 1 传感器和物联网 传感器属于物联网的神经末梢，是人类全面感知自然的最核心元件，各类传感器的大规模部署和应用是构成物联网中感知层不可或缺的基本条件。虽然，物联网的产业供应链包括传感器和芯片供应商、应用设备提供商、网络运营及服务提供商、软件与应用开发商和系统集成商。但是，作为“金字塔”

3、的塔座,传感器将会是整个链条需求总量最大和最基础的环节。“传感器是物联网技术的支撑，也是应用的支撑和未来泛在网的支撑，传感器感知了物体的信息，RFID赋予它电子编码，无线传感网到物联网的演变是信息技术发展的阶段表征”。图1所示是物联网系统的层次结构。 传感器是探测和获取外界信息的源头，是物联网发展最根本的基础，也是战略性新兴产业的重要内容，其生产加工逐步融合了半导体加工工艺、微机电加工等技术，应用领域早已渗透到诸如工业生产、智能家居、智能安保、智能家居、智能运输、智能医疗、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的

4、海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 而以传感器为核心的无线传感器网络是一种由独立分布的节点以及网关构成的传感器网络。安放在不同地点的传感器节点不断采集着外界的物理信息(如温度、声音、震动等)，相互独立的节点之间可通过无线网络进行通信。无线传感器网络的每个节点都能够实现采集数据的简单处理，还能接收来自其他节点的数据，并最终将数据发送到网关。工程师可以从网关获取数据，查看历史数据记录或进行分析。 无线传感网技术是物联网涉及的各项技术中最为关键的一项。它主要由传感器、通讯网络和信息处理系统三部分构成，具有实时数据采集、监督、控制等功能。应用该技术，使我们通

5、过网络实时监控各种环境、设施及内部运行机理等成为可能。传感技术与其它的技术不同，它具有实时性、即时性。举个简单的例子，用手机、电脑等设备可以通过网络查询地图、天气等资料，前提是这些资料必须已经存在于你所访问的服务器上。而无线传感网则不同，如果你身处火灾现场，传感技术会通过周围已经布好的传感器，并根据现场实际情况迅速为你制定出一条最佳逃生路线，而这些路线并不是事先准备好的数据。因此，无线传感网技术被美国技术评论评为未来改变世界十大技术之首，并指出信息时代将从“网络就是计算机时代”进入到“网络就是传感器时代”。 2 无线传感网络技术急需解决的技术瓶颈 作为一种针对应用而开发的技术，在项目中选择无线

6、传感器网络必须考虑到实用性。 目前无线传感网络还存在急需解决的几个技术瓶颈。 2.1 传感器的功耗问题 由于传感器节点体积微小，携带电池能量有限，传感器节点可能由于电源能量的原因失效或废弃，因此，电源能量约束是传感器网络应用的障碍。另外，传感器节点数目多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。以上两点使得传感器网络的应用受到了极大的限制。如果说传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽，其次才考虑节约能源的话，传感器网络的首要设计目标就是能源的高效利用。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感

7、器网络面临的首要挑战，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。传感器节点不同部件的能耗是有所差别的，图2给出了节点各部件能耗分布。 图2 节点各部件的能耗分布虽然不同的节点在各自的功率数值上会有所差别，但对于大多数传感器节点而言，能耗分布总的特征是一致的，即：第一，传感器模块和处理器模块的能耗要远小于通信模块的能耗；第二，通信模块在发送数据、接收数据时消耗了大量的能量，而通信模块在休眠模式下的能耗要小的多。针对以上特点，无线传感器网络的节能方法大致可分为从硬件方面着手和软件方面着手两方面。硬件方法主要有提高电池能量的使用效率、降低传感器工作时的能量消耗和提高能量收集技术等；软件上的主要方法

8、是优先考虑无线传感器网络的设计；功率感知路由协议和拓扑管理确保交通负载以节能的方式分布到各个节点上。为了提高传感节点的寿命，必须整合能量收集技术，低功耗传感器网络设计集成和能源意识协议。在不同结构的无线传感网络中应用不同的网络拓扑控制算法，实现跨层优化等等。 2.2 节点供电问题 由于无线传感器节点个数众多、分布区域广且工作环境复杂，大多数情况下，用更换电池的方式来给节点补充能源并不现实，所以除了必须采取种种降低功耗的措施来延长节点的工作寿命之外，还需要探索节点补充能源的方案。电源供给将成为阻碍传感器网络发展及应用的瓶颈之一。 获取环境能源给节点补充能源甚至是永久供电，是传感器网络节点的一种重

9、要的能量来源。目前商业上可行的解决方案主要有太阳能、风能等。另外，振动能、环境温差、潮汐、雨滴动能等新型环境能源也处于研究中，并且已在某些特殊场合得以应用。然而这些能源供给方式往往受到周围环境的限制，因而不能保证连续供电。在实际应用中，这些环境能源往往需要配合使用以互补，并且依赖于利用可充电电池作为储能元件，在能源中断的时候使用。目前商用的电池寿命普遍为25年，而且需要定期更换或维护，也增加了传感器节点的维护成本。 目前有一种尝试获取环境能源的设想，就是搜集环境中的电磁波作为能源。随着信息时代的到来，我们生活的环境中有越来越多的无线通信设备，例如中波/短波/调频广播、电视、手机、Wi-Fi、蓝

10、牙等，并且存在着大量发射杂散辐射干扰的电气设备，如电机、开关电源等。这些电磁波几乎分布在数十至数GHz的所有频段内，而且现有的频谱资源已经十分拥挤，因此环境中存在着无处不在、无时不在的电磁波。通常意义上，频谱上过分拥挤的电磁波是有害的，对于通信设备来说，空间内存在的电磁波属于干扰；对于人体来说，电磁波会影响健康。因此目前有大部分的研究集中在如何减少电磁波辐射(电磁兼容)、如何有效管理和利用十分紧张的频谱资源(各类新型的通信体制)、如何防护电磁波等领域。而这里探讨的是尝试一种新的研究思路：利用这些无处不在的干扰电磁波，为微功耗无线传感器节点提供永久电能。相比现有的各种环境能源，电磁波所携带的能源

11、虽然微弱，但是具有能够提供几乎连续的永久电力的优势，因为在现代的社会环境中，通信、广播设备众多，出现电磁波中断的情况是几乎不可能的。这方面的研究可以作为现有环境能源的一种有效的补充手段，也可以为永久设立的微功耗无线传感器节点提供永久电力。可应用在各类低速率、永久工作的无线传感器节点，例如环境监测、气象参数采集等领域。 2.3 节点寿命问题 目前的无线传感器网络中的节点多采用同样的发射功率，由于其多跳中继通信和多对一的流量特点，使得整网流量分布严重不均。靠近接收站的节点因承担流量过大而可能首先耗尽能量，造成网络分区并破坏网络的连通性，使得网络使用寿命严重下降。这个问题的解决办法是结合传感器网络在

12、环境监测中的应用，并利用环带模型对网络流量进行量化分析，本文提出了基于二分法的功率控制技术以降低网络流量的不均匀度，以便大幅度提高网络的使用寿命。 2.4 节点失效问题 传感器网络实际上就是以数据为中心的自组织网络，但在以前的关于传感器网络生存时间的研究中，通常都是假定周围环境是可靠的，即感知节点只有在能量完全耗尽时才会失效，而并未考虑环境对感知节点的影响。在传感器网络中，由于数据源内的节点均能采集到数据并将数据进行转发，但有可能由于环境对感知节点的影响而导致数据不能正常发送或者误发送，这就是节点失效导致的传感网络错误信息。 针对该问题，可以借鉴容错冗余的概念，引入备份的感知节点，使得某个感知

13、节点的失效并不会影响整个网络的正常工作。现在针对这个问题的研究也取得了一定进展，提出了一个基于备份的分布式算法以延长网络的连续工作时间，仿真结果表明，在节点失效环境下通过合理的控制节点数量，其网络持续工作时间会大大加长。 3 结 语 无线传感器网络的真正诞生是在上世纪70年代，最早被应用于美国军方资助项目。经过近30年的发展，无线传感器网络的应用已转向民用。在1999年和2003年，美国商业周刊和MIT技术评论杂志相继将其评价为21世纪最具影响力的20项技术以及改变世界的10大新技术。世界各国都十分重视这一领域的发展。目前我国的无线传感网络技术还在起步和攻关阶段，相信不久的将来，无线传感网络技

14、术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 参 考 文 献 1李杰.无线传感器网络的功耗问题J.软件学报,2004,15(01):1-4. 2赵泽,黄希,崔莉.无线传感器网络的节点技术D.北京:中国科学院计算计数研究所,2008. 3王竹林,秦会斌.基于RFID无线传感网的智能家庭安防巡逻定位系统的设计J.电子器件,2009,32(04):809-813. 4成继中,彭真.基于IPv6网与ZigBee无线传感网的协议转换网关研究J.科技传播,2010(11):115-117. 5刘磊,汤滟.无线传感网两种中继选择策略的中断概率分析J.现代电子技术,2010,33(21):43-45. 6曹金山,张泽滨.无线传感网络安全改进方案研究J.现代电子技术,2011,34(12):46-48. 阅读相关报告总结文档:焦点 2012年第3期 基于网络处理器的安全网关研究与开发 广州转报同步线路的改造实施及设备维护 软件的黑盒测试方法解析与优化 基于化工园区安监系统的物联网示范平台设计 数字化城市物联网信息平台设计 基于LAMP架设的信息家庭网络系统 自适应控制系统的发展与应用 基于物