无线传感器网络研究与应用

1、Wireless Sensor Network无线传感器网络研究与应用无线传感器网络研究与应用目录目录1 1、无线传感器网络概述、无线传感器网络概述2 2、国内外研究现状、国内外研究现状3 3、应用领域、应用领域4 4、研究热点、研究热点5 5、典型应用、典型应用6 6、总结、总结7 7、相关研究工作、相关研究工作1 1、无线传感器网络概述、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：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：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：第三代传感器

2、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：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。普通节点和普通节点和SinkSink节点节点：完成数据采集和多跳中继传输。网关节点网关节点G G：完成无线和有线信号转换，实现CERNET2的接入。监控中心监控中心CCCC：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节点硬件资源有限能量效率要求高能量效率要求高无中心无中心自组织自组织多跳路由多跳路由动态拓扑动态拓扑节点数量众多，分布密集节点数量众多，分布密集无线

3、传感器网络的特点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无线传感器网络节点2. 2. 国内外研究现状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 美国军方美国军方：C4KISR计划、计划、Smart Sensor Web、灵巧传感、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、器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统网状传感器系统CEC 等。等。 Intel公司公司：2002年基于微型传感器网络的新型计算发展年基于微型传感器网络的新型计算发展规划。规划。 美国美国

4、NSF：2003年制定了传感器网络研究计划。年制定了传感器网络研究计划。 美国美国Dust Networks和和Crossbow Technologies等公司等公司： “智能尘埃、智能尘埃、Mote”已进入应用测试。已进入应用测试。 英国、日本、意大利英国、日本、意大利等国：开展该领域的研究工作。等国：开展该领域的研究工作。 我国我国也开展了这一领域的研究工作：无线传感器结点的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。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

5、的课题。2.1 产品之一：智能尘埃产品之一：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智能尘埃Smart Dust智能尘埃智能尘埃Smart Dust：大小比较2.2 产品之二：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基于基于Mote无线传感器网络硬件平台无线传感器网络硬件平台=传感器板：传感器板： 气体传感器气体传感器 温度传感器温度传感器 湿度传感

6、器湿度传感器Mote： 微处理器微处理器 RF传输和接受设备传输和接受设备 电池和太阳能供电电池和太阳能供电传感器节点传感器节点基站基站网关：网关： 把接收数据传输给其把接收数据传输给其它媒介如：手机、它媒介如：手机、Internet、卫星等、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 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：医疗： 无线监测人体生理数据无线监测人体生理数据 医院药品管理医院药品管理 老年人健康状况监控老年人健康状况监控 远程医疗远程医疗空

7、间探索：空间探索： 星球表面大范围、长时期、近距离的监测和探索。星球表面大范围、长时期、近距离的监测和探索。 选定着陆场地选定着陆场地 其他应用：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偏僻野外地区 交通流量监控交通流量监控 智能化房屋智能化房屋 结构健康监测结构健康监测 机械设备状态监测机械设备状态监测4 4、研究热点问题、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

8、,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项目开发了具有光通信能力的传感器）( (1)通信协议-数据链路层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：C

9、SMA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，节能网络层协议网络层协议 b)b)集群路由协议集群路由协议：划分为簇，分簇首和簇成员，簇首：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，维护负责信息的搜集、融合、数

10、据转发，便于管理，维护开销大开销大 LEACHLEACH，随机循环选择簇首，将能量负载平均分配，随机循环选择簇首，将能量负载平均分配到每个到每个WSNWSN节点中节点中 TEEN, PEGASISTEEN, PEGASIS等基于等基于LEACHLEACH的成簇方法的成簇方法(2)(2)传感器网络管理传感器网络管理 能量管理能量管理 数据传送是能耗最大的部分数据传送是能耗最大的部分 休眠休眠/ /唤醒唤醒 采用发送功率低的采用发送功率低的RFRF 控制节点对能量的使用，在各层上都可使用，如操作系统，控制节点对能量的使用，在各层上都可使用，如操作系统，物理层，链路层，路由协议等物理层，链路层，路由

11、协议等动态功率管理动态功率管理DPM，将节点分为，将节点分为5种工作状态，由操作系统负种工作状态，由操作系统负责切换责切换动态电压调度动态电压调度DVS，根据负载状态调整供电电压，根据负载状态调整供电电压(2)(2)传感器网络管理传感器网络管理-安全管理安全管理安全问题包括：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

12、成监测黑洞，无法完成正常监测工作。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采用扩频通信、传感器节点接入认证/ / 鉴权、数据水印和数鉴权、数据水印和数据加密等技术提高网络的安全性。据加密等技术提高网络的安全性。(3)(3)传感器网络数据管理传感器网络数据管理 数据查询管理数据查询管理COUGARCOUGAR系统能测试感知数据查询技术性能，提出了在传感器网络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可扩展算法，并探索了把传感器网络上计算聚集函数的容错和可扩展算法，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

13、用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集函数的方法，并研制了

14、一个感知数据库系统TinyDBTinyDB。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。信机制对聚集计算的性能有很大的影响。(4)应用支撑服务应用支撑服务 时间同步时间同步传感器网络中的通信协议和应用，比如基于传感器网络中的通信协议和应用，比如基于TDMA TDMA 的的MAC MAC 协议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和敏感时间的监测任务等，要求节点间的时钟必

15、须保持同步。步。可以考虑精简可以考虑精简NTPNTP协议的实现复杂度，将其移植到传感器网络协议的实现复杂度，将其移植到传感器网络中来。中来。 节点定位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，采用定位方法为：利用少量已知位置节点（参考节点，采用GPS GPS 定位或者预先放置的节点），来获得其它节点的位置信息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：提出的算

16、法有：NiculescuNiculescu，BulusuBulusu等等5、典型应用、典型应用案例案例1 Senera1 Senera的桥梁安全监控系统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，传感器能夠放置在桥墩底部、受到水流的冲刷，传感器能夠放置在桥墩底部、用以感测桥墩结构；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、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，能減少湿度、震动幅度、桥

17、墩被侵蚀程度等，能減少断桥所造成生命财产的损失。断桥所造成生命财产的损失。案例案例2 英国石化油轮应用英国石化油轮应用 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 CommendationOctober 2005BP 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

18、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. Energy Harvestabnormalnormal案例案例3 中国电力中国电力

19、高压传输线应用高压传输线应用 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案例4 高尔夫球场应用高尔夫球场应用 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放置点 节点节点6 总结总结 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器节点协作地实时感知、监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