无线传感器网络

无线传感器网络第1页/共34页设备状态监测与故障诊断系统的设计基于无线传感器网络的设备状态监测技术第2页/共34页状态监测与故障诊断系统功能需求设备状态数据的采集、存储、显示状态数据的统计分析特征值频谱分析精密分析状态预测设备故障诊断智能自助诊断专家会诊案例学习第3页/共34页状态监测与故障诊断系统三层体系结构第4页/共34页状态监测与故障诊断系统现场级现场级系统是直接与企业的运行设备交互的系统其主要功能是负责将运行设备实时运行状态信息收集到系统中来一种是在线的数据采集系统，通过传感器、信号调理系统和数据采集卡，将设备的信号读入系统另一种是将离线的数据，如点检的数据和离线设备采集的数据等，读入系统一个企业级系统中可以存在多个现场级系统，它们也是相互独立的、自行工作的。现场级系统可以是已有的采集系统，也可以是全新开发的采集系统；可以是基于DOS的简单采集系统，也可以是基于Linux的嵌入式系统第5页/共34页状态监测与故障诊断系统企业级系统每个企业级系统都是一个完整的监测和诊断系统，为本企业用户提供基于本地的诊断服务企业级本身具有很强的在线、离线监测和故障诊断能力，它将企业在线或者离线监测得到的数据经过有关信息的提取之后，提交到远程诊断中心，同时也可以向远程诊断中心提交企业的诊断案例企业级系统可以向远程诊断中心提供支持，同时享受远程中心的各种高级服务第6页/共34页状态监测与故障诊断系统远程诊断中心远程诊断中心将各个企业通过互联网连接，实现企业间的互访和资源共享实现远程专家对企业大型设备的交互式诊断以及网上专家会诊，并且远程专家可以随时跟踪监测设备的运行状况，以便第一时间给出诊断和预测远程诊断中心将各企业的诊断数据和诊断方法汇总、抽象，提炼出更普遍适用的诊断方法和诊断规则，形成具有普遍意义的典型故障案例远程诊断中心还将诊断专家的诊断方法和诊断思路精炼、重组，形成中心的智能专家诊断库第7页/共34页状态监测与故障诊断系统发展趋势基于Internet/Intranet的远程访问(Web服务)嵌入式数据采集系统功能可以动态可扩展(组态)新的信号分析与处理方法新的故障诊断方法基于无线传感器网络的系统应用第8页/共34页设备状态监测与故障诊断系统的设计基于无线传感器网络的设备状态监测技术第9页/共34页基于无线传感器网络的状态监测传统监测系统的特点有线连接有源供电存在的主要困难对于移动和旋转设备，应用受限对于分布区域广的监测对象，布线复杂、成本增加、可扩展性差，可维护性差信号长距离传输常会引入噪声干扰，可靠性降低高温、高危等环境中监测节点和线路的维护临时监测节点与监控系统之间的通信。第10页/共34页基于无线传感器网络的状态监测无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）是采用无线通信的方式将大量的传感器节点形成一个多跳的、自组织的监控网络。无线通信传输可靠性高自组织维护方便扩展性好第11页/共34页基于无线传感器网络的状态监测无线通信可以从根本上解决距离、环境、移动、旋转等因素导致的不易或无法布线问题。通信链路良好的冗余性和鲁棒性避免了由于某个单点环节的破坏而造成对整个监控系统的影响，可以有效提高监控系统的灵活性、可靠性和可扩展性。监测节点集传感器、数据采集模块、数据处理单元和数据通信模块于一体。可以通过各节点之间的协同工作形成智能化、集成化的测控网络利用数据融合的方法实现多因素和自主式的动态警示体系。监测节点成本低、体积小，易于安装和维护可以适用于多种复杂的工业环境。第12页/共34页无线传感器网络综述无线传感器网络硬件节点

无线传感器网络软件体系结构及支撑技术无线传感器网络的应用案例第13页/共34页无线传感器网络无线传感器网络(wirelesssensornetwork,WSN)的基本概念WSN与AdHoc的区别WSN特点WSN面临的挑战WSN的关键技术及发展趋势第14页/共34页WSN的基本概念WSN与AdHoc的区别WSN传感器：强调监测与控制的应用对节点的要求低(计算能力、存储能力、供电方式等)组网节点的规模大自组织网络AdHoc(MobileAd-HocNetwork)只强调移动通讯节点成本高节点与节点间形成对等网络第15页/共34页WSN的特点大规模网络自组织网络动态性网络可靠性网络应用相关的网络以数据为中心的网络大规模性包含两个方面：①传感器网络节点分布区域广②在一个区域不大的空间内密集部署大量节点能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。①传感器节点出现故障或失效②无线通信链路带宽变化③传感器节点、感知对象和观察者之间的移动④新节点的加入由于监测区域或环境的限制，不可能人工维护大量的传感器节点，就要求无线传感器具有鲁棒性和容错性。不同的应用背景对无线传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。无线传感器网络是任务型网络。用户使用传感器网络查询事件时，关心的事件本身，而不是节点。第16页/共34页WSN的关键技术无线传感器网络涉及多学科交叉的研究领域，主要的关键技术有：无线通信技术嵌入式操作系统网络拓扑控制网络协议数据融合数据管理网络安全时间同步定位技术第17页/共34页WSN硬件节点设计准则和趋势超低功耗、微型化、低成本等节点体系结构图第18页/共34页WSN现有节点对比第19页/共34页WSN软件体系结构及支撑技术无线传感器网络体系结构如下图所示物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制网络层负责路由生成和路由选择传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件第20页/共34页WSN体系结构-物理层物理层的功能：为数据终端设备(dataterminalequipment,DTE)提供传送数据的通路。传输数据:物理层要形成适合数据传输的实体，用来提供数据传送业务完成一定的管理工作，例如信道评估、能量检测、收发器管理、物理层属性管理等工作。物理层主要技术介质及频段选择调制技术扩频技术第21页/共34页WSN体系结构-物理层需要解决的问题能量问题能耗能量来源

成本问题集成化问题数字化问题协议简单化问题(1)WSN节点收发机的工作能耗远远大于待机能耗，如何减小工作能耗是WSN物理层设计需要解决的主要问题之一。(2)收发机工作电流取决与符号率，而不取决于数据传输速率。WSN物理层能耗的优化面临着降低符号率和提高数据传输速率的矛盾。(1)如何根据WSN的工作特点选择合适的电池是一个研究重点。(2)研究从周围环境取得能量并将其转换成电能引起广泛关注。例如振动和应变形式的光能、热能和机械能，以及太阳能等。如何将WSN节点中的传感器模块、处理模块、通信模块和电源模块进行有效集成，降低节点成本，是WSN的研究的重点问题。数字电路使用印刷电路板，体积较小，成本较低，是节点高度集成必须考虑的问题。实现低成本要求采用简单的调制、解调和扩频算法，尽量降低所设计的协议、算法的复杂度，从而降低对硬件的要求。第22页/共34页WSN体系结构-物理层研究现状介质和频段选择调制和扩频机制休眠机制挑战与机遇信号传播质量保障机制节能机制小型化、低成本、低功耗节点的SOC实现及节能为目标的硬件管理策略第23页/共34页WSN体系结构-数据链路层数据链路层最重要的任务是对相邻节点之间的通信进行管理，形成高效、可靠的数据传输。主要任务包括:组帧将用户数据构成分组(Packet)或帧(Frame)。差错控制用于改进链路传输的可靠性，其关键问题是协调不断增长的可靠性要求与信道差错率之间的关系。流量控制链路管理链路管理机制包括发现、设置并拆除相邻节点间的链路问题。第24页/共34页WSN体系结构-MAC协议MAC协议的分类：根据无线信道是采用固定分配还是随机访问将MAC协议分为三类采用无线信道的时分复用方式(timedivisionmultipleaccess,TDMA),给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，从而避免节点之间的相互干扰。采用无线信道的随机竞争方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，重点考虑减少节点间的干扰。其他MAC协议，如通过采用频分复用或码分复用等方式，实现节点间无冲突的无线信道的分配。第25页/共34页WSN体系结构-路由协议路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点包括寻找源节点和目的节点间的优化路径、将数据分组沿着优化路径正确的转发两个功能WSN路由协议的特点：能量优先基于局部拓扑信息以数据为中心应用相关WSN路由协议设计要求：能量高效可扩展性鲁棒性快速收敛性第26页/共34页WSN体系结构-定位技术目的：传感器节点自身的正确定位是提供监测事件位置信息的前提，同时也为基于地理位置信息的路由协议提供信息支持。传感器网络定位算法的特点：自组织性健壮性能量高效分布式计算第27页/共34页WSN体系结构-定位技术基本计算方法：三边测量法三角测量法极大似然估计法定位算法分类：基于距离的定位算法和距离无关的定位算法递增式的定位算法和并发式的定位算法基于信标节点的定位算法和无信标节点的定位算法第28页/共34页WSN体系结构-数据融合问题的提出在收集信息的过程中采用各个节点单独传送数据到汇聚节点的方法，不仅浪费通信带宽和能量，而且降低信息收集的效率。数据融合将多份数据或信息进行处理，组合出更有效、更符合用户需求的数据的过程。数据融合的作用节省能量获得更准确的信息提高数据收集效率第29页/共34页WSN体系结构-数据融合数据融合的分类根据融合前后数据的信息含量划分无损失融合有损失融合根据数据融合与应用层数据语义之间的关系划分依赖于应用的数据融合独立于应用的数据融合结合以上两种技术的数据融合根据数据融合操作的级别划分数据级融合特征融合决策级融合第30页/共34页WSN体系结构-操作系统无线传感器网络操作系统的划分基于AVR架构的研究倾向于普适计算的小型化方向,重点是支持无线网络传感器的具有多跳网络通信功能的微型操作系统及其整体解决方案的研究;例如UCLA的MedusaMK22和UCBerkeley的TinyOS基于StrongARM架构的研究则倾向于普适计算的中型实用化方向,该平台更接近于现有的PC架构,能够得到当前主要操作系统(如Linux,WindowsCE)和应用软件的支持,因而研究重点是软件功能的完善。例如RockwellWINS,MIT的μAMPS第31页