无线传感网络 刘念

传感与状态感知技术无线传感网络目录CONTENTS01020304无线传感器概念无线传感器发展无线传感器特点无线传感器网络结构01无线传感器网络概念1、无线传感网络概念无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSN)，由部署在监测区域内的大量传感器以自组织和多跳的方式构成的，以协作方式感知、采集、传输和处理网络覆盖区域内监测对象信息的无线网络。无线传感器网络是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。WSN的发展得益于微机电系统(Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS)、片上系统(SystemonChip,SoC)、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展。WSN广泛应用于军事、智能交通、环境监控、医疗卫生等多个领域。02无线传感器网络发展2、无线传感器网络发展传感器网络的发展历程分为以下三个阶段：传感器→无线传感器→无线传感器网络（大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络）第一阶段:最早可以追溯至越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，“胡志明小道”是胡志明部队向南方游击队输送物资的秘密通道，美军对其进行了狂轰滥炸，但效果不大。后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。

第二阶段:二十世纪80年代至90年代之间。主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。第三阶段:21世纪开始至今，也就是9·11事件之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。除了应用于反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室－－橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。由于无线传感网在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，2003年美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一。在现代意义上的无线传感网研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。在2006年我国发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》中，为信息技术确定了三个前沿方向，其中有两项就与传感器网络直接相关，这就是智能感知和自组网技术。当然，传感器网络的发展也是符合计算设备的演化规律。03无线传感器网络特点3、无线传感器网络特点1、大规模为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在面积较小的空间内，密集部署了大量的传感器节点。传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。2、自组织在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方，传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，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。在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。3、动态性传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。03无线传感器网络特点3、无线传感器网络特点4、可靠性WSN特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，节点可能工作在露天环境中，遭受日晒、风吹、雨淋，甚至遭到人或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。无线传感器网络由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。5、以数据为中心互联网是先有计算机终端系统，然后再互联成为网络，终端系统可以脱离网络独立存在。在互联网中，网络设备用网络中惟一的IP地址标识，资源定位和信息传输依赖于终端、路由器、服务器等网络设备的IP地址。如果想访问互联网中的资源，首先要知道存放资源的服务器IP地址。可以说现有的互联网是一个以地址为中心的网络。传感器网络是任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网络中的节点采用节点编号标识，节点编号是否需要全网惟一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。事实上，在目标移动的过程中，必然是由不同的节点提供目标的位置消息。04无线传感器网络结构4、无线传感器网络结构无线传感器网络主要由三个部分组成：节点、网关和软件。空间分布的测量节点通过与传感器连接对周围环境进行监控。监测到的数据无线发送至网关，网关可以与有线系统相连接，这样就能使用软件对数据进行采集、加工、分析和显示。路由器是一种特别的测量节点，你可以使用它在WSN中延长距离以及增加可靠性。WSN架构你可以使用NIWSN平台灵活的创建简单而独立的无线监控网络，也可以创建一个集成了有线和无线测量的完整测试系统，而且只需要用LabVIEW开发环境就可以访问所有的NI平台。基本的WSN架构对于大多数的WSN应用来说，你只需要创建一个基本的网络架构，在这个架构中，分布式测量节点从周围的环境中获得数据，然后将测量结果发送至网关，在WSN应用中，你可以创建一个网络架构，在这个架构中，分布式测量节点收集数据并将结果发送至网关。04无线传感器网络结构4、无线传感器网络结构你可以将WSN以太网关连接至基于Windows的控制器或者LabVIEW实时控制器，如图所示。基于Windows的控制器可以是PC，也可以是嵌入式PC，需要安装基于Windows操作系统的LabVIEW软件。也就是说，你可以轻松地为任何基于Windows的系统添加无线数据记录功能。如果连接至LabVIEW实时控制器，比如NICompactRIO或其它可编程自动化控制器（PAC），则可以把无线测量放置在有线测量或控制应用旁边。在主控制器上运行LabVIEW软件就可以对来自传感器网络的测量数据进行采集、加工、分析和显示。你可以将WSN以太网关连接至基于Windows的控制器或者LabVIEW实时控制器。NILabVIEWforWindowsNILabVIEWReal-TimeNIWirelessSensorNetwork04无线传感器网络结构4、无线传感器网络结构改进你的WSN架构NI平台可以帮助你进一步定制和增强WSN架构。因为以太网连接的灵活性，你可以为你的WSN系统添加其它的设备和功能，无论是像数据库和服务器这样的企业级设备，还是有线I/O接口、控制系统和第三方WSN产品。LabVIEW实时模块允许网关进行嵌入式数据记录和开放式通信，同时，LabVIEWWSN模块允许节点定制和节点层的本地决策。集成LabVIEW可以帮助你增强无线测试系统的功能。LabVIEW不仅有常用的高级处理以及可视化功能，而且它的Web服务可以将你的测量数据发布到Web服务器上，比如集成在NI9792上的Web服务器，这样，几乎在任何地方都可以方便地远程访问你的WSN。在这个完整的系统架构中，你可以先使用NIWSN快速而轻松地获取数据，处理之后将其发布到服务器上，然后就能使用像iPhone或笔记本电脑这样的无线智能设备方便地远程访问这些数据。NIWSN具有硬件定制和软件改进选项。04无线传感器网络结构4、无线传感器网络结构WSNEndNodeWSNEndNodeWSNEndNodeLabVIEWWSNEmbeddedIntelligenceLocalDecisionMaking04无线传感器网络结构4、无线传感器网络结构网关在NIWSN系统中，网关就相当于一个网络协调员，负责管理节点认证，消息缓冲，以及在IEEE802.15.4无线网络和有线以太网络之间建立桥梁，在以太网络中，你可以使用各种NI软件对测量数据进行采集、加工、分析和显示。你可以在WSN中使用多个网关，并通过软件设置每个网关在不同的无线通道中进行通信。你可以连接8个WSN终端节点（在星形拓扑中）或者多达36个WSN节点（在网状拓扑中）至WSN网关。你可以为NIWSN选择两种网关。可编程网关LabVIEW实时目标533MHz处理器2GB板载存储能力集成Web服务器2.4GHz，IEEE802.15.4标准的无线电，可与NIWSN测量节点进行通信NI9792由LabVIEW实时控制器和WSN网关组成，是实现嵌入式无线数据记录的理想产品。NI9792具有双以太网端口，使其可与企业级设备，有线I/O接口，控制系统或者第三方产品进行通信。这个高性能工业级控制器具有533MHz的处理器，2GB的板载存储能力和2.4GHz的IEEE802.15.4无线电，可与多达36个分布式NIWSN测量节点（在网状拓扑中）进行通信。集成的Web服务器可以让你在WSN系统中对数据进行远程访问。以太网关2.4GHz，IEEE802.15.4标准的无线电，可与NIWSN测量节点进行通信可通过以太网连接至Windows或LabVIEW实时主控制器-30℃到70℃的操作温度范围9到30V外部电源供电NIWSN-9791以太网关是一个传递设备，不提供板载存储功能和编程功能。以太网关的2.4GHz、IEEE802.15.4标准的无线电能够收集源自传感器网络的测量数据，10/100Mbits/s的以太网端口可灵活连接Windows或LabVIEW实时主控制器。04无线传感器网络结构4、无线传感器网络结构测量节点NIWSN测量节点的特点是传感器的直接连接性，通信的可靠性，以及工业*级标准。测量节点由电池供电，4节AA碱性电池可持续工作3年，也可以将其与NI户外外壳结合使用，从而进行长期的户外部署。你可以使用WSN设备的LabVIEW驱动来添加第三方WSN网关和节点至你的测量系统。每个节点都提供可编程和不可编程两种型号。对于可编程节点，可以使用LabVIEWWSN模块的图形化编程环境定制节点的行为。查看本文关于软件的介绍以了解更多LabVIEWWSN的功能。NIWSN-3202模拟输入测量节点4节AA碱性电池供电长达3年的电池寿命4路模拟输入通道可选输入范围：±10，±5，±2，±0.5V传感器电源输出，20mA时高达12VNIWSN-3202测量节点作为一款无线设备，提供4路±10V模拟输入通道和4路双向数字通道，你可以单独将各路数字通道按需要配置为输入、漏极输出或源极输出。18针螺丝端子连接器可与传感器直接连接，设备提供的12V、20mA电源输出可以直接驱动需要外部电源供电的传感器。直接使用4节1.5V、AA碱性电池为该测量节点供电，4节电池的电量可持续工作3年，也可采用9V至30V的外部电源（需单独采购）供电。NIWSN-3212热电偶测量节点4节AA碱性电池供电长达3年的电池寿命4路电热偶输入通道支持J、K、R、S、T、N、B和E热电偶类型NIWSN-3212测量节点作为一款无线设备，提供4路24位热电偶输入通道和4路双向数字通道。你可以单独将各路数字通道按需要配置为输入、漏极输出或源极输出。18针螺丝端子连接器可直接连接J、K、R、S、T、N、B和E型热电偶。直接使用4节1.5V、AA碱性一次性电池为该测量节点供电，