無線傳感器網絡研究與應用

1、Wireless Sensor Network無線傳感器網絡研究與應用,目錄,1、無線傳感器網絡概述2、國內外研究現狀3、應用領域4、研究熱點5、典型應用6、總結7、相關研究工作,1、無線傳感器網絡概述,新興的第四代傳感器網絡第一代傳感器網絡：20世紀70年代。點對點傳輸，具有簡單信息獲取能力。第二代傳感器網絡：獲取多種信息的綜合能力，采用串/并接口與傳感控制器相聯。第三代傳感器網絡：20世紀90年代后期。智能傳感器采

2、用現場總線連接傳感控制器構成局域網絡。第四代傳感器網絡：以無線傳感器網絡為標志，正處于研究和開發(fā)階段。,普通節(jié)點和Sink節(jié)點：完成數據采集和多跳中繼傳輸。網關節(jié)點G：完成無線和有線信號轉換，實現CERNET2的接入。監(jiān)控中心CC：完成區(qū)域數據的綜合處理。,以自組織形式構成多跳中繼的分級結構網絡,節(jié)點硬件資源有限能量效率要求高無中心自組織多跳路由動態(tài)拓撲節(jié)點數量眾多，分布密集,無線傳感器網絡的特點,由電源、數據獲取單元

3、DAU、數據處理單元DPU、數據發(fā)送和接收單元DSRU構成。,無線傳感器網絡節(jié)點,2. 國內外研究現狀,引起了世界各國軍事部門、工業(yè)界和學術界的極大關注美國軍方：C4KISR計劃、Smart Sensor Web、靈巧傳感器網絡通信、無人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸鞲衅鹘M網系統(tǒng)、網狀傳感器系統(tǒng)CEC 等。Intel公司：2002年基于微型傳感器網絡的新型計算發(fā)展規(guī)劃。美國NSF：2003年制定了傳感器網絡研究計劃。美國Dust Netw

4、orks和Crossbow Technologies等公司： “智能塵埃、Mote”已進入應用測試。英國、日本、意大利等國：開展該領域的研究工作。我國也開展了這一領域的研究工作：無線傳感器結點的硬件設計、操作系統(tǒng)、網絡路由技術、節(jié)能技術、覆蓋控制技術等。正處于研究和開發(fā)階段。是一個從理論到實踐都需要大量研究的課題。,2.1 產品之一：智能塵埃Smart Dust,? 光信號傳輸? 很微小，微米級的包含傳感和通信的平臺? 具有計

5、算能力，雙向無線通信能力，自帶電源? 成本比較低，適合大規(guī)模生產和部署? 有特定的用途與功能： 空間探測 遠距離交通流量探測 建筑物情況監(jiān)控 戰(zhàn)場，自然資源監(jiān)視,智能塵埃Smart Dust,智能塵埃Smart Dust：大小比較,2.2 產品之二： Mote,無線電波傳輸， 元件齊全，選擇性高， 功能較完善,Mote,基于Mote無線傳感器網絡硬件平臺

6、,,,,,,,,,=,傳感器板：氣體傳感器溫度傳感器濕度傳感器,,Mote： 微處理器 RF傳輸和接受設備 電池和太陽能供電,,,傳感器節(jié)點,,,基站,網關：把接收數據傳輸給其它媒介如：手機、Internet、衛(wèi)星等,,,,,,,,,,,3、無線傳感器網絡應用領域,軍事： 監(jiān)控敵方部署、裝備、軍火情況 戰(zhàn)場監(jiān)視 定位 戰(zhàn)場損失評估 核、生化武器攻擊監(jiān)測和偵察環(huán)保： 森林防火

7、 洪水監(jiān)測 污染監(jiān)控 精準農業(yè) 生物種群研究,無線傳感器網絡應用領域（續(xù)）,醫(yī)療： 無線監(jiān)測人體生理數據 醫(yī)院藥品管理 老年人健康狀況監(jiān)控 遠程醫(yī)療空間探索： 星球表面大范圍、長時期、近距離的監(jiān)測和探索。 選定著陸場地其他應用： 緊急和臨時場合應急通信：地震、水災、強熱帶風暴災害地區(qū)、邊遠或偏僻野外地區(qū) 交通流量監(jiān)控 智能化房屋 結構健康監(jiān)測

8、 機械設備狀態(tài)監(jiān)測,4、研究熱點問題,(1)通信協(xié)議物理層協(xié)議: 研究傳感器網絡采用的傳輸媒體、頻段選擇及調制方式。 包括： a)無線電傳輸 主流傳輸方式，一般采用ISM頻段（433M,915M) b)紅外線傳輸和光波傳輸 不需調制，接收器電路簡單，功耗小 （smart dust項目開發(fā)了具有光通信能力的傳感器）,(1)通信協(xié)議--數據鏈路層協(xié)議,a) 拓撲生成

9、 平面結構：所有節(jié)點處于平等地位，結構簡單易維護 具有較好的健壯性 無管理節(jié)點，自組織協(xié)同算法復雜 典型算法：ASCENT,SPAN等 層次結構：以簇的形式存在，有簇首和成員節(jié)點 簇首管理或控制節(jié)點集合（簇） 可擴展性好，便于管理，但開銷大，硬件成本高 典型算法：DNC和RCA：雙信道分組

10、機制 虛擬簇：需要交互的節(jié)點構成虛擬簇 b) 信道接入方式 固定分配：需要中心調度，SMACS，EAR 隨機競爭：CSMA及其改進 混合類：綜合上面兩類，S-MAC,(1)通信協(xié)議--網絡層協(xié)議,主要指路由協(xié)議，分平面和集群兩種，報頭裁減也很重要 問題所在： 1） 故障頻繁，導致網絡拓撲變化 2） 傳輸距離有限 3） 大規(guī)模組網 4） 能量約束

11、a)平面路由協(xié)議：點地位平等，簡單易擴展，缺乏管理 ? SPIN，以數據為中心的自適應路由協(xié)議，通過協(xié)商 機制解決路由信息爆炸和資源浪費問題 ? DD，根據數據內容來優(yōu)化路徑，節(jié)能,網絡層協(xié)議,b)集群路由協(xié)議：劃分為簇，分簇首和簇成員，簇首負責信息的搜集、融合、數據轉發(fā)，便于管理，維護開銷大 ? LEACH，隨機循環(huán)選擇簇首，將能量負載平均分配到每個WSN節(jié)點中 ? TEEN, PEGASIS等基于

12、LEACH的成簇方法,(2)傳感器網絡管理,能量管理 數據傳送是能耗最大的部分 休眠/喚醒 采用發(fā)送功率低的RF 控制節(jié)點對能量的使用，在各層上都可使用，如操作系統(tǒng)，物理層，鏈路層，路由協(xié)議等動態(tài)功率管理DPM，將節(jié)點分為5種工作狀態(tài)，由操作系統(tǒng)負責切換動態(tài)電壓調度DVS，根據負載狀態(tài)調整供電電壓,(2)傳感器網絡管理----安全管理,安全問題包括：傳統(tǒng)的無線電電磁干擾方式；對路由機制進行攻擊；侵入節(jié)點發(fā)送

13、誤警數據，侵入節(jié)點致使網絡的某些節(jié)點和某些網段互發(fā)大量的無用數據，使能量很快耗盡，傳感器網絡分立，形成監(jiān)測黑洞，無法完成正常監(jiān)測工作。采用擴頻通信、傳感器節(jié)點接入認證/ 鑒權、數據水印和數據加密等技術提高網絡的安全性。,(3)傳感器網絡數據管理,數據查詢管理COUGAR系統(tǒng)能測試感知數據查詢技術性能，提出了在傳感器網絡上計算聚集函數的容錯和可擴展算法，并探索了把傳感器網絡表示為數據庫的思想，探討了如何把分布式查詢處理技術應用于感知數

14、據查詢的處理.加州大學伯克利分校研究了傳感器網絡的數據查詢技術，提出了實現可動態(tài)調整的連續(xù)查詢的處理方法和管理傳感器網絡上多查詢的方法，應用數據庫技術實現了傳感器網絡上的數據聚集函數，提出了在低能源、分布式無線傳感器網絡環(huán)境下實現聚集函數的方法，并研制了一個感知數據庫系統(tǒng)TinyDB。南加州大學研究了傳感器網絡上的聚集函數的計算方法，提出了節(jié)省能源的計算聚集的樹構造算法，并通過實驗證明了無線通信機制對聚集計算的性能有很大的影響。,(

15、4)應用支撐服務,時間同步傳感器網絡中的通信協(xié)議和應用，比如基于TDMA 的MAC 協(xié)議和敏感時間的監(jiān)測任務等，要求節(jié)點間的時鐘必須保持同步。可以考慮精簡NTP協(xié)議的實現復雜度，將其移植到傳感器網絡中來。節(jié)點定位節(jié)點所采集到的數據必須結合其在測量坐標系內的位置信息要解決的問題是以最小的通信開銷和硬件代價實現節(jié)點定位定位方法為：利用少量已知位置節(jié)點（參考節(jié)點，采用GPS 定位或者預先放置的節(jié)點），來獲得其它節(jié)點的位置信息提出

16、的算法有：Niculescu，Bulusu等,5、典型應用,案例1 Senera的橋梁安全監(jiān)控系統(tǒng) Senera的系統(tǒng)，用于監(jiān)測橋梁、高架橋、高速公路等道路環(huán)境。對許多老舊的橋梁，橋墩長期受到水流的沖刷，傳感器能夠放置在橋墩底部、用以感測橋墩結構； 也可放置在橋梁兩側或底部，搜集橋梁的溫度、濕度、震動幅度、橋墩被侵蝕程度等，能減少斷橋所造成生命財產的損失。,案例2 英國石化－油輪應用,監(jiān)測油輪發(fā)動機及旋轉設備系統(tǒng)能夠運行在苛刻

17、的環(huán)境下長期高效采集有效數據免去人工檢查的繁瑣工程減少停工期和維護次數減少有線監(jiān)控的高額成本,BP Helios CommendationOctober 2005BP International Ltd,船只機械監(jiān)控的預測與維護系統(tǒng),2004年，BP開始接觸一種名為‘塵?！∕ote）的無線網絡技術。這個2 x 2英寸大小的裝置包括一個處理器、一塊永久非易失的儲存器、一個無線通訊模塊和一個能與傳感器相連的I/O板。此項BP

18、的計劃是建立一套預測維護系統(tǒng)用來監(jiān)視如馬達、泵之類具有強烈震動的機器。這些機器被放置于Loch Ronnach油船的引擎室內。通過振動信息來監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，當磨損或撕裂現象出現時則通過無線通信發(fā)送警告。,監(jiān)測系統(tǒng),Monitoring Engine in ShipWork in Harsh EnvironmentLong time CollectionIMote2 local FFT signal processingMDA

19、440 max 104k high speed sample rate.Energy Harvest,案例3 中國電力 －高壓傳輸線應用,監(jiān)測大跨距輸電線路實時監(jiān)控電線的應力、溫度和振動節(jié)點固定在高壓輸電線上基站位于高壓輸電塔所有無線設備不受惡劣天氣影響電池電量維持節(jié)點連續(xù)工作一年以上,案例4 高爾夫球場應用,監(jiān)測草皮土壤的溫度、濕度和鹽度自動控制地下曝氣處理系統(tǒng)調節(jié)草根的水分、通風情況以及養(yǎng)料供給節(jié)點埋在草皮土壤下

20、4英寸至8英寸深每個節(jié)點之間的距離大約是100至400米每30分鐘采集并傳輸一次數據,節(jié)點放置點 節(jié)點,6 總結,所謂無線傳感器網絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量廉價小型或微型的各類集成化傳感器節(jié)點協(xié)作地實時感知、監(jiān)測各種環(huán)境或目標對象信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行智能處理，并通過隨機自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將所感知的信息傳送到用戶終端，從而真正實現“無處不在的計算”理念。無線傳感網絡綜合了傳感技術、嵌入式計算技術、現代網

21、絡技術、無線通信技術、分布式智能信息處理技術等。傳感器網絡的研究采用系統(tǒng)發(fā)展模式，因而必須將現代的先進微電子技術、微細加工技術、系統(tǒng)芯片SOC設計技術、納米材料技術、現代信息通訊技術、計算機網絡技術等融合，以實現其小型化或微型化、集成化、多功能化、系統(tǒng)化、網絡化，特別是實現傳感網絡特有的超低功耗系統(tǒng)設計。無線傳感網絡可以在長期無人值守的狀態(tài)下工作，在軍事國防、工農業(yè)、城市管理、智能交通、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災、防恐反恐、危險區(qū)