無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與應(yīng)用

1、Wireless Sensor Network無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與應(yīng)用,目錄,1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3、應(yīng)用領(lǐng)域4、研究熱點(diǎn)5、典型應(yīng)用6、總結(jié)7、相關(guān)研究工作,1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,新興的第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)：20世紀(jì)70年代。點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，具有簡單信息獲取能力。第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)：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(lián)。第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)：20世紀(jì)90年代后期。智能傳感器采

2、用現(xiàn)場總線連接傳感控制器構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)。第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)：以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為標(biāo)志，正處于研究和開發(fā)階段。,普通節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)：完成數(shù)據(jù)采集和多跳中繼傳輸。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)G：完成無線和有線信號轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)CERNET2的接入。監(jiān)控中心CC：完成區(qū)域數(shù)據(jù)的綜合處理。,以自組織形式構(gòu)成多跳中繼的分級結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)硬件資源有限能量效率要求高無中心自組織多跳路由動(dòng)態(tài)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),由電源、數(shù)據(jù)獲取單元

3、DAU、數(shù)據(jù)處理單元DPU、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收單元DSRU構(gòu)成。,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,引起了世界各國軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注美國軍方：C4KISR計(jì)劃、Smart Sensor Web、靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、無人值守地面?zhèn)鞲衅魅?、傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)、網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)CEC 等。Intel公司：2002年基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計(jì)算發(fā)展規(guī)劃。美國NSF：2003年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃。美國Dust Netw

4、orks和Crossbow Technologies等公司： “智能塵埃、Mote”已進(jìn)入應(yīng)用測試。英國、日本、意大利等國：開展該領(lǐng)域的研究工作。我國也開展了這一領(lǐng)域的研究工作：無線傳感器結(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)、節(jié)能技術(shù)、覆蓋控制技術(shù)等。正處于研究和開發(fā)階段。是一個(gè)從理論到實(shí)踐都需要大量研究的課題。,2.1 產(chǎn)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(jì)

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(chǎn)和部署? 有特定的用途與功能： 空間探測 遠(yuǎn)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(chǎn)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(wǎng)絡(luò)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(shè)備 電池和太陽能供電,,,傳感器節(jié)點(diǎn),,,基站,網(wǎng)關(guān)：把接收數(shù)據(jù)傳輸給其它媒介如：手機(jī)、Internet、衛(wèi)星等,,,,,,,,,,,3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域,軍事： 監(jiān)控?cái)撤讲渴?、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(zhǔn)農(nóng)業(yè) 生物種群研究,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域（續(xù)）,醫(yī)療： 無線監(jiān)測人體生理數(shù)據(jù) 醫(yī)院藥品管理 老年人健康狀況監(jiān)控 遠(yuǎn)程醫(yī)療空間探索： 星球表面大范圍、長時(shí)期、近距離的監(jiān)測和探索。 選定著陸場地其他應(yīng)用： 緊急和臨時(shí)場合應(yīng)急通信：地震、水災(zāi)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴災(zāi)害地區(qū)、邊遠(yuǎn)或偏僻野外地區(qū) 交通流量監(jiān)控 智能化房屋 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

8、 機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測,4、研究熱點(diǎn)問題,(1)通信協(xié)議物理層協(xié)議: 研究傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的傳輸媒體、頻段選擇及調(diào)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(diào)制，接收器電路簡單，功耗小 （smart dust項(xiàng)目開發(fā)了具有光通信能力的傳感器）,(1)通信協(xié)議--數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,a) 拓?fù)渖?

9、 平面結(jié)構(gòu)：所有節(jié)點(diǎn)處于平等地位，結(jié)構(gòu)簡單易維護(hù) 具有較好的健壯性 無管理節(jié)點(diǎn)，自組織協(xié)同算法復(fù)雜 典型算法：ASCENT,SPAN等 層次結(jié)構(gòu)：以簇的形式存在，有簇首和成員節(jié)點(diǎn) 簇首管理或控制節(jié)點(diǎn)集合（簇） 可擴(kuò)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(jī)制 虛擬簇：需要交互的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成虛擬簇 b) 信道接入方式 固定分配：需要中心調(diào)度，SMACS，EAR 隨機(jī)競爭：CSMA及其改進(jìn) 混合類：綜合上面兩類，S-MAC,(1)通信協(xié)議--網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議,主要指路由協(xié)議，分平面和集群兩種，報(bào)頭裁減也很重要 問題所在： 1） 故障頻繁，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?2） 傳輸距離有限 3） 大規(guī)模組網(wǎng) 4） 能量約束

11、a)平面路由協(xié)議：點(diǎn)地位平等，簡單易擴(kuò)展，缺乏管理 ? SPIN，以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議，通過協(xié)商 機(jī)制解決路由信息爆炸和資源浪費(fèi)問題 ? DD，根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容來優(yōu)化路徑，節(jié)能,網(wǎng)絡(luò)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(fù)責(zé)信息的搜集、融合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，便于管理，維護(hù)開銷大 ? LEACH，隨機(jī)循環(huán)選擇簇首，將能量負(fù)載平均分配到每個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)中 ? TEEN, PEGASIS等基于

12、LEACH的成簇方法,(2)傳感器網(wǎng)絡(luò)管理,能量管理 數(shù)據(jù)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(diǎn)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(dòng)態(tài)功率管理DPM，將節(jié)點(diǎn)分為5種工作狀態(tài)，由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)切換動(dòng)態(tài)電壓調(diào)度DVS，根據(jù)負(fù)載狀態(tài)調(diào)整供電電壓,(2)傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jī)制進(jìn)行攻擊；侵入節(jié)點(diǎn)發(fā)送

13、誤警數(shù)據(jù)，侵入節(jié)點(diǎn)致使網(wǎng)絡(luò)的某些節(jié)點(diǎn)和某些網(wǎng)段互發(fā)大量的無用數(shù)據(jù)，使能量很快耗盡，傳感器網(wǎng)絡(luò)分立，形成監(jiān)測黑洞，無法完成正常監(jiān)測工作。采用擴(kuò)頻通信、傳感器節(jié)點(diǎn)接入認(rèn)證/ 鑒權(quán)、數(shù)據(jù)水印和數(shù)據(jù)加密等技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。,(3)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理,數(shù)據(jù)查詢管理COUGAR系統(tǒng)能測試感知數(shù)據(jù)查詢技術(shù)性能，提出了在傳感器網(wǎng)絡(luò)上計(jì)算聚集函數(shù)的容錯(cuò)和可擴(kuò)展算法，并探索了把傳感器網(wǎng)絡(luò)表示為數(shù)據(jù)庫的思想，探討了如何把分布式查詢處理技術(shù)應(yīng)用于感知數(shù)

14、據(jù)查詢的處理.加州大學(xué)伯克利分校研究了傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)查詢技術(shù)，提出了實(shí)現(xiàn)可動(dòng)態(tài)調(diào)整的連續(xù)查詢的處理方法和管理傳感器網(wǎng)絡(luò)上多查詢的方法，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)聚集函數(shù)，提出了在低能源、分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)聚集函數(shù)的方法，并研制了一個(gè)感知數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)TinyDB。南加州大學(xué)研究了傳感器網(wǎng)絡(luò)上的聚集函數(shù)的計(jì)算方法，提出了節(jié)省能源的計(jì)算聚集的樹構(gòu)造算法，并通過實(shí)驗(yàn)證明了無線通信機(jī)制對聚集計(jì)算的性能有很大的影響。,(

15、4)應(yīng)用支撐服務(wù),時(shí)間同步傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信協(xié)議和應(yīng)用，比如基于TDMA 的MAC 協(xié)議和敏感時(shí)間的監(jiān)測任務(wù)等，要求節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘必須保持同步?？梢钥紤]精簡NTP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，將其移植到傳感器網(wǎng)絡(luò)中來。節(jié)點(diǎn)定位節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)必須結(jié)合其在測量坐標(biāo)系內(nèi)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(jià)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位定位方法為：利用少量已知位置節(jié)點(diǎn)（參考節(jié)點(diǎn)，采用GPS 定位或者預(yù)先放置的節(jié)點(diǎn)），來獲得其它節(jié)點(diǎn)的位置信息提出

16、的算法有：Niculescu，Bulusu等,5、典型應(yīng)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(jié)構(gòu)； 也可放置在橋梁兩側(cè)或底部，搜集橋梁的溫度、濕度、震動(dòng)幅度、橋墩被侵蝕程度等，能減少斷橋所造成生命財(cái)產(chǎn)的損失。,案例2 英國石化－油輪應(yīng)用,監(jiān)測油輪發(fā)動(dòng)機(jī)及旋轉(zhuǎn)設(shè)備系統(tǒng)能夠運(yùn)行在苛刻

17、的環(huán)境下長期高效采集有效數(shù)據(jù)免去人工檢查的繁瑣工程減少停工期和維護(hù)次數(shù)減少有線監(jiān)控的高額成本,BP Helios CommendationOctober 2005BP International Ltd,船只機(jī)械監(jiān)控的預(yù)測與維護(hù)系統(tǒng),2004年，BP開始接觸一種名為‘塵埃’（Mote）的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這個(gè)2 x 2英寸大小的裝置包括一個(gè)處理器、一塊永久非易失的儲存器、一個(gè)無線通訊模塊和一個(gè)能與傳感器相連的I/O板。此項(xiàng)BP

18、的計(jì)劃是建立一套預(yù)測維護(hù)系統(tǒng)用來監(jiān)視如馬達(dá)、泵之類具有強(qiáng)烈震動(dòng)的機(jī)器。這些機(jī)器被放置于Loch Ronnach油船的引擎室內(nèi)。通過振動(dòng)信息來監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，當(dāng)磨損或撕裂現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)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(yīng)用,監(jiān)測大跨距輸電線路實(shí)時(shí)監(jiān)控電線的應(yīng)力、溫度和振動(dòng)節(jié)點(diǎn)固定在高壓輸電線上基站位于高壓輸電塔所有無線設(shè)備不受惡劣天氣影響電池電量維持節(jié)點(diǎn)連續(xù)工作一年以上,案例4 高爾夫球場應(yīng)用,監(jiān)測草皮土壤的溫度、濕度和鹽度自動(dòng)控制地下曝氣處理系統(tǒng)調(diào)節(jié)草根的水分、通風(fēng)情況以及養(yǎng)料供給節(jié)點(diǎn)埋在草皮土壤下

20、4英寸至8英寸深每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離大約是100至400米每30分鐘采集并傳輸一次數(shù)據(jù),節(jié)點(diǎn)放置點(diǎn) 節(jié)點(diǎn),6 總結(jié),所謂無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價(jià)小型或微型的各類集成化傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作地實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測各種環(huán)境或目標(biāo)對象信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進(jìn)行智能處理，并通過隨機(jī)自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)“無處不在的計(jì)算”理念。無線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)

21、絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)、分布式智能信息處理技術(shù)等。傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究采用系統(tǒng)發(fā)展模式，因而必須將現(xiàn)代的先進(jìn)微電子技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)、系統(tǒng)芯片SOC設(shè)計(jì)技術(shù)、納米材料技術(shù)、現(xiàn)代信息通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等融合，以實(shí)現(xiàn)其小型化或微型化、集成化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，特別是實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)特有的超低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以在長期無人值守的狀態(tài)下工作，在軍事國防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、智能交通、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)