传感系统——无线传感器网络.doc

传感系统无线传感器网络1 无线传感器网络简介 1.1 无线传感器网络定义 无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象、观测者构成WSN的三个要素.1.2 无线传感器网络体系结构传感器节点：处理能力，存储能力和通信能力较弱，通过携带能量有限的电池供电。兼顾终端和路由器功能。汇聚节点：处理能力，存储能力和通信能力较强，连接传感器网络和INTERNET等外部网络。管理节点：用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务和收集监测数据。1.3 传感器网络的特点 大规模网络：部署的区域和节点的密度 自组织网络：节点一般随机部署，位置和拓扑结构难以描述 动态性网络：网络拓扑结构的动态性 可靠的网络：网络维护几乎不可能 应用相关的网络：没有统一的通信协议平台 以数据为中心的网络：互联网以地址为中心1.4 无线传感器网络的一种数据管理底层协议(LDMP) 以往的协议都基于一个基本假设: 基站感兴趣的数据总是在网络中稳定存在(而不因节点关闭而丢失或因节点移动而移动)。LDMP考虑在节点关闭或移动的情况下，如何保证该节点带有的历史数据仍保存在原地理位置附近而不丢失或移动，从而在不改变原有通讯协议的情况下完成快速查询，为以数据为中心的数据管理提供了底层的可靠支持。 LDMP包括内容:网络模型的基本假设,节点的数据结构数据管理,数据的丢失概率,数据备份的通讯量数据恢复的通讯量,数据管理对网络稳定性的影响,数据管理的可扩展性,数据管理的能耗,应用和仿真实验. LDMP的优点主要体现在三方面：简单、节能、普适性好。2.无线传感器网络应用现状无线传感器网络的研究主要集中在通信(协议、路由、检错等)、节能和网络控三个方面,目前都已经有了比较成熟的解决方法,为无线传感器网络投入实际应用提供了理论基础。传感器网络低成本、低功耗的特点,使其可以大范围地散布设置在一定区域,即使是人类无法到达的区域,都能正常工作,应用面比较广泛。目前无线传感器网络常应用于军事、环境监测、医疗健康、智能交通、空间探测、工业生产等领域。2.1 军事应用从某种意义而言，无线传感网络的产生正是源于网络在军事应用上的需求,因此在军事上的应用非常贴近无线传感器网络本身的概念。纵观无线传感器网络在战场上的应用主要是信息收集、跟踪敌人、战场监视、目标分类。无线传感器网络由低成本、低功耗的密集型节点构成,拥有自组织性和相当的容错能力,即使部分节点遭到恶意破坏,也不会导致整个系统的崩溃,正是这一点保证了无线传感器网络能够在恶劣的战场环境下工作,从而最大程度地减少伤亡,同时提供准确可靠的信息传输。除了在战争时期,和平年代也能应用无线传感器网络进行国土安全护、边境监视等应用。例如,曾利用埋设地雷来保卫国土、防止入侵的措施,这种防护措施同时对本国也带来了巨大的安全威胁。取而代之的可能是成千上万的传感器节点,通过对声音和震动信号的分类分析,探测敌方的入侵。目前美国佛吉尼亚大学已经着手研究和开发这一系统。2.2 环境监测无线传感器网络应用于环境监测，能够完成传统系统无法完成的任务。环境监测应用领域包括：植物生长环境、动物的活动环境、生化监测、精准农业监测、森林火灾监测、洪水监测等。在印度西部多山区域监测泥石流部署的无线传感器网络系统，目的是在灾难发生前预测泥石流的发生，采用大规模、低成本的节点构成网络，每隔预定的时间发送一次山体状况的最新数据。Intel公司利用Crossbow公司的Mote系列节点在美国俄勒冈州的一个葡萄园中部署了监测其环境微小变化的无线传感器网络。此外，传感器网络为获取野外的研究数据也提供了方便。例如,哈佛大学与北卡罗莱纳大学的合作项目,通过无线传感器网络收集震动和次声波信息并加以分析, 进行火山爆发的监测。澳大利亚的新南威尔士大学利用无线传感器网络跟踪一种名为Cane- toad的癞蛤蟆,了解它们在澳大利亚的分布情况。UCBerkeley大学在红杉树上布置无线传感器网络, 连续监测44天红杉树的生长情况,收集温度、湿度、光合作用信息。2.3 医疗健康随着无线传感器网络的不断发展，它在医疗健康方面也得到了一定的应用，医生可以利用传感器网络，随时对病人的各项健康指标以及活动情况进行监测，为远程医疗技术的发展提供了很大的便利。Intel研究中心利用无线传感器网络开发的老人看护系统，实时检测他们的健康问题。sensor节点被安置在老年人身上，能够感知到各项行动，并相应地作出正确提醒，记录下老年人的全部活动，为老人的健康安全提供保障。2.4 智能交通1995年，美国交通部提出了到2025年全面投入使用的“国家智能交通系统项目规划”。该计划利用大规模无线传感器网络，配合GPS定位系统等资源，除了使所有车辆都能保持在高效低耗的最佳运行状态、自动保持车距外，还能推荐最佳行驶路线，对潜在的故障可以发出警告。中国科学院沈阳自动化所提出了基于无线传感器网络的高速公路交通监控系统，节点采用图像传感器，在能见度低、路面结冰等情况下，能够实现对高速路段的有效监控。2.5 其它应用除此之外,无线传感器网络在空间探测、工业生产、物流控制以及其他一些商领域有着广泛的应用。美国宇航局(NASA)研制Sensor Webs,为将来火星探测做准备；英国石油公司(BP)利用无线传感器网络以及RF ID技术，对炼油设备进行监测管理；许多大公司利用无线传感器网络对仓库货物进行控制。传感器网络低成本、低功耗，并且可以自组织地进行工作，为其在各个领域的应用奠定了基础，必将会孕育出越来越多新的应用领域。3 无线传感网络的模型3.1 无线传感网络节点实现模型3.2无线传感网络的时钟同步模型3.3无线传感网络的传输模型图2 多跳传输模型4.无线传感网络的发展前景早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展，IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学(Boston Unversity)还于最近创办了传感器网络协会(Sensor Network Consortium)，期望能促进传感器联网技术开发。除了波士顿大学，该协会还包括BP、霍尼韦尔(Honeywell)、Inetco Systems、Invensys、 L-3 Communications、Millennial Net、Radianse、Sensicast Systems及Textron Systems。美国的技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，商业周刊 预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。5. 无线传感器网络应用的制约因素无线传感器网络技术的实际应用过程中，主要存在着以下制约因素：1) 成本：传感器网络节点的成本是制约其大规模广泛应用的重要因素，需根据具体应用的要求均衡成本、数据精度及能量供应时间。2) 能耗：大部分的应用领域需要网络采用一次性独立供电系统，因此要求网络工作能耗低，延长网络的生命周期，这是扩大应用的重要因素。3) 微型化：在某些领域中，要求节点的体积微型化，对目标本身不产生任何影响，或者不被发现以完成特殊的任务。4) 定位性能：目标定位的精确度和硬件资源、网络规模、周围环境、描点个数等因素有关，目标定位技术是目前研究的热点之一。5) 移动