传感网原理与技术第五章--传感网应用.ppt

1、第五章 传感网应用,主要内容,5.1 概述 5.2 应用设计基本原理 5.3 应用开发、部署与维护技术 5.4 环境监测类案例：精准农业应用 5.5 事件检测类案例：反狙击系统 5.6 目标追踪类案例：警戒网VigilNet 5.7 案例分析：金门大桥震动监测 5.8 光纤传感技术 5.9 本章小结与进一步阅读的文献,5.1 概述,传感器网络的应用具有很强的应用定制特性，不同的应用在功能、性能、部署方式、部署环境、组网模式、通信方式等方面的需求都不尽相同。,5.1 概述,表5-1 传感器网络应用分类表,表5-1 传感器网络应用分类表,5.2 应用设计基本原理,5.2.1设计因素 5.2.2架构

2、设计 5.2.3硬件设计 5.2.4软件设计,5.2.1设计因素,设计因素：为了满足不同的应用需求，应用设计需要结合应用实际需求在相应的设计空中不同维度进行选择与权衡，设计空间中每一个维度代表了应用设计时需要考虑的一个因素。,5.2.1设计因素,节点部署方式 移动性 基础设施 网络拓扑 感知覆盖度 连通性,生存期 异构性 网络规模 体积、资源与造价 其他服务质量需求,5.2.2架构设计,架构设计：架构设计主要是通过对应用的需求分析，明确应用中的观测对象，建立出与之相适应的感知模型，在综合多种应用设计因素的情况下，确定应用系统所需的各类元素以及这些元素之间的关系。,这里的元素指是具有不同功能的节

3、点，而元素间关系是指节点间如何通信构成网络的方式。,5.2.2架构设计,节点类型 传感器节点 簇头节点 基站 定位锚节点 时间基准节点,5.2.2架构设计,网络结构 星型结构 多跳结构 分层结构,5.2.3硬件设计,低功耗 可扩展性与灵活性 健壮性 低成本 体积微小,5.2.3硬件设计,1. 计算处理模块设计 MCU 运算处理能力 存储能力（RAM, ROM） 功耗 外围接口IO DSP FPGA,5.2.3硬件设计,表5-2常见的微处理器及其主要特性参数,5.2.3硬件设计,2. 通信模块设计 数据传输速率 工作频段 通信距离 标准支持 安全加密支持 接收与发送功率 休眠的能耗 启动稳定时间

4、 信号调制方式,5.2.3硬件设计,表5-3常见的无线芯片及其主要特性参数,5.2.3硬件设计,3. 感知模块设计 体积 功耗 成本 耦合方式 数字/模拟接口,5.2.3硬件设计,4. 电源模块设计 电池 容量 体积 工作温度 成本 充放电能力 可再生能源 太阳能 洋流波动 风能 电磁能,5.2.3硬件设计,5. 其他外围模块设计 非易失数据存储（Flash） 数据 更新代码 配置信息 日志信息 ISP编程接口 JTAG编程调试接口 调试用串口 LED状态指示灯,5.2.4软件设计,软件设计原则 低功耗 健壮性 软件构成 感知功能模块 通信功能模块 管理功能模块,5.3 应用开发、部署与维护技

5、术,传感网应用系统生命期的关键阶段 开发 部署 维护,5.3.1开发技术,1. 节点操作系统 无操作系统（main loop） 需对硬件进行编程 软件重用性低 节点操作系统需求 小代码量 模块化 并发操做支持,5.3.1开发技术,表5-4常见节点操作系统比较,表5-4常见节点操作系统比较,5.3.1开发技术,2. 编程模型 编程模型的主要目标 向用户提供更高级的抽象支持用以简化开发 借助编译技术对节点资源使用进行优化 传感网编程模型分类 低级编程模型（Platform-centric） TinyOS/nesC1 Protothreads7 Mate/ASVM8 高级编程模型（Applicati

6、on-centric） TinyDB9 MacroLab10 Abstract Regions11,5.3.1开发技术,(1). TinyOS/nesC 组件化设计 组件交互 模块与配置 事件驱动执行 非阻塞执行,图5-2 nesC代码实例,事件驱动模型可以解决传感器节点资源受限与并发性操作需求之间的矛盾，但事件驱动模型同时也会带来控制流反转、函数分裂、调用栈重构和代码侵入等问题，这些问题影响了程序流程的表达，降低了程序的可读性和可调试性。,5.3.1开发技术,(2). Protothreads,借助C语言的宏机制，使用标准预处理器实现了简化的多线程模型到事件驱动模型的转换，从而允许开发人员在

7、线程语义上进行事件驱动程序开发。,表5-5实现低功耗监听的事件驱动与Protothreads伪代码,5.3.1开发技术,(3). MacroLab,宏编程不考虑单个节点的低级行为，隐藏了节点通信协议、数据交换等细节，用户使用编程抽象和原语描述高级任务撰写程序，这些程序最终通过编译器翻译成单个节点上运行的程序。,MacroLab提供了与Matlab类似的向量编程抽象，开发人员使用类似Matlab的各种运算符为整个网络编写程序，该程序经编译变成在节点上运行的程序。,表5-6 目标追踪应用的MacroLab代码,5.3.1开发技术,(3). MacroLab,宏编程不考虑单个节点的低级行为，隐藏了节

8、点通信协议、数据交换等细节，用户使用编程抽象和原语描述高级任务撰写程序，这些程序最终通过编译器翻译成单个节点上运行的程序。,MacroLab提供了与Matlab类似的向量编程抽象，开发人员使用类似Matlab的各种运算符为整个网络编写程序，该程序经编译变成在节点上运行的程序。,表5-6 目标追踪应用的MacroLab代码,5.3.1开发技术,3. 测试调试技术,由于与物理世界紧密偶合，传感器网络的功能和行为在很大程度上受到部署环境影响。这就导致部署前对系统进行的各种测试，仅能对实际部署后系统的正确性与各项性能参数做出一个大致评估。 如果测试不够充分，系统可能隐含更多潜在的缺陷，进而导致部署后的

9、系统出现各类不可预期的问题甚至是失效。而传感器网络自身实时性、分布式以及资源高度受限的特性，使得传统的调试技术无法适用于传感器网络开发。为了保证系统可以持续、可靠的运行，需要适用于传感器网络的测试与调试技术。,5.3.1开发技术,(1). 测试技术 测试环境 通用模拟器 集成模拟开发环境 指令级精度模拟器 测试台（test bed） 测试方法 TUnit（TinyOS自动化的单元测试框架） Munit（Embedded RPC技术）,表5-5 不同测试环境可扩展性与真实度的对比,5.3.1开发技术,(2). 调试技术 源码调试器 内置特殊寄存器 系统提供的运行时控制接口（Java Debug

10、API） In-Circuit Emulator (ICE)硬件仿真实现 目标码动态插装 程序执行记录 printf Aspect-Oriented Programming SNMS 控制流追踪 重放和检查点技术 EnviroLog checkpointing,5.3.2部署技术,部署方式 抛洒（过飞机、炮弹、火箭） 人工 机器人 部署时需考虑的方面 减少安装成本 尽量减少任何事先的组织与规划 增加部署的灵活性 尽量利用传感器网络自组织与容错特性,5.3.2部署技术,保证目标区域网络连通与感知覆盖 网络连通 感知覆盖 覆盖控制 区域覆盖 目标区域或目标点的覆盖 目标覆盖 考察目标穿越传感器网络

11、时被检测或者没有被检测的情况,5.3.3维护技术,运行监测阶段 节点失效 网络断裂 维护阶段 重启系统 调整运行参数 远程代码升级 增加节点,系统维护目的是对部署后的传感器网络应用进行缺陷排除、功能升级和性能优化以适应周边物理环境和自身动态系统的变化。,5.3.3维护技术,1. 系统状态监测 监测手段 带内收集 聚合 捎带 分布式处理 无线监听 在线模式 离线模式,5.3.3维护技术,2. 代码更新技术 依据修复能力分类 全映像更新 如：TinyOS, MANTIS 增量式更新（e.g. Unix diff） 模块级更新 如：SOS，Contiki 地址重定位 虚拟机级更新 如：Mate 传输

12、开销小 良好的执行安全性,5.4 环境监测类案例：精准农业应用,精准农业（Precision Agriculture）根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。,无线传感器网络的优势 低成本 微型化 低功耗 易于部署,5.4.2 系统架构,感知节点层 网关节

13、点层 通信服务器,图5-3传感器网络精准农业应用系统架构图,表5-6 两类主流传感器节点平台特性对比,5.4.3 软硬件介绍,1. 系统硬件 传感器节点硬件 通信与控制模块 MSP430 + CC2420 ATmega1281 + AT86RF230 外部存储 AT45DB041 NOR Flash 供电（太阳能） 外壳封装 网关节点 XScale PXA270 32M SDRAM 32M Flash 串口接插AT86RF230模块 GPRS通信模块,5.4.3 软硬件介绍,2. 系统软件 数据采集（传感器节点软件） TinyOS 异步低功耗监听MAC层协议 Collection Tree P

14、rotocol (CTP)网络协议 用于支持全网管理服务时的可靠数据分发协议 管理模块 感知任务管理 节点和系统相关状态查询 系统配置 日志管理 软件更新 静态路由配置,5.4.3 软硬件介绍,2. 系统软件 通信传输（网关软件） Linux 协议转化 数据缓存 系统管理和配置 数据分析处理（服务器端软件） WISA架构 Windows IIS SQL Server ASP.NET,5.4.3 软硬件介绍,图5-5基于web的简单数据分析与查询服务,图5-6大棚40天的温度(左上)、日照(左下)、湿度(右上)和CO2浓度(右下),5.5 事件检测类案例：反狙击系统,除了物理环境监测，传感器网络

15、还能用于监测物理环境中的各种活动，如动物习性、城市交通状况等。事件检测是这类应用需要解决的一个关键问题。,狙击手探测系统 声音 价格低廉、测定精确 麦克风阵列 原理：枪口激波和子弹飞行产生的冲击波到达每个传感器的时间差，精确计算出弹道和射击位置。 红外 激光,5.5.2 系统架构,图5-7 基于传感器网络的狙击手定位系统结构图,5.5.3 软硬件介绍,1. 系统硬件 Mica2 + FPGA Xilinx公司的XC3S1000 百万门大规模可编程器件 功耗过大，计算能力 Mica2 + DSP 16位，50MHz的定点ADSP-218x 传感器 三组松下WM-64PNT麦克风 低功耗、12-b

16、it精度、采样速率高达1MSPS的AD7476模数转换器,图5-8 基于FPGA传感器板与Mica2节点,图5-9 基于DPS传感器板,5.5.3 软硬件介绍,2. 系统软件,图5-10 狙击手定位系统软件结构图,图5-11 狙击手定位系统控制界面,5.6 目标追踪类案例：警戒网VigilNet,无人值守的战场监视传感器系统 60年代的越南战争期间，美军使用无人值守的震动传感器“热带树” 传统战场监视系统的问题 部署较为稀疏 监视覆盖范围有限,由于传感器网络具有自组织性和鲁棒性，且隐蔽性好、成本低以及易于布置，传感器网络非常适合于探测、跟踪运动目标。目标的探测、分类和追踪是一项基本的战场监控应

17、用，因此一直以来被重点关注着。,在国防高级研究计划局(the Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)的资助下，美国弗吉尼亚大学开展了“警戒网”的项目研究工作。该项目主要研究如何将低成本的传感器覆盖整个战场，获得准确的战场信息。警戒网项目集成了协作式、具有感知、计算和通信能力的节点，替换了以前手工布置、稀疏分布、非网络式的感知系统，对已有的地面战场探测系统进行了彻底改进。,5.6.2 系统架构,图5-12 警戒网系统结构图,区域划分 警戒区 休眠区,5.6.3 软硬件介绍,1. 系统硬件 XMS节点 Atmel ATmega128L微控

18、制器 CC1000无线通信 433MHz 4个红外传感器 1个双轴的磁力传感器 1个声音传感器 全天候条件下工作的外壳封装 两节AA碱性电池 1000小时,图5-13 XSM节点实物图,5.6.3 软硬件介绍,2. 系统软件 链路层 网络通信层 感知层 中间件 应用 能量管理 工作周期调度 哨兵服务 警戒区管理 射频唤醒服务,图5-14 警戒网系统软件结构图,5.6.3 软硬件介绍,2. 系统软件,图5-15 警戒网监控中心界面,5.7 案例分析：金门大桥震动监测,桥梁作为公路交通的重要组成部分，直接关系着行车的安全与畅通。 桥梁结构健康监测Structure Health Monitorin

19、g, SHM是通过对桥梁结构状态的监控与评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护维修与管理决策提供依据和指导。因此，可靠而有效的桥梁结构健康监测技术是桥梁安全运行的重要保障。,Wikipedia,5.7.1 应用需求,R1：数据采集系统可检测到的最小震动值为500G。 R2：根据大桥局部震动模态的需求，采样频率为1KHz，采样精度为16位，采用抖动保持在250s以内。 R3：为了对大桥各个部位的震动进行相关分析，需要对网络中节点的采样数据进行时间同步。 R4：由于桥体跨度很大且基站只能部署在南面的桥塔上，需要采用多跳通信的方式完成数据的收集。 R5：基

20、站节点发出的数据采集启动命令必须可靠地分发到网络中的所有节点。 R6：节点采集的震动数据必须可靠地上报到基站节点。,5.7.2 系统架构,图5-16 金门大桥震动监测系统架构图,5.7.3 硬件设计,MICAz节点 ATmega128L 7.3MHz CC2420 250bps AT45DB 512KB Flash 传感器（需求R1） 加速计 ADXL 202E （强烈震动） SD 1221L（低幅度震动） 温度补偿 4节6V灯电池（lantern battery）,图5-17传感器节点硬件结构图,图5-18加速度传感器模块实物图,5.7.4 硬件设计,表5-8 不同状态下的节点功耗,图5-1

21、9 实际安装在大桥上的震动监测节点,5.7.3 软件设计,图5-20软件结构图,5.7.3 软件设计,1. 应用需求R2 时间抖动 由系统任务调度的实时性不够引起 减少不必要的原子操作 空间抖动 由时间同步精度误差导致的节点间的抖动 采用FTSP时间同步协议,5.7.3 软件设计,2. 应用需求R3，R4，R5 R3 FSTP时间同步协议 线性回归分析 R4 MintRoute路由协议 R5 Broadcast组件 重复广播增强可靠性,5.7.3 软件设计,3. 应用需求6 Straw（Scalable Thin and Rapid Amassment Without loss） MintRo

22、ute + NACK技术 管道传输 实现441B/s稳定传输带宽,图5-21 Straw接收节点和发送节点状态转换图,5.8 光纤传感技术,定义：光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。 基本原理：利用外界因素使光在光纤中传播时光强、相位、偏振态以及波长（或频率）等特征参量发生变化，从而对外界因素进行检测（或计量）和信号传输的技术。,5.8.1 光纤传感器,光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，其工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。,5.8.1 光纤传感器,光纤传感器与电类传感器的特性对比,5.8.1 光纤传感器,光纤传感器优点： 体积小、重量轻 电绝缘性好、无电火花 抗电磁干扰、灵敏度高 便于利用现有光通信技术组成遥测网,5.8.2 光纤传感系统组成,光纤传感系统一般由光源驱动部分、光源温控部分、传感探头部分、光电转换部分、锁相解调和信号处理部分构成。,5.8.3 光纤传感技术应用案例,美国某空军军事基地边界监控系统。,光纤传