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)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與應(yīng)用目錄目錄1 1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述2 2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3 3、應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用領(lǐng)域4 4、研究熱點、研究熱點5 5、典型應(yīng)用、典型應(yīng)用6 6、總結(jié)、總結(jié)7 7、相關(guān)研究工作、相關(guān)研究工作1 1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述、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)：第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)：20世紀(jì)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(wǎng)絡(luò)：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)：第三代傳感器

2、網(wǎng)絡(luò)：20世紀(jì)90年代后期。智能傳感器采用現(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)：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)點和普通節(jié)點和SinkSink節(jié)點節(jié)點：完成數(shù)據(jù)采集和多跳中繼傳輸。網(wǎng)關(guān)節(jié)點網(wǎng)關(guān)節(jié)點G G：完成無線和有線信號轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)CERNET2的接入。監(jiān)控中心監(jiān)控中心CCCC：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)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)點硬件資源有限節(jié)點硬件資源有限能量效率要求高能量效率要求高無中心無中心自組織自組織多跳路由多跳路由動態(tài)拓?fù)鋭討B(tài)拓?fù)涔?jié)點數(shù)量眾多，分布密集節(jié)點數(shù)量眾多，分布密集無線

3、傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點由電源、數(shù)據(jù)獲取單元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)點無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點2. 2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(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 美國軍方美國軍方：C4KISR計劃、計劃、Smart Sensor Web、靈巧傳感、靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、無人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸鞲衅鹘M網(wǎng)系統(tǒng)、器網(wǎng)絡(luò)通信、無人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸鞲衅鹘M網(wǎng)系統(tǒng)、網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)CEC 等。等。 Intel公司公司：2002年基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計算發(fā)展年基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計算發(fā)展規(guī)劃。規(guī)劃。 美國美國

4、NSF：2003年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃。年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃。 美國美國Dust Networks和和Crossbow Technologies等公司等公司： “智能塵埃、智能塵埃、Mote”已進(jìn)入應(yīng)用測試。已進(jìn)入應(yīng)用測試。 英國、日本、意大利英國、日本、意大利等國：開展該領(lǐng)域的研究工作。等國：開展該領(lǐng)域的研究工作。 我國我國也開展了這一領(lǐng)域的研究工作：無線傳感器結(jié)點的也開展了這一領(lǐng)域的研究工作：無線傳感器結(jié)點的硬件設(shè)計、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)、節(jié)能技術(shù)、覆蓋硬件設(shè)計、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?？刂萍夹g(shù)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

5、的課題。2.1 產(chǎn)品之一：智能塵埃產(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)視智能塵埃智能塵埃Smart Dust智能塵埃智能塵埃Smart Dust：大小比較2.2 產(chǎn)品之二：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基于基于Mote無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺=傳感器板：傳感器板： 氣體傳感器氣體傳感器 溫度傳感器溫度傳感器 濕度傳感

6、器濕度傳感器Mote： 微處理器微處理器 RF傳輸和接受設(shè)備傳輸和接受設(shè)備 電池和太陽能供電電池和太陽能供電傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點基站基站網(wǎng)關(guān)：網(wǎng)關(guān)： 把接收數(shù)據(jù)傳輸給其把接收數(shù)據(jù)傳輸給其它媒介如：手機(jī)、它媒介如：手機(jī)、Internet、衛(wèi)星等、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 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：醫(yī)療： 無線監(jiān)測人體生理數(shù)據(jù)無線監(jiān)測人體生理數(shù)據(jù) 醫(yī)院藥品管理醫(yī)院藥品管理 老年人健康狀況監(jiān)控老年人健康狀況監(jiān)控 遠(yuǎn)程醫(yī)療遠(yuǎn)程醫(yī)療空

7、間探索：空間探索： 星球表面大范圍、長時期、近距離的監(jiān)測和探索。星球表面大范圍、長時期、近距離的監(jiān)測和探索。 選定著陸場地選定著陸場地 其他應(yīng)用：其他應(yīng)用： 緊急和臨時場合應(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)或緊急和臨時場合應(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)偏僻野外地區(qū) 交通流量監(jiān)控交通流量監(jiān)控 智能化房屋智能化房屋 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測4 4、研究熱點問題、研究熱點問題( (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

8、,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)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 a) 拓?fù)渖?平面結(jié)構(gòu)：所有節(jié)點處于平等地位，結(jié)構(gòu)簡單易維護(hù) 具有較好的健壯性 無管理節(jié)點，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 簇首管理或控制節(jié)點集合（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：雙信道分組機(jī)制 虛擬簇：需要交互的節(jié)點構(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：C

9、SMA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 a)平面路由協(xié)議：點地位平等，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)議網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議 b)b)集群路由協(xié)議集群路由協(xié)議：劃分為簇，分簇首和簇成員，簇首：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)負(fù)責(zé)信息的搜集、融合、數(shù)

10、據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，便于管理，維護(hù)開銷大開銷大 LEACHLEACH，隨機(jī)循環(huán)選擇簇首，將能量負(fù)載平均分配，隨機(jī)循環(huán)選擇簇首，將能量負(fù)載平均分配到每個到每個WSNWSN節(jié)點中節(jié)點中 TEEN, PEGASISTEEN, PEGASIS等基于等基于LEACHLEACH的成簇方法的成簇方法(2)(2)傳感器網(wǎng)絡(luò)管理傳感器網(wǎng)絡(luò)管理 能量管理能量管理 數(shù)據(jù)傳送是能耗最大的部分?jǐn)?shù)據(jù)傳送是能耗最大的部分 休眠休眠/ /喚醒喚醒 采用發(fā)送功率低的采用發(fā)送功率低的RFRF 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)，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)議等物理層，鏈路層，路由

11、協(xié)議等動態(tài)功率管理動態(tài)功率管理DPM，將節(jié)點分為，將節(jié)點分為5種工作狀態(tài)，由操作系統(tǒng)負(fù)種工作狀態(tài)，由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)切換責(zé)切換動態(tài)電壓調(diào)度動態(tài)電壓調(diào)度DVS，根據(jù)負(fù)載狀態(tài)調(diào)整供電電壓，根據(jù)負(fù)載狀態(tài)調(diào)整供電電壓(2)(2)傳感器網(wǎng)絡(luò)管理傳感器網(wǎng)絡(luò)管理-安全管理安全管理安全問題包括：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)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)點發(fā)送誤警數(shù)據(jù)，侵入節(jié)點致使網(wǎng)絡(luò)的某些節(jié)點和某些網(wǎng)點發(fā)送誤警數(shù)據(jù)，侵入節(jié)點致使網(wǎng)絡(luò)的某些節(jié)點和某些網(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

12、成監(jiān)測黑洞，無法完成正常監(jiān)測工作。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)點接入認(rèn)證采用擴(kuò)頻通信、傳感器節(jié)點接入認(rèn)證/ / 鑒權(quán)、數(shù)據(jù)水印和數(shù)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。據(jù)加密等技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。(3)(3)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理 數(shù)據(jù)查詢管理數(shù)據(jù)查詢管理COUGARCOUGAR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)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)上計算聚集函數(shù)的容錯和可擴(kuò)展算法，并探索了把傳感器網(wǎng)絡(luò)上計算聚集函數(shù)的容錯和可擴(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)

13、用表示為數(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)據(jù)查詢的處理于感知數(shù)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)，提出了實現(xiàn)可動態(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)上多實現(xiàn)可動態(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)實現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)聚集查詢的方法，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(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)境下實現(xiàn)聚函數(shù)，提出了在低能源、分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)聚集函數(shù)的方法，并研制了一個感知數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集函數(shù)的方法，并研制了

14、一個感知數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)TinyDBTinyDB。南加州大學(xué)研究了傳感器網(wǎng)絡(luò)上的聚集函數(shù)的計算方法，提出了南加州大學(xué)研究了傳感器網(wǎng)絡(luò)上的聚集函數(shù)的計算方法，提出了節(jié)省能源的計算聚集的樹構(gòu)造算法，并通過實驗證明了無線通節(jié)省能源的計算聚集的樹構(gòu)造算法，并通過實驗證明了無線通信機(jī)制對聚集計算的性能有很大的影響。信機(jī)制對聚集計算的性能有很大的影響。(4)應(yīng)用支撐服務(wù)應(yīng)用支撐服務(wù) 時間同步時間同步傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信協(xié)議和應(yīng)用，比如基于傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信協(xié)議和應(yīng)用，比如基于TDMA TDMA 的的MAC MAC 協(xié)議協(xié)議和敏感時間的監(jiān)測任務(wù)等，要求節(jié)點間的時鐘必須保持同和敏感時間的監(jiān)測任務(wù)等，要求節(jié)點間的時鐘必

15、須保持同步。步?？梢钥紤]精簡可以考慮精簡NTPNTP協(xié)議的實現(xiàn)復(fù)雜度，將其移植到傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實現(xiàn)復(fù)雜度，將其移植到傳感器網(wǎng)絡(luò)中來。中來。 節(jié)點定位節(jié)點定位節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)必須結(jié)合其在測量坐標(biāo)系內(nèi)的位置信息節(jié)點所采集到的數(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實現(xiàn)節(jié)點定位要解決的問題是以最小的通信開銷和硬件代價實現(xiàn)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，采用定位方法為：利用少量已知位置節(jié)點（參考節(jié)點，采用GPS GPS 定位或者預(yù)先放置的節(jié)點），來獲得其它節(jié)點的位置信息定位或者預(yù)先放置的節(jié)點），來獲得其它節(jié)點的位置信息提出的算法有：提出的算

16、法有：NiculescuNiculescu，BulusuBulusu等等5、典型應(yīng)用、典型應(yīng)用案例案例1 Senera1 Senera的橋梁安全監(jiān)控系統(tǒng)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、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)；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、也可放置在橋梁兩側(cè)或底部，搜集橋梁的溫度、濕度、震動幅度、橋墩被侵蝕程度等，能減少濕度、震動幅度、橋

17、墩被侵蝕程度等，能減少斷橋所造成生命財產(chǎn)的損失。斷橋所造成生命財產(chǎn)的損失。案例案例2 英國石化油輪應(yīng)用英國石化油輪應(yīng)用 監(jiān)測油輪發(fā)動機(jī)及旋轉(zhuǎn)設(shè)備 系統(tǒng)能夠運行在苛刻的環(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的計劃是

18、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)時則通過無線通信發(fā)送警告。 監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng) Monitoring Engine in Ship Work in Harsh Environment Long time Collection IMote2 local FFT signal processing MDA440 max 104k high speed sample rate. Energy Harvestabnormalnormal案例案例3 中國電力中國電力

19、高壓傳輸線應(yīng)用高壓傳輸線應(yīng)用 監(jiān)測大跨距輸電線路 實時監(jiān)控電線的應(yīng)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(shè)備不受惡劣天氣影響 電池電量維持節(jié)點連續(xù)工作一年以上案例案例4 高爾夫球場應(yīng)用高爾夫球場應(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)點埋在草皮土壤下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(shù)據(jù)節(jié)點放置點節(jié)點放置點 節(jié)點節(jié)點6 總結(jié)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)大量廉價小型或微型的各類集成化傳感器節(jié)器節(jié)點協(xié)作地實時感知、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