無線傳感器網絡技術及應用1資料

1、第1章 無線傳感器網絡(wnglu)基礎知識 1.1 無線傳感器網絡的概念(ginin)與特點1.2 無線傳感器網絡的發(fā)展1.3 無線傳感器網絡結構1.4 無線傳感器網絡的應用及關鍵技術共六十三頁1.1 無線傳感器網絡的概念與特點1.1.1 無線傳感器網絡的概念無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)是新一代的傳感器網絡，具有(jyu)非常廣泛的應用前景，其發(fā)展和應用將會給人類的生活和生產的各個領域帶來深遠影響。2001年1月MIT技術評論將無線傳感器列于十種改變未來世界新興技術之首。2003年8月，商業(yè)周刊預測：無線傳感器網絡將會在不遠的將來掀起新的產業(yè)浪潮。

2、2004年IEEE Spectrum雜志出版了專集傳感器的國度，論述無線傳感器網絡的發(fā)展和可能的廣泛應用。我國未來20年預見技術的調查報告中，信息領域157項技術課題有7項與共六十三頁傳感器網絡直接相關。2006年年初發(fā)布的國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要為信息技術確定了三個前沿方向，其中兩個與無線傳感器的研究直接相關，即智能感知技術和自組織網絡技術。可以預計，無線傳感器網絡的研究與應用的進一步發(fā)展是一種必然趨勢，將會給人類社會帶來極大的變革。無線傳感器網絡綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等先進技術，能夠協同地實時監(jiān)測、感知和采集網絡覆蓋區(qū)域中各種環(huán)

3、境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理，處理后的信息通過(tnggu)無線方式發(fā)送，并以多跳自組的網絡方式傳送給觀察者。共六十三頁無線傳感器網絡可以定義為：無線傳感器網絡是由部署(b sh)在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡的網絡系統，其目的是協作感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者?？梢钥闯?，傳感器、感知對象和觀察者是傳感器網絡的三個基本要素。這三個要素之間通過無線網絡建立通信路徑，協作地感知、采集、處理、發(fā)布感知信息。共六十三頁1.1.2 無線傳感器網絡的特點目前常見的無線網絡包括移動通信網、無線局域網、藍牙網絡、Ad H

4、oc網絡等，它們在通信方式、動態(tài)組網以及多跳通信等方面有許多相似之處，但同時也存在很大的差別。與這些無線網絡相比，無線傳感器網絡具有如下特點：(1) 電源能量有限。傳感器節(jié)點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。由于傳感器節(jié)點數目龐大，成本要求低廉，分布區(qū)域廣，而且部署區(qū)域環(huán)境復雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達，所以傳感器節(jié)點通過更換電池的方式來補充能源是不現實的。如何在使用過程中節(jié)省能源，最大化網絡的生命周期，是傳感器網絡面臨的首要(shuyo)挑戰(zhàn)。共六十三頁(2) 通信能量有限。傳感器網絡的通信帶寬窄而且經常變化，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。傳感器網絡更容易受到高山、建筑物、障礙物等地勢地

5、貌(dmo)以及風雨雷電等自然環(huán)境的影響，傳感器可能會長時間脫離網絡，離線工作。因此，如何在有限通信能力的條件下高質量地完成感知信息的處理與傳輸，是傳感器網絡面臨的挑戰(zhàn)之一。(3) 傳感器節(jié)點的計算能力和存儲能力有限。傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設備，其價格低，功耗小，處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。為了完成各種任務，傳感器節(jié)點需要完成監(jiān)測數據的采集和轉換、數據的管理和處理、應答匯聚節(jié)點的任務請求和節(jié)點控制等多種工作。如何利用有限的計算和存儲資源完成諸多協同任務成為傳感器網絡設計的挑戰(zhàn)。共六十三頁(4) 網絡規(guī)模大，分布廣。傳感器網絡中的節(jié)點分布密集，數量巨大。此外，傳感器網絡可以分布在很廣

6、泛的地理區(qū)域。傳感器網絡的這一特點使得網絡的維護十分困難甚至不可維護，因此傳感器網絡的軟、硬件必須具有高強壯(qingzhung)性和容錯性，以滿足傳感器網絡的功能要求。共六十三頁(5) 自組織、動態(tài)性網絡。在傳感器網絡應用中，傳感器節(jié)點多通過隨機布撒的方式放置，其位置往往不能預先精確設定，節(jié)點之間的相互鄰居關系預先也不知道。這就要求傳感器節(jié)點具有自組織能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協議自動形成轉發(fā)監(jiān)控數據的多跳無線網絡系統。同時，由于部分傳感器節(jié)點能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，以及經常有新的節(jié)點加入，或是網絡中的傳感器、感知(gnzh)對象和觀察者這三要素都可能具有移動性

7、，這就要求傳感器網絡必須具有很強的動態(tài)性，以適應網絡拓撲結構的動態(tài)變化。共六十三頁(6) 無線傳感器網絡的傳感器節(jié)點具有(jyu)數據融合能力，與Mesh網絡的區(qū)別是數據少、易移動以及注重節(jié)點的能源，與無線Ad Hoc網絡相比數量多、密度大、易受損、拓撲結構變動頻繁。此外，無線傳感器網絡的傳感器節(jié)點還具有(jyu)廣播式點對多通信、節(jié)點能量及計算能力受限等特點。共六十三頁1.2 無線傳感器網絡的發(fā)展1.2.1 無線傳感器網絡的發(fā)展階段無線傳感器網絡的發(fā)展分為以下幾個階段：第一階段：最早可以追溯至20世紀(shj)70年代越戰(zhàn)時期使用的傳統的傳感器系統。當年美越雙方在密林覆蓋的“胡志明小道”上進

8、行了一場血腥較量，這條道路是胡志明部隊向南方游擊隊源源不斷輸送物資的秘密通道，美軍曾經絞盡腦汁動用航空兵狂轟濫炸，但效果不理想。后來，美軍投放了2萬多個“熱帶樹”傳感器。共六十三頁所謂“熱帶樹”，實際上是由震動和聲響傳感器組成的系統，它由飛機投放，落地后插入泥土中，只露出偽裝成樹枝(sh zh)的無線電天線，因而被稱為“熱帶樹”。只要越軍車隊經過，傳感器就會探測出目標產生的震動和聲響信息并自動發(fā)送到指揮中心，美軍飛機立即展開追殺，總共炸毀或炸壞越軍4.6萬輛卡車。第二階段：20世紀80年代至90年代。此階段主要是美軍研制的分布式傳感器網絡系統、海軍協同交戰(zhàn)能力系統、遠程戰(zhàn)場傳感器系統等。這種現

9、代微型化的傳感器具備感知能力、計算能力和通信能力。共六十三頁第三階段：21世紀初至今。這個階段的傳感器網絡技術特點在于網絡傳輸自組織、節(jié)點設計低功耗。除了應用于情報部門反恐活動以外，在其他領域也獲得了很好的應用，所以2002年美國國家重點實驗室橡樹嶺實驗室提出了“網絡就是(jish)傳感器”的論斷。共六十三頁無線傳感器網絡經歷了智能傳感器、無線智能傳感器和無線傳感器網絡三個階段。智能傳感器將計算能力嵌入到傳感器中，使得傳感器節(jié)點不僅具有數據采集能力，而且具有濾波和信息處理能力；無線智能傳感器在智能傳感器的基礎上增加了無線通信能力，大大延長了傳感器的感知觸角，降低了傳感器的工程實施成本(chng

10、bn)；無線傳感器網絡則將網絡技術引入到無線智能傳感器中，使得傳感器不再是單個的感知單元，而是能夠交換信息、協調控制的有機結合體，實現了物與物的互聯，把感知觸角深入世界各個角落，必將成為下一代互聯網的重要組成部分。共六十三頁1.2.2 無線傳感器網絡技術發(fā)展背景1996年，美國UCLA的William J.Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗無線集成微型傳感器”揭開了現代WSN的序幕。1998年，同是UCLA的Gregory J.Pottie教授從網絡研究的角度重新闡釋了WSN的科學意義。在其后的10余年里，WSN技術得到學術界、工業(yè)界乃至政府的廣泛關注，成為在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、

11、健康護理、智能家居、建筑物結構監(jiān)控、復雜機械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等眾多領域中最有競爭力的應用(yngyng)技術之一。美國商業(yè)周刊將WSN列為21世紀最有影響的技術之一，麻省理工學院(MIT)技術評論則將其列為改變世界的十大技術之一。共六十三頁1WSN相關的會議和組織WSN技術一經提出，就迅速在研究界和工業(yè)界得到了廣泛的認可。1998年到2003年，各種無線通信、Ad Hoc網絡、分布式系統的會議開始大量收錄與WSN技術相關的文章。2001年，美國計算機學會(ACM)和IEEE成立了第一個專門針對傳感網技術的會議International

12、 Conference on Information Processing in Sensor Network(IPSN)，為WSN技術的發(fā)展開拓了一片新的技術園地。2003年到2004年，一批針對傳感網技術的會議相繼組建。ACM在2005年還專門創(chuàng)刊ACM Transaction on Sensor Network，用來出版最優(yōu)秀的傳感器網絡技術成果。2004年，Boston大學與BP、Honeywell、Inetco Systems、Invensys、Millennial Net、Radianse、Sensicast Systems等公司聯合創(chuàng)辦了傳感器網絡協會，旨在促進WSN技術的開發(fā)。

13、2006年10月，中國計算機學會傳感器網絡專委會在北京正式成立，標志著中國WSN技術研究開始進入(jnr)一個新的歷史階段。共六十三頁2相關科研和工程項目從20世紀90年代開始，美國就陸續(xù)展開分布式傳感器網絡(DSN)、集成的無線網絡傳感器(WINS)、智能塵埃(Smart Dust)、無線嵌入式系統(xtng)(WEBS)、分布式系統(xtng)可升級協調體系結構研究(SCADDS)、嵌入式網絡傳感(CENS)等一系列重要的WSN研究項目。自2001年起，美國國防部遠景研究計劃局(DARPA)每年都投入千萬美元進行WSN技術研究，設立了Smart Sensor Web、靈巧傳感器網絡通信、無

14、人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸鞲衅鹘M網系統(xtng)、網狀傳感器系統(xtng)等一系列軍事傳感器網絡研究項目。在美國自然科學基金委員會的推動下，美國麻省理工共六十三頁學院、加州大學伯克利分校、加州大學洛杉磯分校、南加州大學、康奈爾大學、伊利諾斯大學等許多著名高校也進行了大量WSN的基礎理論和關鍵技術的研究。除美國以外，日本、英國、意大利、巴西等國家也對傳感器網絡表現出了極大的興趣(xngq)，并各自展開了該領域的研究工作。中國現代意義的WSN及其應用研究幾乎與發(fā)達國家同步啟動，首先被記錄在1999年發(fā)表的中國科學院知識創(chuàng)新工程試點領域方向研究的信息與自動化領域研究報告中。共六十三頁2001年，中國

15、科學院成立了微系統研究與發(fā)展中心，掛靠中科院上海微系統所，旨在整合中科院內部的相關單位，共同推進傳感器網絡的研究。從2002年開始，中國國家自然(zrn)科學基金委員會開始部署傳感器網絡相關的課題。截至2008年年底，中國國家自然(zrn)基金共支持面上項目111項、重點項目3項；國家“863”重點項目發(fā)展計劃共支持面上項目30余項，國家重點基礎研究發(fā)展計劃“973”也設立了兩項與傳感器網絡直接相關的項目；國家發(fā)改委中國下一代互聯網工程項目(CNGI)也對傳感器網絡項目進行了連續(xù)資助?！爸袊磥?0年技術預見研究”提出的157個技術課題中有7項直接涉及無線傳感器網絡。這些專項的設立將大大推進W

16、SN網絡技術在應用領域的快速發(fā)展。共六十三頁3WSN技術的成熟度分析Gartner信息技術研究與咨詢公司從2005年到2008年對WSN技術進行了追蹤和評估。2005年，Gartner認為WSN技術的關注度已經越過了膨脹高峰并回歸理性，表現為以美國為首的科研人員開始理性反思這種技術模式是不是有進一步推廣和發(fā)展的機會(j hu)。當時的預期比較樂觀，認為該技術將在25年內走向成熟。2006年，Gartner的評估認為該技術正按照預定曲線前行，但成熟時間要更長一些。到了2007年，Gartner發(fā)現對該技術的關注度又有大幅度回升，但其市場并沒有走向高產能期，而似乎又回到了技術膨脹期。同時，距離成熟

17、的時間仍然是10年以上。共六十三頁超過5年的市場預測往往意味著公司對該項技術缺乏準確的判斷。從這一點上看，WSN技術從市場的角度上看還有些撲朔迷離。Gartner的2008年技術預測報告中沒有對該領域進行預測也正是基于這一點。這種結果(ji gu)的可能原因是殺手級應用所需的幾項關鍵性的支撐技術目前難于突破，微型化、可靠性、能量供給在目前看來是制約應用的最大問題。共六十三頁無線傳感器網絡技術要想在未來十幾年內有所發(fā)展(fzhn)，一方面要在這些關鍵的支撐技術上有所突破，另一方面則要在成熟的市場中尋找應用，構思更有趣、更高效的應用模式。值得慶幸的是，WSN技術在中國找到了發(fā)展(fzhn)機會。政

18、府引導、研究人員的推動和企業(yè)的積極參與大大加快了WSN技術的市場化進程。中國必將在WSN技術和市場推進中發(fā)揮重要作用。共六十三頁1.3 無線傳感器網絡結構1.3.1 無線傳感器網絡(wnglu)的體系結構無線傳感器網絡的體系結構如圖1.1所示。監(jiān)測區(qū)域中隨機分布著大量的傳感器節(jié)點，這些節(jié)點以自組織的方式構成網絡結構。每個節(jié)點既有數據采集又有路由功能，采集數據經過多跳傳遞給匯聚節(jié)點，連接到互聯網。在網絡的任務管理節(jié)點對信息進行管理、分類、處理，最后供用戶進行集中處理。共六十三頁圖1.1 無線傳感器網絡(wnglu)的體系結構 共六十三頁1.3.2 無線傳感器網絡的節(jié)點結構節(jié)點同時具有傳感、信息處

19、理和進行無線通信及路由的功能。對于不同的應用環(huán)境，節(jié)點的結構也可能不一樣，但它們的基本組成部分是一致的，一個節(jié)點通常由傳感器、微處理器、存儲器、A/D轉換接口、無線發(fā)射以及接收裝置和電源組成。概括之，無線傳感器節(jié)點可分為(fn wi)傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四個部分，如圖1.2所示。共六十三頁圖1.2 無線傳感器節(jié)點(ji din)的體系結構 共六十三頁傳感器模塊負責信息采集和數據轉換；處理器模塊控制整個傳感器節(jié)點的操作，處理本身采集的數據和其他節(jié)點發(fā)來的數據，運行高層(o cn)網絡協議；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行通信；能量供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需

20、的能量，通常是微型蓄電池。共六十三頁1.3.3 無線傳感器網絡應用系統結構無線傳感器網絡應用系統結構如圖1.3所示。無線傳感器網絡應用支撐層、無線傳感器網絡基礎設施和基于無線傳感器網絡的應用程序以及管理、信息安全等部分組成了無線傳感器網絡中間件與平臺軟件。其基本含義是，應用支撐層支持應用業(yè)務層為各個應用領域服務，提供所需的各種( zhn)通用服務，這一層的核心是中間件軟件；管理和信息安全是貫穿各個層次的保障。無線傳感器網絡中間件與平臺軟件體系結構主要分為四個層次：網絡適配層、基礎軟件層、應用開發(fā)層和應用業(yè)務適配層。其中，網絡適配層和基礎軟件層組成 共六十三頁無線傳感器網絡節(jié)點嵌入式軟件(部署在

21、無線傳感器網絡節(jié)點中)的體系結構，應用開發(fā)層和基礎軟件層組成無線傳感器網絡應用支撐(zh chng)結構(支持應用業(yè)務的開發(fā)與實現)。在網絡適配層中，網絡適配器是對無線傳感器網絡底層(無線傳感器網絡基礎設施、無線傳感器操作系統)的封裝。基礎軟件層包含無線傳感器網絡各種中間件。這些中間件構成了無線傳感器網絡平臺軟件的公共基礎，并提供了高度的靈活性、模塊性和可移植性。共六十三頁圖1.3 無線傳感器網絡應用系統結構 共六十三頁無線傳感器網絡中間件有如下幾種：(1) 網絡中間件：完成無線傳感器網絡接入服務(fw)、網絡生成服務(fw)、網絡自愈合服務(fw)、網絡連通等。(2) 配置中間件：完成無線傳

22、感器網絡的各種配置工作，例如路由配置、拓撲結構的調整等。(3) 功能中間件：完成無線傳感器網絡各種應用業(yè)務的共性功能，提供各種功能框架接口。(4) 管理中間件：為無線傳感器網絡應用業(yè)務實現各種管理功能，例如目錄服務、資源管理、能量管理和生命周期管理。共六十三頁(5) 安全中間件：為無線傳感器網絡應用業(yè)務實現各種安全功能，例如安全管理、安全監(jiān)控和安全審計。無線傳感器網絡中間件與平臺軟件采用(ciyng)層次化、模塊化的體系結構，使其更加適應無線傳感器網絡應用系統的要求，并用自身的復雜換取應用開發(fā)的簡單，而中間件技術能夠更簡單明了地滿足應用的需要。一方面，中間件提供滿足無線傳感器網絡個性化應用的解

23、決方案，形成了一種特別適用的支撐環(huán)境；另一方面，中間件通過整合，使無線傳感器網絡應用只需面對一個可以解決問題的軟件平臺。因此，無線傳感器網絡中間件與平臺軟件的靈活性、可擴展性保證了無線傳感器網絡的安全性，提高了無線傳感器網絡的數據管理能力和能量效率，降低了應用開發(fā)的復雜性。共六十三頁1.3.4 無線傳感器網絡通信體系結構無線傳感器網絡的實現需要自組織網絡技術，相對于一般意義上的自組織網絡，傳感器網絡具有以下特點，需要在體系結構的設計中加以特殊考慮。(1) 無線傳感器網絡中的節(jié)點數目眾多，這就對傳感器網絡的可擴展性提出了要求。由于傳感器節(jié)點的數目多，開銷大，傳感器網絡通常不具備全球(qunqi)

24、唯一的地址標識，這使得傳感器網絡的網絡層和傳輸層相對于一般網絡而言有很大的簡化。共六十三頁(2) 自組織傳感器網絡最大的特點就是能量受限，傳感器節(jié)點受環(huán)境的限制，通常由電量有限且不可更換的電池供電，所以在考慮傳感器網絡體系結構以及各層協議設計時，節(jié)能是設計的主要考慮目標之一。(3) 由于傳感器網絡應用環(huán)境具有特殊性、無線信道不穩(wěn)定以及能源受限的特點，傳感器網絡節(jié)點受損的概率遠大于傳統網絡節(jié)點，因此自組織網絡的健壯性保障是必需的，以保證部分傳感器網絡的損壞不會影響全局任務的進行。(4) 傳感器節(jié)點高密度部署，網絡拓撲結構變化快，對拓撲(tu p)結構的維護也提出了挑戰(zhàn)。共六十三頁根據以上特性分析

25、，傳感器網絡需要根據用戶對網絡的需求設計適應自身特點的網絡體系結構，為網絡協議和算法的標準化提供統一(tngy)的技術規(guī)范，使其能夠滿足用戶的需求。無線傳感器網絡通信體系結構如圖1.4所示，即橫向的通信協議層和縱向的傳感器網絡管理面。通信協議層可以劃分為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，而網絡管理面可以劃分為能耗管理面、移動性管理面和任務管理面。網絡管理面主要用于協調不同層次的功能以求在能耗管理、移動性管理和任務管理方面獲得綜合考慮的最優(yōu)設計。共六十三頁圖1.4 無線傳感器網絡通信體系結構 共六十三頁1.4 無線傳感器網絡(wnglu)的應用及關鍵技術1.4.1 WSN的應用WSN的

26、應用可以分為監(jiān)測和追蹤兩類，如圖1.5所示。監(jiān)測應用包括室環(huán)境監(jiān)測、公共衛(wèi)生監(jiān)測、商業(yè)監(jiān)測、生物監(jiān)測、軍事監(jiān)測等方面。跟蹤應用包括工業(yè)追蹤、公共事業(yè)追蹤、商業(yè)追蹤、軍事追蹤等方面。共六十三頁圖1.5 無線傳感器網絡應用分類(fn li) 共六十三頁1軍事領域2005年，美國軍方成功測試(csh)了由美國Crossbow產品組建的槍聲定位系統，為救護、反恐提供了有力手段。美國科學應用國際公司采用無線傳感器網絡，構筑了一個電子周邊防御系統，可為美國軍方提供軍事防御和情報信息。中國中科院微系統所主導的團隊積極開展基于WSN的電子圍欄技術的邊境防御系統的研發(fā)和試點，已取得了階段性的成果。共六十三頁2公

27、共衛(wèi)生WSN可用于殘疾人監(jiān)測、病人監(jiān)測、診斷及醫(yī)院藥品管理系統。C.R.Badker等人指出，在公共衛(wèi)生醫(yī)療監(jiān)測中應用WSN能提高現有衛(wèi)生和病人的監(jiān)測狀況。他們提出了四種應用原型：嬰兒監(jiān)測、聾人提醒、血壓監(jiān)測與追蹤以及消防員身體特征信號監(jiān)測。這些原型采用了SHIMME和T-mote節(jié)點。在醫(yī)療監(jiān)控方面，美國英特爾公司目前正在研制家庭護理的無線傳感器網絡系統，它是美國“應對老齡化社會技術項目”的一項重要內容。另外，在對特殊醫(yī)院(精神(jngshn)類或殘障類)中病人的位置監(jiān)控方面，WSN也有巨大的應用潛力。共六十三頁3環(huán)境應用無線傳感器網絡的應用包括跟蹤生物，如鳥類、小動物和昆蟲的遷移，監(jiān)測影響

28、農作物的環(huán)境，以及監(jiān)測大海、土壤及森林火災等。美國(mi u)加利福尼亞州索諾馬縣應用WSN研究紅木樹林的現狀，每個傳感器節(jié)點用于測量空氣溫度、相對濕度以及光合有效輻射作用。在樹的不同高度放置節(jié)點，生物學家可以追蹤紅木樹林小氣候的空間漸變情況，從而驗證其生物學理論。哈佛大學Matt Welsh等人將傳感器網絡應用于火山的監(jiān)測。他們分別于2004年和2005年對厄瓜多爾的Tungurahua和Reventodaor兩座火山進行了監(jiān)測。該網絡由16個傳感器節(jié)點組成，每個傳感器間隔200400 m不等。在19天的觀測中，網絡觀測到230次火山噴發(fā)和其他事件。在肯尼亞構建的ZebraNet系統是一個移

29、動傳感網絡，用于追蹤動物的遷移。該系統將跟蹤節(jié)點安裝在斑馬的項圈上，目的在于準確記錄斑馬的位置，用于生物行為分析。共六十三頁在環(huán)境監(jiān)控和精細農業(yè)方面，WSN的應用最為廣泛。2002年，英特爾公司率先在俄勒岡建立了世界上第一個無線葡萄園，這是一個典型的精細農業(yè)、智能耕種的實例。杭州齊格科技有限公司與浙江農科院合作研發(fā)了遠程農作物管理決策服務平臺，該平臺利用無線傳感器技術實現了對農田溫室大棚溫度、濕度、露點、光照等環(huán)境信息的監(jiān)測。4工業(yè)應用在工業(yè)監(jiān)控方面，美國英特爾公司為俄勒岡的一家芯片制造廠安裝了200臺無線傳感器，用來監(jiān)控部分工廠設備的振動情況，并在測量(cling)結果超出規(guī)定時提供監(jiān)測報告

30、。西安成峰公司與陜西天和集團合作開發(fā)了礦井環(huán)境監(jiān)測系統和礦工井下區(qū)段定位系統。共六十三頁5公共事業(yè)領域在民用安全監(jiān)控方面，英國一家博物館的工作人員利用無線傳感器網絡設計了一個報警系統，他們(t men)將節(jié)點放在珍貴文物或藝術品的底部或背面，通過偵測燈光的亮度改變和振動情況，來判斷展覽品的安全狀態(tài)。中科院計算所在故宮博物院實施的文物安全監(jiān)控系統也是WSN技術在民用安防領域中的典型應用?，F代建筑的發(fā)展不僅要求為人們提供更加舒適、安全的房屋和橋梁，而且希望建筑本身能夠對自身的健康狀況進行評估。WSN技術在建筑結構健康監(jiān)控方面發(fā)揮著重要作用。2004年，哈爾濱工業(yè)大學在深圳地王大廈實施部署了監(jiān)測環(huán)境

31、噪聲和震動加速度響應測試的WSN網絡系統。共六十三頁在智能交通方面，美國交通部提出了“國家智能交通系統項目規(guī)劃”，預計到2025年全面投入使用。該系統綜合運用大量傳感器網絡，配合GPS系統、區(qū)域網絡系統等資源，實現(shxin)對交通車輛的優(yōu)化調度，并為個體交通推薦實時的、最佳的行車路線服務。目前在美國賓夕法尼亞州的匹茲堡市已經建有這樣的智能交通信息系統。以中科院上海微系統所為首的研究團隊正在積極開展WSN在城市交通中的應用。中科院軟件所在地下停車場基于WSN網絡技術實現(shxin)了細粒度的智能車位管理系統，使得停車信息能夠迅速通過發(fā)布系統推送給附近的車輛，大大提高了停車效率。共六十三頁在

32、物流領域中，基于RFID和傳感器節(jié)點在大粒度商品物流管理中已得到了廣泛的應用。寧波中科萬通公司與寧波港合作，實現了基于RFID網絡的集裝箱和卡車的智能化管理。在智能家居領域中，浙江大學計算機系的研究人員開發(fā)了一種基于WSN網絡的無線水表系統(xtng)，能夠實現水表的自動抄錄。復旦大學、電子科技大學等單位研制了基于WSN網絡的智能樓宇系統(xtng)，其典型結構包括照明控制、警報門禁以及家電控制的PC系統(xtng)，各部件自治組網，最終由PC將信息發(fā)布到互聯網上，人們可以通過互聯網終端對家庭狀況實施監(jiān)測。共六十三頁1.4.2 無線傳感器網絡的關鍵技術WSN技術是多學科交叉的研究領域，包含(b

33、ohn)眾多研究方向。WSN技術具有應用相關性，利用通用平臺構建的系統都無法達到最優(yōu)效果。WSN技術的應用定義要求網絡中節(jié)點設備能夠在有限能量(功率)供給下實現對目標的長時間監(jiān)控，因此網絡運行的能量效率是一切技術元素的優(yōu)化目標。無線傳感器網絡的核心關鍵技術和關鍵支撐技術如下。共六十三頁1核心(hxn)關鍵技術1) 組網模式在確定采用無線傳感器網絡技術進行應用系統設計后，首先面臨的問題是采用何種組網模式。(1) 扁平組網模式。此模式中所有節(jié)點的角色相同，通過相互協作完成數據的交流和匯聚。最經典的定向擴散路由(Direct Diffusion)就是這種組網模式。(2) 基于分簇的層次型組網模式。此

34、模式中的節(jié)點分為普通傳感器節(jié)點和用于數據匯聚的簇頭節(jié)點，傳感器節(jié)點將數據先發(fā)送到簇頭節(jié)點，然后由簇頭節(jié)點匯聚到后臺。簇頭節(jié)點完成的工作和消耗的能量更多。共六十三頁(3) 網狀網(Mesh)模式。Mesh模式在傳感器節(jié)點形成的網絡上增加一層固定無線網絡，用來收集傳感器節(jié)點的數據，另一方面實現節(jié)點之間的信息通信以及網內融合處理。(4) 移動匯聚模式。此模式使用移動終端收集目標區(qū)域的傳感數據，并轉發(fā)到后端服務器。采用移動匯聚模式可以提高網絡的容量(rngling)，但數據的傳遞延遲與移動匯聚節(jié)點的軌跡相關。如何控制移動終端軌跡和速率是該模式研究的重要目標。共六十三頁2) 拓撲控制組網模式決定了網絡的

35、總體拓撲結構，但為了實現WSN網絡的低能耗運行，還需要對節(jié)點連接關系的時變規(guī)律進行細粒度控制。目前主要的拓撲控制技術分為時間控制、空間控制和邏輯控制三種。時間控制是通過控制每個節(jié)點睡眠、工作的占空比，調度節(jié)點間睡眠起始時間，讓節(jié)點交替工作，網絡拓撲在有限的拓撲結構間切換；空間控制是通過控制節(jié)點發(fā)送功率改變節(jié)點的連通區(qū)域，使網絡呈現不同的連通形態(tài)，從而獲得控制能耗、提高網絡容量的效果；邏輯控制是通過鄰居表將不“理想的”節(jié)點排除在外，從而形成更穩(wěn)固、可靠和強健的拓撲。WSN技術中，拓撲控制的目的在于實現網絡的連通(實時連通或機會(j hu)連通)的同時保證信息的能量高效、可靠地傳輸。共六十三頁3)

36、 媒體訪問控制和鏈路控制媒體訪問控制(MAC)和鏈路控制解決無線網絡中普遍存在的沖突和丟失問題，根據網絡中數據流狀態(tài)控制臨近節(jié)點乃至網絡中所有節(jié)點的信道訪問方式和順序，達到高效利用網絡容量，減低能耗的目的。要實現拓撲控制中的時間和空間控制，WSN的MAC層需要配合(pih)完成睡眠機制、時分信道分配和空分復用等功能。共六十三頁4) 路由、數據轉發(fā)及跨層設計WSN中的數據流向與Internet相反：在Internet中，終端設備主要(zhyo)從網絡上獲取信息；而在WSN中，終端設備是向網絡提供信息。因此，WSN網絡層協議設計有自己的獨特要求。由于在WSN網絡中對能量效率的苛刻要求，研究人員通常

37、利用MAC層的跨層服務信息來進行轉發(fā)節(jié)點、數據流向的選擇。另外，網絡在任務發(fā)布過程中一般要將任務信息傳送給所有的節(jié)點，因此設計能量高效的數據分發(fā)協議也是網絡層研究的重點。網絡編碼技術也是提高網絡數據轉發(fā)效率的一項技術。在分布式存儲網絡架構中，一份數據往往有不同的代理對其感興趣，網絡編碼技術通過有效減少網絡中數據包的轉發(fā)次數，來提高網絡容量和效率。 共六十三頁5) QoS保障和可靠性設計QoS保障和可靠性設計技術是傳感器網絡走向可用的關鍵技術之一。QoS保障技術包括通信層控制和服務層控制。傳感器網絡大量的節(jié)點如果沒有質量控制，將很難完成實時監(jiān)測環(huán)境(hunjng)變化的任務?？煽啃栽O計技術的目的

38、是保證節(jié)點和網絡在惡劣工作條件下長時間工作。節(jié)點計算和通信模塊的失效直接導致節(jié)點脫離網絡，而傳感模塊的失效則可能導致數據出現畸變，造成網絡的誤警。如何通過數據檢測失效節(jié)點也是關鍵研究內容之一。 共六十三頁6) 移動控制模型隨著WSN組織結構從固定模式向半移動乃至全移動轉換，節(jié)點的移動控制模型變得越來越重要。Luo J. 等指出，當匯聚節(jié)點沿著網絡邊緣移動收集時可以最大限度地提高網絡生命周期；Bi Y. 等提出了多種匯聚點移動策略，根據每輪數據匯聚情況，估計下一輪能夠最大延長網絡生命周期的匯聚點位置；Butler Z. 等針對(zhndu)事件發(fā)生頻度自適應移動節(jié)點的位置，使感知節(jié)點更多地聚集在

39、使事件經常發(fā)生的地方，從而分擔事件匯報任務，延長網絡壽命。共六十三頁2關鍵支撐技術1) WSN網絡的時間同步技術時間同步技術是完成實時信息采集的基本要求，也是提高定位精度的關鍵手段。常用方法是通過時間同步協議完成節(jié)點間的對時，通過濾波技術抑制時鐘噪聲和漂移。最近，利用耦合振蕩器的同步技術實現(shxin)網絡無狀態(tài)自然同步方法也備受關注，這是一種高效的、可無限擴展的時間同步新技術。 共六十三頁2) 基于WSN的自定位和目標定位技術定位跟蹤技術包括節(jié)點自定位和網絡區(qū)域內的目標定位跟蹤。節(jié)點自定位是指確定網絡中節(jié)點自身位置，這是隨機部署組網的基本要求。GPS技術是室外慣常采用的自定位手段，但這種技

40、術成本較高，另一方面在有遮擋的地區(qū)會失效。傳感器網絡更多采用混合定位方法，即手動部署少量的錨節(jié)點(攜帶GPS模塊(m kui)，其他節(jié)點根據拓撲和距離關系進行間接位置估計。目標定位跟蹤通過網絡中節(jié)點之間的配合完成對網絡區(qū)域中特定目標的定位和跟蹤，一般建立在節(jié)點自定位的基礎上。 共六十三頁3) 分布式數據管理和信息融合分布式動態(tài)實時數據管理是以數據中心為特征的WSN網絡的重要技術之一。該技術部署或者指定一些節(jié)點為代理節(jié)點，代理節(jié)點根據監(jiān)測任務收集興趣數據。監(jiān)測任務通過分布式數據庫的查詢語言下達給目標區(qū)域的節(jié)點。在整個體系中，WSN網絡被當作分布式數據庫獨立存在，實現(shxin)對客觀物理世界的

41、實時和動態(tài)監(jiān)測。信息融合技術是指節(jié)點根據類型、采集時間、地點、重要程度等信息標度，通過聚類技術將收集到的數據進行本地的融合和壓縮，一方面排除信息冗余，減少網絡通信開銷，節(jié)省能量；另一方面可以通過貝葉斯推理技術實現(shxin)本地的智能決策。共六十三頁4) WSN的安全技術安全通信和認證技術在軍事、金融等敏感信息傳遞應用中有直接需求。傳感器網絡由于部署環(huán)境和傳播介質的開放性，很容易受到各種攻擊。但受無線傳感器網絡資源限制，直接應用安全通信、完整性認證、數據新鮮性、廣播認證等現有算法存在實現困難的問題。鑒于此，研究人員一方面探討在不同組網形式、網絡協議設計中可能遭到的各種攻擊形式，另一方面設計安全強度可控的簡化算法和精巧協議，滿足(mnz)傳感器網絡的現實需求。共六十三頁5) 精細控制(kngzh)、深度嵌入的操作系統技術作為深度嵌入的網絡系統，WSN網絡對操作系統也有特別的要求，既要能夠完成基本體系結構支持的各項功能，又不能過于復雜。從目前發(fā)展狀況來看，TinyOS是最成功的WSN專用操作系統。