第章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

第十六章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)例分析第十六章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用概述

早在20世紀(jì)70年代，第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)就誕生了。第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)特別簡(jiǎn)單，只能獲取簡(jiǎn)單信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，傳感器節(jié)點(diǎn)與傳感控制器相連就構(gòu)成了這樣一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。

第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)在第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)上功能稍有增強(qiáng)，它能夠讀取多種信號(hào)，硬件上采用的是串/并接口來連接傳感控制器，是一種能夠綜合多種信息的傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)更新的速度越來越快，

在20世紀(jì)90年代后期，第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)問世，它更加智能化，綜合處理能力更強(qiáng)，能夠智能地獲取各種信息，網(wǎng)絡(luò)采用局域網(wǎng)形式，通過一根總線實(shí)現(xiàn)傳感器控制器的連接，是一種智能化的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

到現(xiàn)在為止，第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)還在開發(fā)之中，雖然在實(shí)驗(yàn)室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)能夠運(yùn)行，但限于節(jié)點(diǎn)成本、電池生命周期等原因，大規(guī)模使用的產(chǎn)品出現(xiàn)得還很少，這一代網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用的是無線通信模式，大規(guī)模地撒播具有簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理和融合能力的傳感器節(jié)點(diǎn)，無線自組織地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間節(jié)點(diǎn)的相互通信，這就構(gòu)成第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)，也就是我們所說的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由在應(yīng)用場(chǎng)景內(nèi)隨機(jī)分布的嵌入式傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，具有鮮明的特點(diǎn)。1．大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)無線傳感器可以部署到很大的地理區(qū)域，節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大，節(jié)點(diǎn)密度高，如水質(zhì)監(jiān)測(cè)、森林防火監(jiān)測(cè)等應(yīng)用。2．自組織網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以依據(jù)組網(wǎng)機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，傳感器節(jié)點(diǎn)有自組織能力，能夠自動(dòng)形成可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的多跳無線通信系統(tǒng)。3．動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)隨時(shí)加入或離開，所以網(wǎng)絡(luò)要能夠感知節(jié)點(diǎn)的加入和移動(dòng)。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠適應(yīng)這些變化，具有動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)可重組性。概述4．可靠的網(wǎng)絡(luò)無線傳感器節(jié)點(diǎn)資源有限，其計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力不強(qiáng)，生命周期取決于電池，而且針對(duì)不同的應(yīng)用，傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也可能不同，對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)、回收和替換的可能性很小，因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要具有信息傳輸?shù)母叨瓤煽啃院蛯?duì)節(jié)點(diǎn)失效的高度容錯(cuò)性。5．以數(shù)據(jù)為中心無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)沒有唯一的IP地址，其網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)取決于采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不是類似于Internet的以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)獲取的指定事件的信息不是報(bào)告給某一個(gè)特定編號(hào)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，而是直接報(bào)告給網(wǎng)絡(luò)的，再由網(wǎng)絡(luò)報(bào)告給用戶，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景1．環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)2．軍事領(lǐng)域3．文物保護(hù)4．醫(yī)療護(hù)理5．空間探索6．建筑領(lǐng)域7．智能交通及其他靜態(tài)部署1．部署方法無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署方法與應(yīng)用密切相關(guān)，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署方法可以分為確定性部署和隨機(jī)部署兩類[13]。確定性部署通常應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)相對(duì)固定或應(yīng)用環(huán)境、節(jié)點(diǎn)位置信息、節(jié)點(diǎn)的密度等已知情況下，確定性部署通過對(duì)問題進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象成為靜態(tài)優(yōu)化問題或線性規(guī)劃問題，2．優(yōu)化對(duì)象根據(jù)優(yōu)化對(duì)象對(duì)部署進(jìn)行分類，可以分為基于覆蓋、基于網(wǎng)絡(luò)連通和能量有效性部署三類。3．節(jié)點(diǎn)角色節(jié)點(diǎn)的部署位置不僅影響節(jié)點(diǎn)的覆蓋與連通，更影響網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。一些學(xué)者利用不同類型的節(jié)點(diǎn)來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，如增加網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、最小化數(shù)據(jù)包延遲等。節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中可以充當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)、中間節(jié)點(diǎn)、基站節(jié)點(diǎn)或簇頭節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)不同的角色時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的性能參數(shù)依賴于節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的角色。靜態(tài)部署動(dòng)態(tài)部署傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)部署研究可以分為兩類。第一類是通過節(jié)點(diǎn)的自主移動(dòng)到達(dá)目標(biāo)位置實(shí)現(xiàn)部署，這種節(jié)點(diǎn)包括可移動(dòng)傳感器和機(jī)器人傳感器，其中可移動(dòng)傳感器是具有翻動(dòng)、彈跳等小距離移動(dòng)功能的傳感器，機(jī)器人傳感器是機(jī)器人與嵌入式無線傳感器的結(jié)合體，能在地形復(fù)雜或者地理信息未知的情況下參與到網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和運(yùn)作中。第二類動(dòng)態(tài)部署方法是借助機(jī)器人在區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)來放置節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并在網(wǎng)絡(luò)的工作過程中實(shí)時(shí)調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)。動(dòng)節(jié)點(diǎn)穿動(dòng)態(tài)優(yōu)部署皺可以攜追溯丟到機(jī)隊(duì)器人王的部針署，并國(guó)內(nèi)硬外已極有研繭究機(jī)貌構(gòu)進(jìn)推行了狗相關(guān)慢研究做，基受于動(dòng)精態(tài)部膚署的橋方式漠可以害分為潛以下倍三種.1．增在量式舟節(jié)點(diǎn)久部署單算法2．基出于人冒工勢(shì)拘場(chǎng)（示或虛其擬力液）的冶算法3．利侮用節(jié)巖點(diǎn)間抹的移煉動(dòng)算法動(dòng)態(tài)走部署無線注傳感福器網(wǎng)倉(cāng)絡(luò)應(yīng)流用實(shí)異例分訪析無線敗傳感慮器網(wǎng)包絡(luò)的甚定義悼為：狀大量茄無處雀不在窮的，蓄密集梯布設(shè)懸的具愿有通抖信與域計(jì)算紛能力巡壽的傳墻感器月節(jié)點(diǎn)即，可捎在無毫人值膊守的乳監(jiān)控?fù)u區(qū)域陪自組爽成網(wǎng)德絡(luò)，歌協(xié)作溝地感街知、堪采集滿和處紙理網(wǎng)糞絡(luò)覆斃蓋的泥地理播區(qū)域徒中感水知對(duì)檔象。無線赤傳感境器網(wǎng)夸絡(luò)技需術(shù)在你環(huán)境來上的荷應(yīng)用優(yōu)套勢(shì)體現(xiàn)敢在：平布設(shè)宅成本休低；戒無須源人工率維護(hù)姨，無信須大靠量人要員值月守，膊生態(tài)損環(huán)境粱不易垃遭到安破壞隙，不樂對(duì)人密們的轎生活慕造成癥影響后，反村饋信企息準(zhǔn)壺確、暴及時(shí)戚、可錫靠。耕無線蘿傳感五器網(wǎng)萬絡(luò)在響環(huán)境膽監(jiān)測(cè)妙應(yīng)用據(jù)方面往的優(yōu)盞勢(shì)無濤可比迷擬，戀其應(yīng)漫用和恐推廣遞將為頓社會(huì)形帶來職不可毒估量嚇的效追益和軟深遠(yuǎn)光影響賓。用于松礦井降環(huán)境此監(jiān)測(cè)框的無茶線傳坡感器旋網(wǎng)絡(luò)在礦裙井環(huán)慚境監(jiān)電測(cè)中茅通常謠需要視對(duì)礦睛井風(fēng)究速、虜?shù)V塵目、一達(dá)氧化進(jìn)碳、乳溫度鉤、濕丘度、請(qǐng)氧氣膝、硫繼化氫粱和二源氧化洲碳等喝參數(shù)陣進(jìn)行補(bǔ)檢測(cè)桂?，F(xiàn)浪有的飾監(jiān)控耕檢測(cè)梳系統(tǒng)宣需要淡在礦棍井內(nèi)忍設(shè)通溪信線識(shí)路，曾傳遞佳監(jiān)測(cè)鐮信息解。生擁產(chǎn)過伯程中鐮礦井稠結(jié)構(gòu)抽在不壓停變撞化，廢加之牽有些答坑道套空間凡狹小會(huì)，對(duì)諷通信協(xié)線路蹈的延僅伸和姻維護(hù)惠提出悼了很字高的廳要求綱。一較旦通剩信鏈直路發(fā)齒生故濫障，嘩整個(gè)設(shè)監(jiān)測(cè)秀系統(tǒng)評(píng)就可融能癱棉瘓?？?yàn)榻馓茮Q上客述問蔑題，跳本節(jié)向提出槳使用伸無線穩(wěn)傳感婆器網(wǎng)穴絡(luò)來潔進(jìn)行獲礦井殊環(huán)境慶的監(jiān)聚測(cè)監(jiān)告控。庫(kù)使用桐無線縣傳感睜器網(wǎng)訴絡(luò)進(jìn)蕉行環(huán)盲境監(jiān)軋控有瞧三個(gè)蔥顯著月的優(yōu)暮勢(shì)：（1）傳蚊感器浩節(jié)點(diǎn)孕體積吸小且嗽整個(gè)顏網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)只需匹要部乞署一考次，槍因此汽部署已傳感父器網(wǎng)薪絡(luò)對(duì)尼監(jiān)控鏡環(huán)境族的人踐為影盲響很徑小。（2）傳錯(cuò)感器宇網(wǎng)絡(luò)絹節(jié)點(diǎn)炸數(shù)量距大，什分布傭密度資高，慢每個(gè)餐節(jié)點(diǎn)灣可以淚檢測(cè)曠到局密部環(huán)趕境詳廚細(xì)信少息并送匯總產(chǎn)到基扔站，居因此音傳感右器網(wǎng)什絡(luò)具康有采陳集數(shù)盟據(jù)全袍面，汪精度判高的按特點(diǎn)膚。（3）無震線傳振感器閑節(jié)點(diǎn)鋒本身欺具有佛一定單的計(jì)食算能舍力和孩存儲(chǔ)惠能力川，可論以根設(shè)據(jù)物駱理環(huán)肝境的大變化艷進(jìn)行水較為艦復(fù)雜捎的監(jiān)絡(luò)控。1．無盯線傳責(zé)感器買網(wǎng)絡(luò)碼的框襪架結(jié)撥構(gòu)用于載礦井使環(huán)境舍監(jiān)測(cè)拖的無港線傳眨感器惠網(wǎng)絡(luò)傳感希器網(wǎng)腐絡(luò)系鴨統(tǒng)通某常包殼括傳流感器肌節(jié)點(diǎn)剝、匯譜聚節(jié)舒點(diǎn)和專管理曾節(jié)點(diǎn)擺。大兵量的鉛傳感童器節(jié)跨點(diǎn)隨落機(jī)部穩(wěn)署在杠監(jiān)測(cè)蝴區(qū)域害內(nèi)部弱或附棉近，具能夠訊通過掌自組枕織方劇式組廳成網(wǎng)缸絡(luò)。方各個(gè)登傳感崗器節(jié)親點(diǎn)監(jiān)雙測(cè)的弱數(shù)據(jù)隸沿著廚其他遙傳感息器節(jié)餡點(diǎn)進(jìn)肆行逐屠跳傳芹輸，嫩經(jīng)過違多跳滋后路析由到古匯聚覽節(jié)點(diǎn)出。用棗戶通宿過管住理節(jié)錢點(diǎn)對(duì)住傳感策器網(wǎng)甩絡(luò)進(jìn)邊行配蓬置和道管理魔，發(fā)榴布監(jiān)枝測(cè)任額務(wù)以壁及收啊集監(jiān)鹿測(cè)信誦息。1）網(wǎng)嚼絡(luò)系滅統(tǒng)結(jié)糠構(gòu)2）拓梢撲結(jié)魂構(gòu)用于藝礦井雞環(huán)境迫監(jiān)測(cè)忍的無恐線傳冰感器且網(wǎng)絡(luò)2．節(jié)育點(diǎn)的察軟/硬件束結(jié)構(gòu)1）硬贈(zèng)件結(jié)上構(gòu)節(jié)點(diǎn)慮硬件恰結(jié)構(gòu)卷如圖堡所示四，傳文感器月節(jié)點(diǎn)跪由傳勢(shì)感器脂模塊候、處劈燕理器樓模塊仗、無莫線通咬信模傾塊和席能量殘供應(yīng)巾模塊背四部濾分組笨成。尺傳感慶器模折塊負(fù)箱責(zé)監(jiān)魄測(cè)區(qū)日域內(nèi)送信息金的采農(nóng)集和致數(shù)據(jù)狡轉(zhuǎn)換熊；處銅理器頸模塊居負(fù)責(zé)躲控制醉整個(gè)膚傳感冶器節(jié)旗點(diǎn)，微處理甘采集雜到的似數(shù)據(jù)覽以及守其他迷節(jié)點(diǎn)豪發(fā)來詞的數(shù)吐?lián)?；灘無線穿通信梳模塊番負(fù)責(zé)態(tài)與其站他傳雹感器仙節(jié)點(diǎn)動(dòng)進(jìn)行褲無線遇通信聽，交參換控佩制信味息和蟲收發(fā)礙采集假數(shù)據(jù)陽；能液量供貿(mào)應(yīng)模健塊為池傳感僻器節(jié)魯點(diǎn)提辮供運(yùn)小行所勾需的科能量粒，采勝用微原型電兄池。用于刪礦井逆環(huán)境徑監(jiān)測(cè)鴉的無煩線傳騰感器啄網(wǎng)絡(luò)2）軟識(shí)件結(jié)寒構(gòu)用于蔽礦井英環(huán)境騎監(jiān)測(cè)培的無錯(cuò)線傳始感器傅網(wǎng)絡(luò)用于全礦井夢(mèng)環(huán)境筒監(jiān)測(cè)橡的無貼線傳學(xué)感器饞網(wǎng)絡(luò)3．網(wǎng)鍛絡(luò)協(xié)聯(lián)議1）多企徑路分由機(jī)貪制和SP結(jié)EE躲D路由王協(xié)議，可靠花的路亡由協(xié)坡議主歐要從掀以下括兩個(gè)槳方面伏考慮妖：一是恭利用發(fā)節(jié)點(diǎn)帝的冗薪余性聚提供臣多條坡路徑林以保跪證通讀信的繼可靠業(yè)性；二是翠建立戶對(duì)傳介輸可椅靠性幼的估囑計(jì)機(jī)問制，圍從而多保證蛇每跳能傳輸賭的可碗靠性丸。2）基附于分肝簇的TD錫MA機(jī)制MA堪C協(xié)議由于柳該傳鉛感器授網(wǎng)絡(luò)穿采用佛骨干昌節(jié)點(diǎn)之、非嶼骨干采節(jié)點(diǎn)摟的拓硬撲結(jié)共構(gòu)，祥即分拼簇的娃拓?fù)涠惤Y(jié)構(gòu)女，其臭底層恢的MA咬C層協(xié)片議也浪是基衣于這跳種分懇簇的已結(jié)構(gòu)傾設(shè)計(jì)。4．定器位機(jī)病制當(dāng)井憂下發(fā)蚊生瓦妥斯泄僚漏事出件時(shí)凳，必申須盡曾快找靈到瓦醫(yī)斯泄順漏點(diǎn)勾進(jìn)行護(hù)搶修甘。此蛾時(shí)探司測(cè)到換瓦斯刮濃度描最高鬼的節(jié)怒點(diǎn)必世然是功距離驢瓦斯架泄漏隨點(diǎn)最胖近的懶節(jié)點(diǎn)感，該芳節(jié)點(diǎn)矩要發(fā)鹽送位財(cái)置信飯息給現(xiàn)管理染節(jié)點(diǎn)時(shí)。山體寨滑坡陰案例1．工歸程介蠅紹城市睬存在歡大量近山地需地貌儉，城悅市居態(tài)民人檔口眾進(jìn)多，錯(cuò)要求候土地黃必須威保持椒較高乞的利降用率炎，因浸此大辟量建脊筑和稠道路睛都位祝于山池區(qū)附鳳近。因由于身地處過中國(guó)兩南方瞇，地革理位進(jìn)置決煎定了仆該地毫區(qū)降標(biāo)雨量抓常年禿偏高恭，尤役其在乓每年冒的梅動(dòng)雨季糾節(jié)，搬會(huì)出夾現(xiàn)大富量的乏降水槐。不艙穩(wěn)定狐的山稼地地副貌在勢(shì)受到至雨水士侵蝕浪后，且容易輸產(chǎn)生賢山體劑滑坡抓現(xiàn)象軟，對(duì)侵居民駝的生憐命財(cái)輝產(chǎn)安建全造勾成巨院大的撫威脅帆。ME竟MS恒IC作為閑最早改進(jìn)入趙無線永傳感雖器網(wǎng)墓絡(luò)領(lǐng)肥域的伙公司蹤蝶，提籍供全語套無邊線解奮決方茫案。骨在與妻地理湖監(jiān)測(cè)問專家捧進(jìn)行杰多次誼交流叨，并院進(jìn)行滿數(shù)次距實(shí)地勺考察齒后，ME省MS狹IC公司冶提出斗了基秩于無查線傳仗感器回網(wǎng)絡(luò)君的山酒體滑味坡監(jiān)絞測(cè)方心案。2．理譜論原脹理液位密傳感累器:觀測(cè)見地下各水深嫁度。傾角央傳感缺器：監(jiān)測(cè)鋤山體亡的運(yùn)挨動(dòng)狀視況，擺山體棍往往榨由多刪層土飽壤或裙巖石裕組成巷，不葉同層莊次間齡由于悠物理彎構(gòu)成梢和侵虜蝕程呈度不猛同，姑其運(yùn)凱動(dòng)速刪度不擺同山體濱滑坡循案例山體朝滑坡詠案例2．理渡論原循理液位蹤蝶傳感壇器:觀測(cè)歲地下蝴水深蟲度。傾角輛傳感橫器：監(jiān)測(cè)尚山體床的運(yùn)愈動(dòng)狀嘉況，煎山體姑往往柔由多泡層土撓壤或挑巖石換組成鈔，不西同層就次間防由于像物理恐構(gòu)成醫(yī)和侵寶蝕程口度不險(xiǎn)同，防其運(yùn)岸動(dòng)速常度不悼同3．部南署實(shí)滿現(xiàn)山體形滑坡憤案例1）傳感噴器節(jié)妨點(diǎn)每個(gè)科傳感父器節(jié)巨點(diǎn)包摸含液負(fù)位傳紋感器抗與傾溪角傳本感器方元件騙，IR填I(lǐng)S無線捷傳感牽器網(wǎng)段絡(luò)節(jié)歐點(diǎn)、MD矛A3獎(jiǎng)00數(shù)據(jù)幣獲取務(wù)板和呼電池妄組。2）中繼Mo咸te中繼Mo遠(yuǎn)te的硬究件結(jié)辟構(gòu)和Mo轎te完全楊一樣嫌，只靜是沒贏有連賴接傳湊感器,通過擁有線丘形式眼供電。3）基站基站揚(yáng)是由客一個(gè)St話ar加ga餐te網(wǎng)關(guān)圣和一衰個(gè)Mo蠻te組成