1、Wireless Sensor Network無線傳感器網(wǎng)絡研究與應用無線傳感器網(wǎng)絡研究與應用目錄目錄1 1、無線傳感器網(wǎng)絡概述、無線傳感器網(wǎng)絡概述2 2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3 3、應用領域、應用領域4 4、研究熱點、研究熱點5 5、典型應用、典型應用6 6、總結、總結7 7、相關研究工作、相關研究工作1 1、無線傳感器網(wǎng)絡概述、無線傳感器網(wǎng)絡概述新興的第四代傳感器網(wǎng)絡 第一代傳感器網(wǎng)絡：第一代傳感器網(wǎng)絡：20世紀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：第二代傳感器網(wǎng)絡：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：第三代傳感器

2、網(wǎng)絡：20世紀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成局域網(wǎng)絡。 第四代傳感器網(wǎng)絡：第四代傳感器網(wǎng)絡：以無線傳感器網(wǎng)絡為標志，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)關節(jié)點網(wǎng)關節(jié)點G G：完成無線和有線信號轉換，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。以自組織形式構成多跳中繼的分級結構網(wǎng)絡以自組織形式構成多跳中繼的分級結構網(wǎng)絡節(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)拓撲動態(tài)拓撲節(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)絡的特點無線傳感器網(wǎng)絡的特點由電源、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構成。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點無線傳感器網(wǎng)絡節(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)界和學術界的極大關注 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)絡通信、無人值守地面?zhèn)鞲衅魅?、傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)、器網(wǎng)絡通信、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)絡的新型計算發(fā)展年基于微型傳感器網(wǎng)絡的新型計算發(fā)展規(guī)劃。規(guī)劃。 美國美國

4、NSF：2003年制定了傳感器網(wǎng)絡研究計劃。年制定了傳感器網(wǎng)絡研究計劃。 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”已進入應用測試。已進入應用測試。 英國、日本、意大利英國、日本、意大利等國：開展該領域的研究工作。等國：開展該領域的研究工作。 我國我國也開展了這一領域的研究工作：無線傳感器結點的也開展了這一領域的研究工作：無線傳感器結點的硬件設計、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡路由技術、節(jié)能技術、覆蓋硬件設計、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡路由技術、節(jié)能技術、覆蓋控制技術等?？刂萍夹g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)絡硬件平臺無線傳感器網(wǎng)絡硬件平臺=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傳輸和接受設備傳輸和接受設備 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：網(wǎng)關： 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、它媒介如：手機、Internet、衛(wèi)星等、衛(wèi)星等3、無線傳感器網(wǎng)絡應用領域 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 精準農(nóng)業(yè) 生物種群研究無線傳感器網(wǎng)絡應用領域（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 遠程醫(yī)療遠程醫(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 其他應用：其他應用： 緊急和臨時場合應急通信：地震、水災、強熱帶風暴災害地區(qū)、邊遠或緊急和臨時場合應急通信：地震、水災、強熱帶風暴災害地區(qū)、邊遠或偏僻野外地區(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 結構健康監(jiān)測結構健康監(jiān)測 機械設備狀態(tài)監(jiān)測機械設備狀態(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) 拓撲生成 平面結構：所有節(jié)點處于平等地位，結構簡單易維護 具有較好的健壯性 無管理節(jié)點，自組織協(xié)同算法復雜 典型算法：ASCENT,SPAN等 層次結構：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：雙信道分組機制 虛擬簇：需要交互的節(jié)點構成虛擬簇 b) 信道接入方式 固定分配：需要中心調(diào)度，SMACS，EAR 隨機競爭：C

9、SMA及其改進 混合類：綜合上面兩類，S-MAC( (1)通信協(xié)議-網(wǎng)絡層協(xié)議網(wǎng)絡層協(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，導致網(wǎng)絡拓撲變化 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，簡單易擴展，缺乏管理 SPIN，以數(shù)據(jù)為中心的自適應路由協(xié)議，通過協(xié)商 機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)絡層協(xié)議網(wǎng)絡層協(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，簇首負責信息的搜集、融合、數(shù)據(jù)轉發(fā)，便于管理，維護負責信息的搜集、融合、數(shù)

10、據(jù)轉發(fā)，便于管理，維護開銷大開銷大 LEACHLEACH，隨機循環(huán)選擇簇首，將能量負載平均分配，隨機循環(huán)選擇簇首，將能量負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)絡管理傳感器網(wǎng)絡管理 能量管理能量管理 數(shù)據(jù)傳送是能耗最大的部分數(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)負種工作狀態(tài)，由操作系統(tǒng)負責切換責切換動態(tài)電壓調(diào)度動態(tài)電壓調(diào)度DVS，根據(jù)負載狀態(tài)調(diào)整供電電壓，根據(jù)負載狀態(tài)調(diào)整供電電壓(2)(2)傳感器網(wǎng)絡管理傳感器網(wǎng)絡管理-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；對路由機制進行攻擊；侵入節(jié)傳統(tǒng)的無線電電磁干擾方式；對路由機制進行攻擊；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。采用擴頻通信、傳感器節(jié)點接入認證采用擴頻通信、傳感器節(jié)點接入認證/ / 鑒權、數(shù)據(jù)水印和數(shù)鑒權、數(shù)據(jù)水印和數(shù)據(jù)加密等技術提高網(wǎng)絡的安全性。據(jù)加密等技術提高網(wǎng)絡的安全性。(3)(3)傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理傳感器網(wǎng)絡數(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)查詢技術性能，提出了在傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)能測試感知數(shù)據(jù)查詢技術性能，提出了在傳感器網(wǎng)絡上計算聚集函數(shù)的容錯和可擴展算法，并探索了把傳感器網(wǎng)絡上計算聚集函數(shù)的容錯和可擴展算法，并探索了把傳感器網(wǎng)絡表示為數(shù)據(jù)庫的思想，探討了如何把分布式查詢處理技術應

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應用于感知數(shù)據(jù)查詢的處理于感知數(shù)據(jù)查詢的處理. .加州大學伯克利分校研究了傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)查詢技術，提出了加州大學伯克利分校研究了傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)查詢技術，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)絡上多查詢的方法，應用數(shù)據(jù)庫技術實現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)聚集查詢的方法，應用數(shù)據(jù)庫技術實現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡上的數(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。南加州大學研究了傳感器網(wǎng)絡上的聚集函數(shù)的計算方法，提出了南加州大學研究了傳感器網(wǎng)絡上的聚集函數(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造算法，并通過實驗證明了無線通信機制對聚集計算的性能有很大的影響。信機制對聚集計算的性能有很大的影響。(4)應用支撐服務應用支撐服務 時間同步時間同步傳感器網(wǎng)絡中的通信協(xié)議和應用，比如基于傳感器網(wǎng)絡中的通信協(xié)議和應用，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)測任務等，要求節(jié)點間的時鐘必

15、須保持同步。步。可以考慮精簡可以考慮精簡NTPNTP協(xié)議的實現(xiàn)復雜度，將其移植到傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的實現(xiàn)復雜度，將其移植到傳感器網(wǎng)絡中來。中來。 節(jié)點定位節(jié)點定位節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)必須結合其在測量坐標系內(nèi)的位置信息節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)必須結合其在測量坐標系內(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、典型應用、典型應用案例案例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、用以感測橋墩結構；用以感測橋墩結構； 也可放置在橋梁兩側或底部，搜集橋梁的溫度、也可放置在橋梁兩側或底部，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 英國石化油輪應用英國石化油輪應用 監(jiān)測油輪發(fā)動機及旋轉設備 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 減少停工期和維護次數(shù) 減少有線監(jiān)控的高額成本BP Helios CommendationOctober 2005BP International Ltd船只機械監(jiān)控的預測與維護系統(tǒng) 2004年，BP開始接觸一種名為塵埃（Mote）的無線網(wǎng)絡技術。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、建立一套預測維護系統(tǒng)用來監(jiān)視如馬達、泵之類具有強烈震動的機器。這些機器被放置于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、高壓傳輸線應用高壓傳輸線應用 監(jiān)測大跨距輸電線路 實時監(jiān)控電線的應力、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 高爾夫球場應用高爾夫球場應用 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 總結總結 所謂無線傳感器網(wǎng)絡就是由部署在監(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)境或目標對象信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行智能處理，并通過隨機自組織