無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 金梧 主要內(nèi)容 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)認(rèn)識(shí) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)例 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程和挑戰(zhàn) 1/42 什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)？ 巨型機(jī)說：“我認(rèn)為全球大概只需要五臺(tái)計(jì)算機(jī)就夠了”； 每個(gè)家庭的桌面上都應(yīng)該有一臺(tái)電腦” ; 太大了，應(yīng)該每人口袋里放一臺(tái)” ; 每粒沙子都應(yīng)該是一臺(tái)計(jì)算機(jī)”。 任務(wù)管理中心 星或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等 匯聚節(jié)點(diǎn) 監(jiān)測區(qū)域 傳感器節(jié)點(diǎn) 2/42 傳感器網(wǎng)絡(luò)的影響力 傳感器網(wǎng)絡(luò)將物理世界和信息技術(shù)連接起來 傳感器網(wǎng)絡(luò)具有改造社會(huì)的潛力，將來廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域使得傳感器網(wǎng)絡(luò)成為我們生活中不可缺少的部分 傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)引起國內(nèi)外科技界和工業(yè)界高度重視 3/42 傳感器網(wǎng)絡(luò)的影響力 4/42 傳感器網(wǎng)絡(luò)的影響力 改變世界的十大新興技術(shù) 5/42 傳感器網(wǎng)絡(luò)的影響力 未來四大高技術(shù)將掀起新產(chǎn)業(yè)浪潮 6/42 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 軍事領(lǐng)域 醫(yī)療護(hù)理 環(huán)境觀測和預(yù)報(bào)系統(tǒng) 智能家居 建筑物狀態(tài)監(jiān)控 工業(yè)自動(dòng)化 7/42 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 軍事領(lǐng)域 通過飛機(jī)或炮彈直接 將傳感器節(jié)點(diǎn)散播 到敵方陣地內(nèi)部，或者在公共隔離帶部署傳感網(wǎng)絡(luò)，就能隱蔽而且近距離的準(zhǔn)確收集戰(zhàn)場信息。 例 :傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為 美軍事 不可少的一部分。 8/42 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 9/42 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 醫(yī)療護(hù)理 用于人體的各種 生理數(shù)據(jù) ，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動(dòng)，醫(yī)院的藥物管理等。 例：一個(gè)可以成像的 特殊發(fā)送器芯片 與精巧設(shè)計(jì)的超低功率無線技術(shù)結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)可用于一個(gè)胃腸道診斷的微型吞服攝像膠囊?；颊咄滔戮S 囊經(jīng)過食道、胃和小腸時(shí)就可將圖象廣播出來。膠囊由一個(gè)攝象機(jī)、 池、特制芯 片和天線組成。 10/42 智能醫(yī)院 在病人身上安裝帶有射頻標(biāo)簽的微型無線傳感器，動(dòng)態(tài)感知病人信息。 智能醫(yī)院 病房外的醫(yī)生攜帶 智能醫(yī)院 得知病人病情后，醫(yī)生將 通知值勤護(hù)士或者急救人員前往病房救助。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 環(huán)境觀測和預(yù)報(bào)系統(tǒng) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用于檢視農(nóng)作物 灌溉 情況、土壤 情況、牲畜和家禽的環(huán)境狀況和大面積的 地表 監(jiān)測、 氣象 和 地理 研究、 洪水 監(jiān)測等。 例： 水水位和土壤水分，并依此預(yù)測爆發(fā)山洪的可能性 。 15/42 了 解 火 山 習(xí) 性 研 究 鳥 類 習(xí) 性 海洋環(huán)境監(jiān)測 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 16/42 I n t e r n e ：大棚基地倉 庫大棚基地大棚基地大棚基地大棚基地大棚基地大棚基地大棚基地倉 庫農(nóng) 場 監(jiān) 控 端傳 感 器 節(jié) 點(diǎn)農(nóng) 田無 線 信 道公 司 總 服 務(wù) 器溫度 濕度 光照 紫外線 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 地溫 土壤水分 土壤鹽分 土壤水勢 17/42 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 智能家居 家電和家具中 嵌入傳感器節(jié)點(diǎn) ，通過無線網(wǎng)絡(luò)與人提供人性化的家居環(huán)境。 例： 供一個(gè)只有 1立方英寸大小的產(chǎn)品。這個(gè)微型的無線視頻平臺(tái)包含有一節(jié)電池、無線電、攝像相機(jī)、 (彩色成像器加鏡頭 )、控制器、天線和溫度傳感器。 18/42 智能家居 監(jiān)測節(jié) 點(diǎn) 智能家居 穿戴有數(shù)據(jù)衣等感知設(shè)備的人體感知到人體狀況異常時(shí)，會(huì)向房間內(nèi)的節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號(hào)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 建筑物狀態(tài)監(jiān)控 利用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控建筑物的安全狀態(tài)。 例： 載橋梁 上安裝了一套該公司研制的系統(tǒng)，將位移傳感器安裝在鋼梁上用來測量 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)力 ，并通過 無線網(wǎng)絡(luò) 來采集數(shù)據(jù)。該無線系統(tǒng)可以保留在橋梁上用于長期監(jiān)測橋梁是否處于正常受控狀態(tài) 。 21/42 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 22/42 工業(yè)自動(dòng)化 隨著企業(yè)效益和自動(dòng)化的提高，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ 廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)中， 房監(jiān)控、 高壓電纜 檢測、 煤礦 生產(chǎn)現(xiàn)場以及 設(shè)備故障 檢測，在生產(chǎn)中 幫助現(xiàn)場點(diǎn)檢人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，避免事故的發(fā)生，創(chuàng)造了潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值 。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 23/42 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 24/42 監(jiān)控人員發(fā)現(xiàn)廠房設(shè)備及環(huán)境有異常情況時(shí)，通知相關(guān)負(fù)責(zé)人迅速到達(dá)故障地點(diǎn)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 25/42 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 指將地理位置不同的具有獨(dú)立功能的 多臺(tái)計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備，通過 通信線路 連接起來，在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)管理軟件及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的管理和協(xié)調(diào)下，實(shí)現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 無線網(wǎng)絡(luò) 利用 無線電波作為信息傳輸?shù)拿浇?構(gòu)成的無線局域網(wǎng) 有線網(wǎng)絡(luò)的用途十分類似，最大的不同在于傳輸媒介的不同，利用無線電技術(shù)取代網(wǎng)線，可以和有線網(wǎng)絡(luò)互為備份。 26/42 什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)？ 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量的傳感器節(jié)點(diǎn) 組成，通過 無線通信方式 形成的一個(gè)多跳的、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知的對象信息，并發(fā)給觀察者 27/42 無線傳感器的實(shí)體 傳感器節(jié)點(diǎn) 感知、計(jì)算、通信 體積小，能耗低 連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與 現(xiàn)兩種協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換 發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)，轉(zhuǎn)發(fā)收集到的數(shù)據(jù)。 28/42 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) 大規(guī)模網(wǎng)絡(luò) 自組織網(wǎng)絡(luò) 動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò) 可靠性網(wǎng)絡(luò) 大規(guī)模性包含兩個(gè)方面： 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布區(qū)域廣 在一個(gè)區(qū)域不大的空間內(nèi)密集部署大量節(jié)點(diǎn) 能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的 多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 。 29/42 線傳感器網(wǎng)絡(luò) 自組織網(wǎng)絡(luò) 能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 30/42 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) 大規(guī)模網(wǎng)絡(luò) 自組織網(wǎng)絡(luò) 動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò) 可靠性網(wǎng)絡(luò) 傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效 無線通信鏈路帶寬變化 傳感器節(jié)點(diǎn)、感知對象和觀 察者之間的移動(dòng) 新節(jié)點(diǎn)的加入 31/42 線傳感器網(wǎng)絡(luò) 動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò) 32/42 工程應(yīng)用實(shí)例 L L X L L L L L 冷軋廠 3#連退爐區(qū) 軸承溫度監(jiān)測 系統(tǒng) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化，尤其是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測 ，可以通過傳感器檢測設(shè)備的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在的危險(xiǎn)，提前做出反應(yīng)。 33/42 傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn) 有線連接 有源供電 存在的主要困難 對于 移動(dòng)和旋轉(zhuǎn) 設(shè)備，應(yīng)用受限 對于 分布區(qū)域廣 的監(jiān)測對象，布線復(fù)雜、成本增加、可擴(kuò)展性差，可維護(hù)性差 信號(hào)長距離傳輸 常會(huì)引入噪聲干擾，可靠性降低 高溫 /高危 等環(huán)境中監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和線路的維護(hù) 臨時(shí)監(jiān)測節(jié)點(diǎn) 與監(jiān)控系統(tǒng)之間通信 工程應(yīng)用實(shí)例 34/42 鞍鋼冷軋廠 3#線連退爐區(qū) 軸承溫度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng) 是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的典型應(yīng)用范例。 冷軋廠連退爐區(qū)現(xiàn)場 現(xiàn)場需求 監(jiān)測空間： 200m 20m 30m 監(jiān)測點(diǎn)數(shù)： 406個(gè) 傳感器工作時(shí)間： 10個(gè)月以上 采樣間隔 : 最快 5分鐘 一次 工程應(yīng)用實(shí)例 35/42 數(shù)據(jù)采集部分共有 三層結(jié)構(gòu) ： 測溫節(jié)點(diǎn) 將采集到溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到 簇頭節(jié)點(diǎn) ，之后匯集到 匯聚節(jié)點(diǎn) ，再通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測服務(wù)器，用戶通過企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)和客戶端程序可以實(shí)時(shí)查看軸承溫度情況。 工程應(yīng)用實(shí)例 測溫節(jié)點(diǎn) 簇頭節(jié)點(diǎn) 匯聚節(jié)點(diǎn) 36/42 系統(tǒng)架構(gòu)及組成 遠(yuǎn) 程 監(jiān) 測 服 務(wù) 器3 # 線 局 域 網(wǎng)交 換 機(jī)匯 聚 節(jié) 點(diǎn)中 繼 節(jié) 點(diǎn)中 繼 節(jié) 點(diǎn)備 份 中 繼 節(jié) 點(diǎn) 測 溫 節(jié) 點(diǎn) 節(jié) 點(diǎn) 2測 溫 節(jié) 點(diǎn) 1測 溫 節(jié) 點(diǎn) 節(jié) 點(diǎn) 2測 溫 節(jié) 點(diǎn) 1交 換 機(jī)C / S 客 戶 端 1 C / S 客 戶 端 n B / S 客 戶 端 1 B / S 客 戶 端 中 繼 節(jié) 點(diǎn)冷 軋 廠 局 域 網(wǎng)C / S 客 戶 端 1 C / S 客 戶 端 n B / S 客 戶 端 1 B / S 客 戶 端 匯 聚 節(jié) 點(diǎn)網(wǎng) 絡(luò) 1網(wǎng) 絡(luò) 2報(bào) 警 中 繼 節(jié) 點(diǎn)報(bào) 警 中 繼 節(jié) 點(diǎn)工程應(yīng)用實(shí)例 37/42 工程應(yīng)用實(shí)例 38/42 故障時(shí)間： 2008年 1月 6日 故障現(xiàn)象： 軸承座溫度值較高且呈上升趨勢。 故障原因： 快冷段冷卻風(fēng)機(jī)在長時(shí)間高溫和滿負(fù)荷的運(yùn)行 處理方法： 增加了一臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，對設(shè)備進(jìn)行冷卻 處理效果： 溫度逐漸恢復(fù)正常，避免了研磨的發(fā)生 工程應(yīng)用實(shí)例 39/42 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)