基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

1、 PAGE25 / NUMPAGES34 編號(hào)信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文題 目基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)生學(xué) 號(hào)院 系 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院專 業(yè)通信技術(shù)班 級(jí)指導(dǎo)教師顧問(wèn)教師摘要無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的、涉與多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了現(xiàn)代無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了人們信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò)連接在一起，在下一代網(wǎng)絡(luò)中將為人們提供最直接、最有效、最真實(shí)的信息。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠獲取客觀

2、物理信息，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國(guó)防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境檢測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。已經(jīng)引起了許多國(guó)家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，被認(rèn)為是對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。數(shù)據(jù)融合技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù), 能減少傳感器節(jié)點(diǎn)間的傳輸量,從而明顯提高網(wǎng)絡(luò)感知效能,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期, 減小時(shí)間延遲。無(wú)線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)融合，是對(duì)源數(shù)據(jù)或信息的獲取、表示與其在聯(lián)系進(jìn)行綜合處理和優(yōu)化的技術(shù)。傳感器只能獲得環(huán)境或被測(cè)對(duì)象的部分信息段，而傳感網(wǎng)信息經(jīng)過(guò)融合后能夠完善地、準(zhǔn)確地反映環(huán)境的特征。傳感網(wǎng)目標(biāo)的融合識(shí)別是試圖將各傳感器關(guān)于目標(biāo)的不精確，不完全的數(shù)據(jù)進(jìn)

3、行融合，產(chǎn)生較單一傳感器更精確，更完全的屬性估計(jì)和判決。數(shù)據(jù)融合技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于信息電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)化等領(lǐng)域。關(guān)鍵詞: 傳感器網(wǎng)絡(luò) 傳感器的應(yīng)用 數(shù)據(jù)融合 無(wú)線傳感器分類AbstractWireless Sensor network (Wireless Sensor Networks, WSN) is the current focus on international knowledge, involving multidisciplinary highly cross, highly integrated the leading edge of the hot research

4、field. Sensor technology, mems, the progress of modern network and wireless communication technology, to promote the emergence and development of modern wireless sensor network. Wireless sensor network (WSN) expanded the people access to information, with the objective world of physical information

5、transmission network connection together, in the heart of the next generation network for people to provide the most direct, the most effective and most real information. Wireless sensor network (WSN) can obtain the objective physical information, has the very broad application prospects, and can be

6、 applied to military defense, industrial and agricultural control, urban management, biological, medical, environmental detection, remote control in areas such as disaster relief, the dangerous area. Has attracted the attention of the academia and industry in many countries, is considered to be one

7、of produce great influence to the 21st century technology.Data fusion technology is a key technology of wireless sensor network (WSN) can reduce the magnitude of the transmission between the sensor nodes, thus significantly increase the efficiency of the network awareness and prolong the network lif

8、e cycle, reducing the time delay. Wireless sensor network data fusion, is the source of data or information access, said and inner link of integrated processing and optimization technology. Sensors can only obtain the environment or the part of the object information, and sensing network information

9、 after fusion can perfectly and accurately reflects the characteristics of the environment. Sensing of mesh mark about target fusion recognition is trying to each sensor imprecise, incomplete data fusion, produces more accurate than the single sensor, more complete property estimation and decision.

10、Data information fusion technology has been widely used in electronics, computer science, automation, etc.Keywords: Sensor Networks Sensor applications Wireless sensorclassification sens Sensor networks, Internet of things目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc370417355摘要 PAGEREF _Toc370417355 h IHYPER

11、LINK l _Toc370417356Abstract PAGEREF _Toc370417356 h IIHYPERLINK l _Toc370417357第一章緒論 PAGEREF _Toc370417357 h 1HYPERLINK l _Toc3704173581.1傳感器的研究背景 PAGEREF _Toc370417358 h 1HYPERLINK l _Toc3704173591.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc370417359 h 1HYPERLINK l _Toc3704173601.3無(wú)線傳感器發(fā)展趨勢(shì) PAGEREF _Toc370417360 h 3

12、HYPERLINK l _Toc370417361第二章無(wú)線傳感器的概述與結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc370417361 h 5HYPERLINK l _Toc3704173622.1無(wú)線傳感器的概述 PAGEREF _Toc370417362 h 5HYPERLINK l _Toc3704173632.2無(wú)線傳感器的特點(diǎn) PAGEREF _Toc370417363 h 5HYPERLINK l _Toc3704173642.2.1振動(dòng)傳感器 PAGEREF _Toc370417364 h 5HYPERLINK l _Toc3704173652.2.2應(yīng)變傳感器 PAGEREF _Toc37

13、0417365 h 5HYPERLINK l _Toc3704173662.2.3扭矩傳感器 PAGEREF _Toc370417366 h 6HYPERLINK l _Toc3704173672.3傳感器的分類 PAGEREF _Toc370417367 h 6HYPERLINK l _Toc3704173682.3.1聲音傳感器 PAGEREF _Toc370417368 h 6HYPERLINK l _Toc3704173692.3.2加速度傳感器 PAGEREF _Toc370417369 h 6HYPERLINK l _Toc370417370第三章無(wú)線傳感器的應(yīng)用與分類 PAGER

14、EF _Toc370417370 h 7HYPERLINK l _Toc3704173713.1無(wú)線傳感器技術(shù)融合 PAGEREF _Toc370417371 h 7HYPERLINK l _Toc3704173723.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc370417372 h 7HYPERLINK l _Toc3704173733.3無(wú)線傳感器的應(yīng)用 PAGEREF _Toc370417373 h 8HYPERLINK l _Toc3704173743.3.1醫(yī)療護(hù)理 PAGEREF _Toc370417374 h 8HYPERLINK l _Toc3704173753.3.2軍事

15、領(lǐng)域 PAGEREF _Toc370417375 h 8HYPERLINK l _Toc3704173763.3.3目標(biāo)跟蹤 PAGEREF _Toc370417376 h 9HYPERLINK l _Toc3704173773.3.4其他用途 PAGEREF _Toc370417377 h 9HYPERLINK l _Toc3704173783.4無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc370417378 h 10HYPERLINK l _Toc370417379第四章無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)融合的系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370417379 h 11HYPERLINK l _Toc37

16、04173804.1數(shù)據(jù)融合技術(shù)的概述 PAGEREF _Toc370417380 h 11HYPERLINK l _Toc3704173814.2數(shù)據(jù)融合技術(shù)的用途 PAGEREF _Toc370417381 h 11HYPERLINK l _Toc3704173824.3數(shù)據(jù)融合技術(shù)的重要作用 PAGEREF _Toc370417382 h 12HYPERLINK l _Toc3704173834.3.1節(jié)省能量 PAGEREF _Toc370417383 h 12HYPERLINK l _Toc3704173844.3.2獲取更準(zhǔn)確的信息 PAGEREF _Toc370417384 h

17、12HYPERLINK l _Toc3704173854.3.3提高數(shù)據(jù)收集效率 PAGEREF _Toc370417385 h 12HYPERLINK l _Toc3704173864.4數(shù)據(jù)融合的基本原理 PAGEREF _Toc370417386 h 12HYPERLINK l _Toc3704173874.5數(shù)據(jù)融合的幾種方法 PAGEREF _Toc370417387 h 13HYPERLINK l _Toc3704173884.5.1基于卡爾曼濾波(KF)的數(shù)據(jù)融合 PAGEREF _Toc370417388 h 13HYPERLINK l _Toc3704173894.5.2基于

18、預(yù)測(cè)的時(shí)域數(shù)據(jù)融合 PAGEREF _Toc370417389 h 13HYPERLINK l _Toc370417390第五章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性分析 PAGEREF _Toc370417390 h 15HYPERLINK l _Toc3704173915.1攻擊種類 PAGEREF _Toc370417391 h 15HYPERLINK l _Toc3704173925.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全防對(duì)策、安全協(xié)議概述 PAGEREF _Toc370417392 h 16HYPERLINK l _Toc3704173935.2.1路由安全協(xié)議 PAGEREF _Toc370417393 h 16H

19、YPERLINK l _Toc3704173945.2.2密鑰管理協(xié)議 PAGEREF _Toc370417394 h 19HYPERLINK l _Toc3704173955.2.3安全定位協(xié)議 PAGEREF _Toc370417395 h 20HYPERLINK l _Toc3704173965.2.4傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)安全措施的分析與比較 PAGEREF _Toc370417396 h 22HYPERLINK l _Toc370417397第六章總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc370417397 h 23HYPERLINK l _Toc3704173986.1總結(jié) PAGERE

20、F _Toc370417398 h 23HYPERLINK l _Toc3704173996.2無(wú)線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的展望 PAGEREF _Toc370417399 h 23HYPERLINK l _Toc370417400致 PAGEREF _Toc370417400 h 25HYPERLINK l _Toc370417401參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc370417401 h 26第一章 緒論1.1傳感器的研究背景隨著無(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展和日趨成熟，無(wú)線通信也發(fā)展到一定的階段，其發(fā)展的技術(shù)越來(lái)越成熟，方向也越來(lái)越多，越來(lái)越重要，大量的應(yīng)用方案開(kāi)始采用無(wú)線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和通信。微機(jī)電

21、系統(tǒng)和低功耗高集成數(shù)字設(shè)備的發(fā)展，使得低成本、低功耗、小體積的傳感器節(jié)點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)。這樣的節(jié)點(diǎn)配合各類型的傳感器，可組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種開(kāi)創(chuàng)了新的應(yīng)用領(lǐng)域的新興概念和技術(shù)。廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測(cè)和大區(qū)域的目標(biāo)追蹤等領(lǐng)域。傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被認(rèn)定為最重要的研究之一。因?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大、更換非常困難，所以低功耗是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一，因此，它迫切需要對(duì)傳統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)進(jìn)行更新和改進(jìn)，需要精心設(shè)計(jì)的軟硬件系統(tǒng)，以使其可靠而耐用。2003年,美國(guó)技術(shù)評(píng)論雜志論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí),WSN被

22、列為第一；美國(guó)今日防務(wù)雜志更認(rèn)為WSN的應(yīng)用和發(fā)展將引起一場(chǎng)劃時(shí)代的軍事技術(shù)革命和未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的變革。可以預(yù)測(cè),WSN是信息感知和采集的一場(chǎng)革命，是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。低功耗無(wú)線傳感模塊，便是組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。此方面的研究由來(lái)已久，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的擴(kuò)展，采用了大規(guī)模集成電路和嵌入式技術(shù)，使用智能微處理器對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理和加工。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于社會(huì)建設(shè)的各個(gè)層面和人們的日常生活當(dāng)中。但過(guò)去的研究有的只考慮低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。因此，在無(wú)線傳感技術(shù)應(yīng)用如此廣泛的今天，在保證無(wú)線傳感模塊性能的同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)其低功耗具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。1.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀無(wú)線傳

23、感器網(wǎng)絡(luò)的最初研究來(lái)源于美國(guó)軍方，美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃局（DARPA）于2001年資助加州伯克力大學(xué)開(kāi)發(fā)無(wú)線傳感器系統(tǒng)。美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)2003年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃，投資3400萬(wàn)美元用于支持該方面的基礎(chǔ)研究。英國(guó)、日本、意大利等國(guó)家的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也紛紛開(kāi)展了該領(lǐng)域的研究工作。研究取得了一些初步的研究成果。目前國(guó)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)尚處于研究階段，清華大學(xué)、中科院自動(dòng)化研究所、中科院智能所等單位已開(kāi)始進(jìn)行這方面的研究。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。比如當(dāng)需要對(duì)諸如溫度、光通量、位移以與噪聲等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行不間斷地傳感、測(cè)試和無(wú)線信號(hào)傳輸時(shí)，可以考慮在相關(guān)領(lǐng)域中配置智能化的無(wú)線傳感器

24、網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)環(huán)境待測(cè)參數(shù)的傳感數(shù)據(jù)分析來(lái)達(dá)到檢測(cè)目的，這一技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到國(guó)防軍事、動(dòng)物的習(xí)性觀測(cè)、材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中。無(wú)線傳感模塊是新興的下一代無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，它是組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本部分。最早的代表性論述出現(xiàn)在二十世紀(jì)九十年代末，題為“傳感器走向無(wú)線時(shí)代”。傳感技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一般傳感器、智能傳感器、無(wú)線傳感器等幾個(gè)階段。一般傳感器，是最早產(chǎn)生的傳感器，只能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；智能傳感器則是在一般傳感器的基礎(chǔ)上將處理計(jì)算能力與傳感器相結(jié)合，使得傳感模塊不但能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)等信息采集，還能對(duì)所采集到的信息進(jìn)行一定程度的計(jì)算和處理；無(wú)線傳感器則是在智能傳感器的基礎(chǔ)上

25、再集成無(wú)線功能模塊，使得傳感器不再是單獨(dú)的感知模塊，而是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理，信息交換和控制的有機(jī)整體。為了實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地與任何人或任何設(shè)備的互聯(lián)互通，無(wú)線通信技術(shù)獲得了蓬勃發(fā)展。在正交頻分復(fù)用(OFDM)和多入多出(MIMO)等基礎(chǔ)技術(shù)支持下，多種無(wú)線技術(shù)如藍(lán)牙、Wi-Fi、WIMAX、超寬帶和無(wú)線局域網(wǎng)獲得了長(zhǎng)足發(fā)展。作為蓬勃發(fā)展的無(wú)線技術(shù)，近幾年正是其大變革時(shí)期。隨著幾種重要基礎(chǔ)技術(shù)的推廣和實(shí)際應(yīng)用，無(wú)線通信的速度也將得到大大提高。無(wú)線傳感模塊屬于無(wú)線技術(shù)中較為底層的一個(gè)分支，由于越來(lái)越多的應(yīng)用方案開(kāi)始采用無(wú)線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和通信。綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線通

26、信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),是當(dāng)前的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要保障，因此無(wú)線傳感模塊的設(shè)計(jì)，傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被認(rèn)定為最重要的研究之一。當(dāng)前國(guó)外出現(xiàn)了多種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)。典型的節(jié)點(diǎn)包括Mica 系列、Telos 、IRIS 和Imote2 等。各平臺(tái)的主要區(qū)別是采用了不同的處理器和無(wú)線通信模塊。有些節(jié)點(diǎn)具有高性能但功耗較大，如Imote2 節(jié)點(diǎn)，不適用于能量受限的應(yīng)用環(huán)境。其他一些節(jié)點(diǎn)，如Telos 、Mica 等，由于設(shè)計(jì)時(shí)間較早，其性能已經(jīng)落后于當(dāng)今的集成電路工業(yè)設(shè)計(jì)水平。因?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，工作環(huán)

27、境通常比較惡劣，而且數(shù)量大，更換非常困難，所以低功耗是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一。IT P（美國(guó)再生能源辦公室工業(yè)技術(shù)計(jì)劃）在2002年發(fā)布的報(bào)告“21世紀(jì)工業(yè)無(wú)線技術(shù)”第一頁(yè)中引用了總統(tǒng)科技顧問(wèn)的斷言：無(wú)線傳感器可將能源利用率提高10%，將能源損耗減少25%。后來(lái)的研究，如Intel、Mote 的研究項(xiàng)目則注重了三個(gè)方面的要求，包括低功耗操作、系統(tǒng)級(jí)集成和硬件的重新配置，希望做到平衡功耗與性能的矛盾，但目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)還需要一定的努力。MIT發(fā)展的模塊化平臺(tái)對(duì)于具體的傳感器有不同的硬件設(shè)計(jì)，他們的傳感器的主要功能是數(shù)據(jù)收集，采用垂直連接器來(lái)使不同的處理層整合到一起，其目的是為了設(shè)計(jì)一個(gè)通用

28、的系統(tǒng)來(lái)取代單一的硬件系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以與集成技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感技術(shù)也會(huì)得到不斷的發(fā)展和完善。并且會(huì)有更多的結(jié)構(gòu)新、功能強(qiáng)、耗能低的傳感器用運(yùn)于各種實(shí)際的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，以高的精確度和良好的穩(wěn)定性服務(wù)于更加廣泛的領(lǐng)域。當(dāng)今世界信息技術(shù)飛速發(fā)展，給人們的工作和生活帶來(lái)了巨大影響。信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈和應(yīng)用環(huán)節(jié)的第一步是信息的獲取，它直接關(guān)系到信息的傳輸、處理和應(yīng)用。傳感器技術(shù)是信息獲取的最重要、最基本的技術(shù)。隨著獲取信息要求的提高，傳感器獲取技術(shù)從單一化到集成化、微型化，進(jìn)而智能化、網(wǎng)絡(luò)化，形成智能傳感器網(wǎng)絡(luò)。并且隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，融合了傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的無(wú)線傳感

29、器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種獨(dú)立出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)，它的基本組成單位是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)集成了傳感器、微處理器、無(wú)線接口和電源管理四個(gè)主要模塊。傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、集成電路、以與低功耗無(wú)線通信等技術(shù)的飛速發(fā)展，使得低成本、低功耗、多功能的微型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用成為可能，這些微型無(wú)線傳感器是集成的光機(jī)電一體化系統(tǒng)，具有無(wú)線通信、數(shù)據(jù)收集和處理、協(xié)同工作等功能。它們共同組成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生了一種全新的信息獲取和處理模式。微型傳感器節(jié)點(diǎn)可以隨機(jī)或者特定地布置在工作環(huán)境中，通過(guò)無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)自組織，獲取周?chē)h(huán)境的信息，形成分布自治系統(tǒng)，相互協(xié)同完成特定的任務(wù)。美國(guó)商

30、業(yè)周刊和MTI技術(shù)評(píng)論在預(yù)測(cè)未來(lái)技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，分別將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最有影響的21項(xiàng)技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一。1.3無(wú)線傳感器發(fā)展趨勢(shì)正是由于低功耗無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)在如此廣圍的應(yīng)用，使得它受到了來(lái)自軍事、工業(yè)和商業(yè)以與學(xué)術(shù)專家的極大關(guān)注。其發(fā)展方向必然是無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)化，即通過(guò)自組網(wǎng)的方式形成動(dòng)態(tài)、自適應(yīng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)( WSN) 是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的、涉與多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等。我國(guó)迫切需要提升對(duì)此的認(rèn)識(shí)程度，并盡快推動(dòng)其發(fā)展。因此，以無(wú)線傳感模塊為基

31、礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線互聯(lián)將是一個(gè)必然的趨勢(shì)。另外由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要保障。在不同的應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成不盡一樣。已有的節(jié)點(diǎn)，有的只考慮低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。因此，無(wú)線傳感模塊的發(fā)展必然是趨向與低功耗的。即在保證所需要實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，盡量的實(shí)現(xiàn)整個(gè)模塊的低功耗，甚至在不影響整體性能的情況下適當(dāng)減少部分功能來(lái)實(shí)現(xiàn)降低功耗的目的。除開(kāi)以上所講兩種發(fā)展趨勢(shì)之外，無(wú)線傳感模塊的應(yīng)用和發(fā)展還具有極大的發(fā)展空間和良好的發(fā)展方向。當(dāng)前對(duì)無(wú)線傳感模塊的應(yīng)用都是靜止性的，就目前存在的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN），構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都是被固定的安放在一個(gè)地

32、方，要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)環(huán)境的檢測(cè)，就需要向環(huán)境中投放大量的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)。這樣一來(lái)成本就會(huì)非常的高。若實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感模塊對(duì)信息的移動(dòng)式采集，則在同一個(gè)環(huán)境投放更少的節(jié)點(diǎn)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的全面檢測(cè)。正是由于當(dāng)前能耗對(duì)無(wú)線傳感模塊的影響，低功耗研究才上升為一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域，不論是使用電源或者電池供電，在實(shí)現(xiàn)低功耗后，無(wú)線傳感模塊的發(fā)展趨勢(shì)必然是自生能源式的。利用太陽(yáng)能、振動(dòng)能量、地?zé)?、風(fēng)能等實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感模塊的電能供應(yīng)對(duì)于全面提高無(wú)線傳感模塊的能力將會(huì)起到巨大的作用。最后，基于能力存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，電池的容量越來(lái)越大，再加上低功耗的實(shí)現(xiàn)，無(wú)線傳感模塊的適用壽命不斷增加將會(huì)成為一個(gè)絕對(duì)趨勢(shì)。未來(lái)的無(wú)線傳感模塊必將是集

33、穩(wěn)定性與安全性、擴(kuò)展性與靈活性、微型化與低成本等特點(diǎn)為一體的。第二章 無(wú)線傳感器的概述與結(jié)構(gòu)2.1無(wú)線傳感器的概述無(wú)線傳感器的組成模塊封裝在一個(gè)外殼，在工作時(shí)它將由電池或振動(dòng)發(fā)電機(jī)提供電源，構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，由隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微型節(jié)點(diǎn)，通過(guò)自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。它可以采集設(shè)備的數(shù)字信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的無(wú)線網(wǎng)關(guān)，直接送入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行分析處理。如果需要，無(wú)線傳感器也可以實(shí)時(shí)傳輸采集的整個(gè)時(shí)間歷程信號(hào)。監(jiān)控中心也可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)把控制、參數(shù)設(shè)置等信息無(wú)線傳輸給節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)調(diào)理采集處理模塊把傳感器輸出的微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，濾波等調(diào)理電路后，送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器

34、，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，送到主處理器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，計(jì)算出傳感器的有效值，位移值等。圖 2-1：無(wú)線傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖2.2無(wú)線傳感器的特點(diǎn)2.2.1振動(dòng)傳感器每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最高采樣率可設(shè)置為4KHz，每個(gè)通道均設(shè)有抗混疊低通濾波器。采集的數(shù)據(jù)既可以實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸至計(jì)算機(jī)，也可以存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)置的2M數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，保證了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。有效室外通訊距離可達(dá)300m，節(jié)點(diǎn)功耗僅30mA，使用置的可充電電池，可連續(xù)測(cè)量18小時(shí)。如果選擇帶有USB接口的節(jié)點(diǎn)，您既可以通過(guò)USB接口對(duì)節(jié)點(diǎn)充電，也可以快速地把存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)下載到計(jì)算機(jī)里面。2.2.2應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，由電源模塊、采集處理模塊、無(wú)線收發(fā)

35、模塊組成，封裝在PPS塑料外殼。節(jié)點(diǎn)每個(gè)通道置有獨(dú)立的高精度120-1000橋路電阻和放大調(diào)理電路，可以方便地由軟件自動(dòng)切換選擇1/4橋，半橋，全橋測(cè)量方式，兼容各種類型的橋路傳感器，比如應(yīng)變，載荷，扭距，位移，加速度，壓力，溫度等。節(jié)點(diǎn)同時(shí)支持2線和3線輸入方式，橋路自動(dòng)配平，也可以存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)置的2M數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有效室外通訊距離可達(dá)300 m?？蛇B續(xù)測(cè)量十幾個(gè)小時(shí)。2.2.3扭矩傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，封裝在樹(shù)脂外殼。節(jié)點(diǎn)每個(gè)通道置有高精度120-1000橋路電阻和放大調(diào)理電路。橋路自動(dòng)配平。節(jié)點(diǎn)的空中傳輸速率可以達(dá)到250K BPS，有效實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到4K SPS，有效室通訊距離可

36、達(dá)100米。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有專門(mén)的電源管理軟硬件，在實(shí)時(shí)不間斷傳輸情況下，節(jié)點(diǎn)功耗僅25mA，使用普通9V電池，可連續(xù)測(cè)量幾十個(gè)小時(shí)。對(duì)于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)應(yīng)用，以5分鐘間隔發(fā)送一次扭矩值，數(shù)年不需要更換電池，大大提高了系統(tǒng)的免維護(hù)性。2.3傳感器的分類2.3.1聲音傳感器聲音的監(jiān)測(cè)采用Panasonic的全方位電容麥克風(fēng)WM-62A，它除了被用于普通的聲音記錄以外，還同蜂鳴器、麥克風(fēng)、音頻信號(hào)的接收放大和解碼電路，一起被用于聲音定位。聲音傳感器模塊的接口電路如圖3所示。蜂鳴器采用簡(jiǎn)單的固定頻率的共鳴器，用于產(chǎn)生固定頻率（如4KHz）的測(cè)距聲波。麥克風(fēng)接收到的聲音信號(hào)兩次經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器MAX4466實(shí)現(xiàn)兩級(jí)放

37、大，輸出信號(hào)送到單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口，同時(shí)該輸出經(jīng)過(guò)有源濾波器MAX4164連接到音調(diào)偵測(cè)器LMC567，可以實(shí)現(xiàn)聲調(diào)解碼，當(dāng)蜂鳴器所發(fā)出的固定頻率的音調(diào)出現(xiàn)，音調(diào)偵測(cè)器LMC567就會(huì)輸出一個(gè)數(shù)字高低電平給單片機(jī)的中斷端口。通過(guò)這一電路，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)間的測(cè)距，采用基于聲波和電磁波的到達(dá)時(shí)間差測(cè)距的方法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間測(cè)距，通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)所廣播的聲波和電磁波到達(dá)同一節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，進(jìn)而基于信號(hào)傳播速度來(lái)確定節(jié)點(diǎn)間的距離。某一節(jié)點(diǎn)激勵(lì)蜂鳴器發(fā)聲，且同時(shí)廣播電磁信號(hào)，當(dāng)周?chē)哪硞€(gè)節(jié)點(diǎn)接收到電磁波信號(hào)后，定時(shí)器開(kāi)始工作，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)接收到測(cè)距聲波時(shí)定時(shí)器停止工作。由于電磁波的傳播速度很快，定時(shí)器測(cè)量的時(shí)間可

38、以近似認(rèn)為是聲波在兩節(jié)點(diǎn)間傳播的時(shí)間，進(jìn)而可計(jì)算出兩節(jié)點(diǎn)間的距離。然后通過(guò)一定的定位算法，可以實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的自身定位。2.3.2加速度傳感器ADXL202AE是廉價(jià)、低功耗的兩軸加速度傳感器，量程圍為-2g到+2g。它可用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度，也可用來(lái)測(cè)量靜態(tài)加速度。它具有較高的靈敏度(12.5%/g)，即使用低速計(jì)數(shù)器來(lái)對(duì)它輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行解碼，也可以得到較高的分辨率。第三章 無(wú)線傳感器的應(yīng)用與分類3.1無(wú)線傳感器技術(shù)融合數(shù)據(jù)融合是WSN 中非常重要的一項(xiàng)技術(shù),也是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。該技術(shù)可以通過(guò)一定的算法將傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的大量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行各種網(wǎng)處理,去除其中的冗余信息,只將少量的有意

39、義的處理結(jié)果傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠大大減少WSN 中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,降低數(shù)據(jù)沖突,減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞,從而有效地節(jié)省能源開(kāi)銷,起到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的作用。WSN 中數(shù)據(jù)融合的作用主要體現(xiàn)在節(jié)省能量、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期、提高數(shù)據(jù)收集效率、增強(qiáng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性以與獲取綜合性信息等方面。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，得到了廣泛的應(yīng)用，在一個(gè)大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，系統(tǒng)常常需要使用和管理數(shù)量巨大，種類繁多的傳感器，這帶來(lái)了需要專門(mén)的線路鋪設(shè)，已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際需要，因此無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，極促進(jìn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。傳感器應(yīng)用包括網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涔芾硪?guī)則，無(wú)線路由協(xié)議，數(shù)據(jù)壓縮算法以與無(wú)線傳感器，在系統(tǒng)

40、解決方案中，傳感器的能量供應(yīng)完全依靠自身所攜帶的電源因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)模和計(jì)劃尤其顯得重要。它已經(jīng)在家用電器方面得到利用,相信未來(lái)將會(huì)更加成熟。智能化傳感器是傳感器技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要方向。在今后的發(fā)展中,智能化傳感器無(wú)疑將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展到化學(xué)、電磁、光學(xué)和核物理等研究領(lǐng)域。3.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)于每一類無(wú)線傳感器網(wǎng)路應(yīng)用系統(tǒng)而言,在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)時(shí)需要開(kāi)發(fā)的不僅是在應(yīng)用服務(wù)器上的業(yè)務(wù)邏輯部分的軟件,除此之外,還必須要設(shè)計(jì)處理分布系統(tǒng)所特有功能的軟件,而目前的系統(tǒng)軟件(操作系統(tǒng)) 都不支持。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件將使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)者集中于設(shè)計(jì)與應(yīng)用有關(guān)的部分,從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和維護(hù)工作。采

41、用中間件實(shí)現(xiàn)技術(shù),利用軟件構(gòu)件化、產(chǎn)品化能夠擴(kuò)展和簡(jiǎn)化無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件的開(kāi)發(fā)將會(huì)使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中達(dá)到柔性、高效的數(shù)據(jù)傳輸路徑和局部化的目標(biāo),同時(shí)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)應(yīng)用中達(dá)到最優(yōu)化。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺(tái)軟件構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)應(yīng)用的公共基礎(chǔ),提供了高度的靈活性、模塊性和可移植性。在一般無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)中,管理和信息安全縱向貫穿各個(gè)層次的技術(shù)架構(gòu),最底層是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層,逐漸向上展開(kāi)的是應(yīng)用支撐層、應(yīng)用業(yè)務(wù)層、具體的應(yīng)用領(lǐng)域軍事、環(huán)境、健康和商業(yè)等。定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)處理器處理模塊傳感器ADC收發(fā)機(jī)存儲(chǔ)器能量單元能量產(chǎn)生器：數(shù)模變換器傳感模塊

42、圖 3-2： 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能結(jié)構(gòu)3.3無(wú)線傳感器的應(yīng)用隨著人們對(duì)于環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注程度越來(lái)越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來(lái)越多，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來(lái)的侵入式破壞。比如，英特爾研究實(shí)驗(yàn)室研究人員曾經(jīng)將32個(gè)小型傳感器連進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)，以讀出緬因州大鴨島上的氣候，用來(lái)評(píng)價(jià)一種海燕巢的條件。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以跟蹤候鳥(niǎo)和昆蟲(chóng)的遷移，研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響，監(jiān)測(cè)海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應(yīng)用在細(xì)農(nóng)業(yè)中，來(lái)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的害蟲(chóng)、土壤的酸堿度和施肥狀況等。3.3.1醫(yī)療護(hù)理無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療研究、護(hù)理領(lǐng)域也可以大展身手。

43、羅徹斯特大學(xué)的科學(xué)家使用無(wú)線傳感器創(chuàng)建了一個(gè)智能醫(yī)療房間，使用微塵來(lái)測(cè)量居住者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺(jué)姿勢(shì)以與每天24小時(shí)的活動(dòng)狀況。英特爾公司也推出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的家庭護(hù)理技術(shù)。該技術(shù)是做為探討應(yīng)對(duì)老齡化社會(huì)的技術(shù)項(xiàng)目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一個(gè)環(huán)節(jié)開(kāi)發(fā)的。該系統(tǒng)通過(guò)在鞋、家具以家用電器等家中道具和設(shè)備中嵌入半導(dǎo)體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以與殘障人士的家庭生活。利用無(wú)線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)可高效傳遞必要的信息從而方便接受護(hù)理。而且還可以減輕護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)。英特爾主管預(yù)防性健康保險(xiǎn)研究的董事Eric

44、Dishman稱，在開(kāi)發(fā)家庭用護(hù)理技術(shù)方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是非常有前途的領(lǐng)域。3.3.2軍事領(lǐng)域由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機(jī)分布的特點(diǎn)，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途。美國(guó)國(guó)防部遠(yuǎn)景計(jì)劃研究局已投資幾千萬(wàn)美元，幫助大學(xué)進(jìn)行智能塵埃傳感器技術(shù)的研發(fā)。哈伯研究公司總裁阿爾門(mén)丁格預(yù)測(cè)：智能塵埃式傳感器與有關(guān)的技術(shù)銷售將從2004年的1000萬(wàn)美元增加到2010年的幾十億美元。3.3.3目標(biāo)跟蹤DARPA支持的Scnsor IT項(xiàng)目探索如何將WSN技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)所謂“超視距”戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)

45、測(cè)。UCB的教授主持的Sensor Web是Sensor IT的一個(gè)子項(xiàng)目原理性地驗(yàn)證了應(yīng)用WSN進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)跟蹤的技術(shù)可行性，翼下攜帶WSN節(jié)點(diǎn)的無(wú)人機(jī)(UAV)飛到目標(biāo)區(qū)域后拋下節(jié)點(diǎn)，最終隨機(jī)布撤落在被監(jiān)測(cè)區(qū)域，利用安裝在節(jié)點(diǎn)上的地震波傳感器可以探測(cè)到外部日標(biāo)，如坦克、裝甲車(chē)等，并根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱估算距離，綜合多個(gè)節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，最終定位目標(biāo)，并繪制出其移動(dòng)的軌跡。雖然該演示系統(tǒng)在精度等方面還遠(yuǎn)達(dá)不到裝備部隊(duì)用于實(shí)戰(zhàn)的要求，這種戰(zhàn)場(chǎng)偵察模式目前還沒(méi)有真正應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)，但隨著美國(guó)國(guó)防部將其武器系統(tǒng)研制的主要技術(shù)目標(biāo)從精確制導(dǎo)轉(zhuǎn)向目標(biāo)感知與定位，相信WSN提供的這種新穎的戰(zhàn)場(chǎng)偵察模式會(huì)受到軍方的關(guān)

46、注。3.3.4其他用途無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還被應(yīng)用于其他一些領(lǐng)域。比如一些危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過(guò)它來(lái)實(shí)施安全監(jiān)測(cè)。也可以用在交通領(lǐng)域作為車(chē)輛監(jiān)控的有力工具。此外和還可以在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線等諸多領(lǐng)域，英特爾正在對(duì)工廠中的一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，該網(wǎng)絡(luò)由40臺(tái)機(jī)器上的210個(gè)傳感器組成，這樣組成的監(jiān)控系統(tǒng)將可以大大改善工廠的運(yùn)作條件。它可以大幅降低檢查設(shè)備的成本，同時(shí)由于可以提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，因此將能夠縮短停機(jī)時(shí)間，提高效率，并延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間。盡管無(wú)線傳感器技術(shù)目前仍處于初步應(yīng)用階段，但已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng)用價(jià)值，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn)，一定會(huì)得到更大的應(yīng)用。圖 3-3：典

47、型的工作用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.4無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域部或附近，能夠通過(guò)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過(guò)多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以與收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。第四章 無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)融合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1數(shù)據(jù)融合技術(shù)的概述所謂數(shù)據(jù)融合，是將來(lái)自多個(gè)傳感器和信息源的數(shù)據(jù)信息加以聯(lián)合、相關(guān)和組合，剔除冗余信息，獲得互補(bǔ)信息，以便能夠較精確地估計(jì)出節(jié)點(diǎn)的位置和在網(wǎng)絡(luò)中的地位，以與對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況與其傳送數(shù)據(jù)的重要程度進(jìn)行適

48、時(shí)的完整的評(píng)價(jià)。對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，信息具有多樣性和復(fù)雜性，因此對(duì)數(shù)據(jù)融合方法的基本要具有魯棒性和并行處理能力。由于來(lái)自各種不同傳感器的數(shù)據(jù)信息可能具有不同的特征，于是相應(yīng)地出現(xiàn)了多種不同的數(shù)據(jù)融合方法。圖 4-1：數(shù)據(jù)融合算法4.2數(shù)據(jù)融合技術(shù)的用途數(shù)據(jù)融合技術(shù)為先進(jìn)的作戰(zhàn)管理和CI系統(tǒng)提供了重要的數(shù)據(jù)處理技術(shù)基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)融合在多信息源、多平臺(tái)和HYPERLINK :/baike.baidu /view/5031680.htm多用戶系統(tǒng)起著重要的處理和協(xié)調(diào)作用，保證了HYPERLINK :/baike.baidu /view/451490.htm數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)各單元與匯集中心間的連通性與

49、與時(shí)通信，而且使原來(lái)由軍事操作人員和情報(bào)分析人員完成的許多功能均由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確、有效地自動(dòng)完成。數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)未來(lái)作戰(zhàn)技術(shù)和武器系統(tǒng)的影響極為深遠(yuǎn)。大量新的作戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展迫切需要數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用和支持。如現(xiàn)代作戰(zhàn)原則強(qiáng)調(diào)縱深攻擊和遮斷能力，要求能描術(shù)目標(biāo)位置、運(yùn)動(dòng)與其企圖的信息，這已超過(guò)了使用的常規(guī)傳感器的性能水平。未來(lái)的戰(zhàn)斗車(chē)輛、艦艇和飛機(jī)將對(duì)射頻和紅外傳感器呈很低的信號(hào)特征。為維持其低可觀測(cè)性，它們將依靠無(wú)源傳感器和從遠(yuǎn)距離信息源接受的信息。那么，對(duì)這些信息數(shù)據(jù)的融合處理就是至關(guān)重要的了。數(shù)據(jù)融合技術(shù)還是作戰(zhàn)期間對(duì)付敵人使用隱身技術(shù)（如消聲技術(shù)、低雷達(dá)截面、低紅外信號(hào)特征）與幫

50、助進(jìn)行大面積目標(biāo)監(jiān)視的重要手段。數(shù)據(jù)融合技術(shù)將幫助戰(zhàn)區(qū)指揮員和較低層次的指揮員從空間和水下進(jìn)行大圍監(jiān)視、預(yù)報(bào)環(huán)境條件、管理電子對(duì)抗和電子反對(duì)抗設(shè)備等分散資源。同樣還能協(xié)助先進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)、直升飛機(jī)的駕駛員進(jìn)行超低空導(dǎo)航。高速、低成本與高可靠性的數(shù)據(jù)融合技術(shù)不僅在軍事領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而且在自動(dòng)化制造領(lǐng)域、商業(yè)部門(mén)，乃至家庭都有極其廣闊的應(yīng)用前景。如自動(dòng)化制造過(guò)程中的實(shí)時(shí)過(guò)程控制、傳感器控制元件、工作站以與機(jī)器人和操作裝置控制等均離不開(kāi)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用。數(shù)據(jù)融合技術(shù)為需要可靠地控制本部門(mén)敏感信息和貿(mào)易秘密的部門(mén)提供了實(shí)現(xiàn)新的系統(tǒng)的控制擅自進(jìn)入的可能性。對(duì)于來(lái)自無(wú)源電子支援測(cè)量、紅外、聲

51、學(xué)、運(yùn)動(dòng)控測(cè)器、火與水探測(cè)器等各種信息源的數(shù)據(jù)融合，可以用于商店和家庭的防盜防火。軍事應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)融合應(yīng)用同樣可以應(yīng)用于民用部門(mén)的城市規(guī)劃、資源管理、污染監(jiān)測(cè)和分析以與氣候、作物和地質(zhì)分析，以保證在不同機(jī)關(guān)和部門(mén)之間實(shí)現(xiàn)有效的信息共享。4.3數(shù)據(jù)融合技術(shù)的重要作用4.3.1節(jié)省能量由于部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，考慮了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和監(jiān)測(cè)信息的準(zhǔn)確性（即保證一定的精度），需要進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的冗余配置。在這種冗余配置的情況下，監(jiān)測(cè)區(qū)域周?chē)墓?jié)點(diǎn)采集和報(bào)告的數(shù)據(jù)會(huì)非常接近或相似，即數(shù)據(jù)的冗余程度較高。如果把這些數(shù)據(jù)都發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，在已經(jīng)滿足數(shù)據(jù)精度的前提下，除了使網(wǎng)絡(luò)消耗更多的能量外，匯聚節(jié)

52、點(diǎn)并不能獲得更多的信息。而采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，就能夠保證在向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)之前，處理掉大量冗余的數(shù)據(jù)信息，從而節(jié)省了網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的能量資源。4.3.2獲取更準(zhǔn)確的信息由于環(huán)境的影響，來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存在著較高的不可靠性。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)同一區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，有效地提高獲取信息的精度和可信度。4.3.3提高數(shù)據(jù)收集效率網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量，降低傳輸擁塞，降低數(shù)據(jù)傳輸延遲，減少傳輸數(shù)據(jù)沖突碰撞現(xiàn)象，可在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)收集數(shù)據(jù)的效率。數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以從不同角度進(jìn)行分類，主要的依據(jù)是三種：融合前后數(shù)據(jù)信息含量、數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用層數(shù)據(jù)語(yǔ)義的關(guān)系以與融合操作的級(jí)別。4.4數(shù)據(jù)融合

53、的基本原理數(shù)據(jù)融合中心對(duì)來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，也可以將來(lái)自多個(gè)傳感器的信息和人機(jī)界面的觀測(cè)事實(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合(這種融合通常是決策級(jí)融合)提取征兆信息，在推理機(jī)作用下將征兆與知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)匹配，做出故障診斷決策，提供給用戶。多傳感器信息融合的基本原理就像人腦綜合處理信息的過(guò)程一樣，它充分地利用多個(gè)傳感器資源，通過(guò)對(duì)各種傳感器與其觀測(cè)信息的合理支配與使用，將各種傳感器在空間和時(shí)間上的互補(bǔ)與冗余信息依據(jù)某種優(yōu)化準(zhǔn)則組合起來(lái)， 產(chǎn)生對(duì)觀測(cè)環(huán)境的一致性解釋和描述。 信息融合的目標(biāo)是基于各傳感器分離觀測(cè)信息， 通過(guò)對(duì)信息的優(yōu)化組合導(dǎo)出 更多的有效信息。它的最終目的是利用多個(gè)傳感器共同或聯(lián)合操作的優(yōu)勢(shì)

54、，來(lái)提高整個(gè)傳感器系統(tǒng)的有效性。4.5數(shù)據(jù)融合的幾種方法4.5.1基于卡爾曼濾波(KF)的數(shù)據(jù)融合該方法用測(cè)量模型的統(tǒng)計(jì)特性，遞推決定統(tǒng)計(jì)意義下最優(yōu)融合數(shù)據(jù)合計(jì)。如 果系統(tǒng)具有線性動(dòng)力學(xué)模型，且系統(tǒng)噪聲和傳感器噪聲可用高斯分布的白噪聲模 型來(lái)表示，則 KF 為融合數(shù)據(jù)提供惟一的統(tǒng)計(jì)意義下的最優(yōu)估計(jì)，它的遞推特性 使系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理不需大量的存儲(chǔ)和計(jì)算。 KF 分為分散卡爾曼濾波(DKF)和擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)。 DKF 可實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合完全分散化，其優(yōu)點(diǎn)是，單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)失效不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效。 而 EKF 的優(yōu)點(diǎn)是，可有效克服數(shù)據(jù)處理不穩(wěn)定性或系統(tǒng)模型線性程度的誤差對(duì) 融合過(guò)程產(chǎn)生的

55、影響。4.5.2基于預(yù)測(cè)的時(shí)域數(shù)據(jù)融合在基于預(yù)測(cè)的時(shí)域數(shù)據(jù)融合中, 通過(guò)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,建立了能夠反映時(shí)間序列中所包含的動(dòng)態(tài)依存關(guān)系的數(shù)學(xué)模型, 并對(duì)觀察值進(jìn)行預(yù)測(cè)。只有當(dāng)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的誤差超過(guò)給定閾值時(shí), 才傳輸數(shù)據(jù)。通過(guò)預(yù)測(cè),減少不必要的數(shù)據(jù)傳輸, 從而降低網(wǎng)絡(luò)能耗, 實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。現(xiàn)有文獻(xiàn)中一般采用的預(yù)測(cè)融合方法主要有概率模型、自回歸滑動(dòng)平均模型(autoregressive moving average, ARMA)與自適應(yīng)的雙重預(yù)測(cè)策略等。其中,自適應(yīng)的雙重預(yù)測(cè)策略在自適應(yīng)預(yù)測(cè)模型選取時(shí),由于考慮了時(shí)間序列、先驗(yàn)知識(shí)、預(yù)測(cè)精度以與可用的計(jì)算資源

56、等因素, 能實(shí)現(xiàn)在線的自適應(yīng)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)融合,并具有較好的可擴(kuò)展性。在此類融合方法中,如何根據(jù)采集的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行數(shù)據(jù)樣本與預(yù)測(cè)融合算法的選擇是問(wèn)題的關(guān)鍵所在。再者, 目前進(jìn)行的主要是同步融合,關(guān)于異步融合的研究報(bào)道很少,值得關(guān)注。在WSN中, 同一地點(diǎn)布置了許多傳感器, 這些傳感器之間的相對(duì)距離較近,其觀察值在時(shí)間和空間上存在相關(guān)性, 導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象。因此, 如何消除多傳感器間的時(shí)空相關(guān)性,以降低網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)與節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量和開(kāi)銷, 值得研究。而時(shí)間和空間上的這種相關(guān)性也是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)融合方法的主要依據(jù)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)多傳感器間時(shí)空融合的研究可分為兩類: 一類是時(shí)間或者空間融合模型;另一類是時(shí)空融合模型

57、。典型的時(shí)間融合模型是TiNA( temporal coherency- a-ware in-networkaggregation),它利用傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間一致性進(jìn)行網(wǎng)融合。其基本思想是, 只有當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)與上一次采集的數(shù)據(jù)的差值大于某個(gè)用戶指定的容忍限度時(shí), 節(jié)點(diǎn)才進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。這種方法對(duì)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)較小的應(yīng)用十分有效,能夠較為顯著地減少網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸量。然而, 當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大時(shí), TiNA的作用就不是非常明顯了; 而且TiNA對(duì)于節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)空間的要求比較高,尤其當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí), 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)需要保存大量的額外信息。空間融合模型應(yīng)用于WSN事件監(jiān)測(cè)。該模型完全用節(jié)點(diǎn)間距離遠(yuǎn)近來(lái)

58、衡量節(jié)點(diǎn)觀測(cè)值間的相關(guān)程度,而實(shí)際上離事件源距離一樣的節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)值間的相關(guān)性更高。時(shí)空融合模型是消除時(shí)空相關(guān)性的數(shù)據(jù)融合研究的發(fā)展趨勢(shì), 其典型的如文獻(xiàn)所述。此類模型主要是對(duì)時(shí)間融合和空間融合進(jìn)行組合排序, 融合性能不但取決于進(jìn)行時(shí)間與空間融合的先后次序, 而且還與具體采用何種融合方法有關(guān), 這些都需要做進(jìn)一步的定量分析。例如文獻(xiàn)中采用D-S證據(jù)理論進(jìn)行空間融合,計(jì)算量過(guò)于巨大, 對(duì)處理能力有限的感知節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)負(fù)擔(dān)過(guò)重;此外, 計(jì)算所造成的延時(shí)也將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和同步性, 限制了其在數(shù)據(jù)融合領(lǐng)域更加廣泛的應(yīng)用。因此, 這些方面均可作為時(shí)空融合模型下一步研究的重點(diǎn)。在DS證據(jù)理論中，由互不相

59、容的基本命題（假定）組成的完備集合稱為識(shí)別框架，表示對(duì)某一問(wèn)題的所有可能答案，但其中只有一個(gè)答案是正確的。該框架的子集稱為命題。分配給各命題的信任程度稱為基本概率分配（BPA，也稱m函數(shù)），m(A)為基本可信數(shù)，反映著對(duì)A的信度大小。信任函數(shù)Belgium（A）表示對(duì)命題A的信任程度，似然函數(shù)Pl(A)表示對(duì)命題A非假的信任程度，也即對(duì)A似乎可能成立的不確定性度量，實(shí)際上，Bel(A),Pl(A)表示A的不確定區(qū)間，0,Bel(A)表示命題A支持證據(jù)區(qū)間，0,Pl(A)表示命題A的擬信區(qū)間， Pl(A),1表示命題A的拒絕證據(jù)區(qū)間。設(shè)m1和m2是由兩個(gè)獨(dú)立的證據(jù)源（傳感器）導(dǎo)出的基本概率分配函

60、數(shù)，則Dempster聯(lián)合規(guī)則可以計(jì)算這兩個(gè)證據(jù)共同作用產(chǎn)生的反映融合信息的新的基本概率分配函數(shù)。第五章 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性分析5.1攻擊種類點(diǎn)并不破壞路由協(xié)議的執(zhí)行過(guò)程而僅僅通過(guò)偵聽(tīng)路由的通信過(guò)程獲取對(duì)它有用的路由信息。由于無(wú)線頻譜的開(kāi)放性,對(duì)這類攻擊的檢測(cè)相當(dāng)困難。主動(dòng)式攻擊指惡意節(jié)點(diǎn)阻止路由的建立、更改包的傳送方向、中斷路由的使用、以與利用虛假數(shù)據(jù)欺騙網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證和授權(quán)等破壞性行為。主動(dòng)式攻擊可進(jìn)一步分為外部攻擊和部攻擊。外部攻擊是指位于網(wǎng)絡(luò)外部的攻擊者對(duì)網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的攻擊,而部攻擊是指經(jīng)過(guò)了認(rèn)證和授權(quán)已成為網(wǎng)絡(luò)成員的惡意節(jié)點(diǎn)(即:Compromised節(jié)點(diǎn),本文稱之為“叛變”節(jié) 點(diǎn))在網(wǎng)絡(luò)