無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課件

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的原理應(yīng)用與發(fā)展前景建環(huán)0802U200815284一、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介一、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，可應(yīng)用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達(dá)的區(qū)域(如受到污染、環(huán)境不能被破壞或敵對(duì)區(qū)域)和一些臨時(shí)場(chǎng)合(如發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)，固定通信網(wǎng)絡(luò)被破壞)等。它不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開(kāi)，抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、交通、環(huán)保等領(lǐng)域，引起了人們廣泛關(guān)注。一、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)尚處于研究階段，為了加快其實(shí)用化進(jìn)程，國(guó)外建設(shè)了很多演示系統(tǒng)，相關(guān)的理論研究成果也很多。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些科研院所和高校也開(kāi)展了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論和應(yīng)用的研究，從可以獲得的文獻(xiàn)資料來(lái)看，基本處于起步階段。二、線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)由于受到體積、價(jià)格和電源供給等因素的限制，通信距離較短，只能與自己通信范圍內(nèi)的鄰居交換數(shù)據(jù)。要訪問(wèn)通信范圍以外的節(jié)點(diǎn)，必須使用多跳路由。為了保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大多數(shù)節(jié)點(diǎn)都可以與網(wǎng)關(guān)建立無(wú)線鏈路，節(jié)點(diǎn)的分布要相當(dāng)?shù)拿芗?。二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的典型硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括電池及電源管理電路、傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換器件、存儲(chǔ)器、微處理器和射頻模塊等。二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)采用電池供電，一旦電源耗盡，節(jié)點(diǎn)就失去了工作能力。為了雖大限度的節(jié)約電源，在硬件設(shè)計(jì)方面，要盡量采用低功耗器件，在沒(méi)有通信任務(wù)的時(shí)候，切斷射頻部分電源；在軟件設(shè)計(jì)方面，各層通信協(xié)議都應(yīng)該以節(jié)能為中心，必要時(shí)可以犧牲其他的一些網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，以獲得更高的電源效率。三、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域軍事應(yīng)用環(huán)境科學(xué)醫(yī)療健康空間探索其他商業(yè)應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域：軍事應(yīng)用

在軍事領(lǐng)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)成為C4ISRT(command，control，communication，computing，intelligence，surveillance，reconnaissanceandtargeting)系統(tǒng)不可或缺的一部分。C4ISRT系統(tǒng)的目標(biāo)是利用先進(jìn)的高科技技術(shù)，為未來(lái)的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)設(shè)計(jì)一個(gè)集命令、控制、通信、計(jì)算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場(chǎng)指揮系統(tǒng)，受到了軍事發(fā)達(dá)國(guó)家的普遍重視。因?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)組成的，自組織性和容錯(cuò)能力使其不會(huì)因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)在惡意攻擊中的損壞而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)所無(wú)法比擬的，也正是這一點(diǎn),使傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，包括監(jiān)控我軍兵力、裝備和物資，監(jiān)視沖突區(qū)，偵察敵方地形和布防，定位攻擊目標(biāo)，評(píng)估損失，偵察和探測(cè)核、生物和化學(xué)攻擊。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域：軍事應(yīng)用

在戰(zhàn)場(chǎng)，指揮員往往需要及時(shí)準(zhǔn)確地了解部隊(duì)、武器裝備和軍用物資供給的情況，鋪設(shè)的傳感器將采集相應(yīng)的信息，并通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)送至指揮所，再轉(zhuǎn)發(fā)到指揮部，最后融合來(lái)自各戰(zhàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)形成我軍完備的戰(zhàn)區(qū)態(tài)勢(shì)圖。在戰(zhàn)爭(zhēng)中，對(duì)沖突區(qū)和軍事要地的監(jiān)視也是至關(guān)重要的，通過(guò)鋪設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，以更隱蔽的方式近距離地觀察敵方的布防；當(dāng)然，也可以直接將傳感器節(jié)點(diǎn)撒向敵方陣地，在敵方還未來(lái)得及反應(yīng)時(shí)迅速收集利于作戰(zhàn)的信息。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域：環(huán)境科學(xué)隨著人們對(duì)于環(huán)境的日益關(guān)注，環(huán)境科學(xué)所涉及的范圍越來(lái)越廣泛。通過(guò)傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)是一件困難的工作。傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了方便，比如,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。ALERT系統(tǒng)中就有數(shù)種傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)降雨量河水水位和土壤水分，并依此預(yù)測(cè)爆發(fā)山洪的可能性。類似地，傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)森林火災(zāi)準(zhǔn)確、及時(shí)地預(yù)報(bào)也應(yīng)該是有幫助的。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，以監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的害蟲(chóng)、土壤的酸堿度和施肥狀況等。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)療健康如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點(diǎn)，如心率和血壓監(jiān)測(cè)設(shè)備，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)，醫(yī)生就可以隨時(shí)了解被監(jiān)護(hù)病人的病情，進(jìn)行及時(shí)處理。還可以利用傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)間地收集人的生理數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在研制新藥品的過(guò)程中是非常有用的。而安裝在被監(jiān)測(cè)對(duì)象身上的微型傳感器也不會(huì)給人的正常生活帶來(lái)太多的不便。此外，在藥物管理等諸多方面，它也有新穎而獨(dú)特的應(yīng)用?？傊?傳感器網(wǎng)絡(luò)為未來(lái)的遠(yuǎn)程醫(yī)療提供了更加方便、快捷的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域：空間探索探索外部星球一直是人類夢(mèng)寐以求的理想，借助于航天器布撒的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)星球表面長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，應(yīng)該是一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。NASA的JPL(JetPropulsionLaboratory)實(shí)驗(yàn)室研制的SensorWebs就是為將來(lái)的火星探測(cè)進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備的，已在佛羅里達(dá)宇航中心周圍的環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中進(jìn)行測(cè)試和完善。四、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步技術(shù)時(shí)間同步技術(shù)是完成實(shí)時(shí)信息采集的基本要求，也是提高定位精度的關(guān)鍵手段。常用方法是通過(guò)時(shí)間同步協(xié)議完成節(jié)點(diǎn)問(wèn)的對(duì)時(shí)，通過(guò)濾波技術(shù)抑制時(shí)鐘噪聲和漂移。最近，利用耦合振蕩器的同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)狀態(tài)自然同步方法也倍受關(guān)注，這是一種高效的、可無(wú)限擴(kuò)展的時(shí)間同步新技術(shù)。2、分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合分布式動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理是以數(shù)據(jù)中心為特征的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)之一。該技術(shù)通過(guò)部署或者指定一些節(jié)點(diǎn)為代理節(jié)點(diǎn)，代理節(jié)點(diǎn)根據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù)收集興趣數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)任務(wù)通過(guò)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢語(yǔ)言下達(dá)給目標(biāo)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)。在整個(gè)體系中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被當(dāng)作分布式數(shù)據(jù)庫(kù)獨(dú)立存在，實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀物理世界的實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)。信息融合技術(shù)是指節(jié)點(diǎn)根據(jù)類型、采集時(shí)間、地點(diǎn)、重要程度等信息標(biāo)度，通過(guò)聚類技術(shù)將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地的融合和壓縮，一方面排除信息冗余，減小網(wǎng)絡(luò)通信開(kāi)銷，節(jié)省能量；另一方面可以通過(guò)貝葉斯推理技術(shù)實(shí)現(xiàn)本地的智能決策。4、精細(xì)控制、深度嵌入的操作系統(tǒng)技術(shù)作為深度嵌入的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)操作系統(tǒng)也有特別的要求，既要能夠完成基本體系結(jié)構(gòu)支持的各項(xiàng)功能，又不能過(guò)于復(fù)雜。從目前發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，TinyOS是最成功的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)專用操作系統(tǒng)。但隨著芯片低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)和能量工程技術(shù)水平的提高，更復(fù)雜的嵌入式操作系統(tǒng)，如Vxworks、Uclinux和Ucos等，也可能被無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所采用。5、能量工程能量工程包括能量的獲取和存儲(chǔ)兩方面。能量獲取主要指將自然環(huán)境的能量轉(zhuǎn)換成節(jié)點(diǎn)可以利用的電能，如太陽(yáng)能，振動(dòng)能量、地?zé)?、風(fēng)能等。2007年在無(wú)線能量傳遞方面有了新的研究成果：通過(guò)磁場(chǎng)的共振傳遞技術(shù)將使遠(yuǎn)程能量傳遞。這項(xiàng)技術(shù)將對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展帶來(lái)革命性的影響。在能量存儲(chǔ)技術(shù)方面，高容量電池技術(shù)是延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命，全面提高節(jié)點(diǎn)能力的關(guān)鍵性技術(shù)。納米電池技術(shù)是目前最有希望的技術(shù)之一。五、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展前景

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來(lái)的一個(gè)無(wú)孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用可以涉及到人類日常生活和社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。無(wú)線通信能力則為傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了更新、更廣闊的前景：包括醫(yī)學(xué)、軍事以及環(huán)境科學(xué)、空間探索、災(zāi)難拯救、工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線等眾多領(lǐng)域。在未來(lái)我們不由地相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn)，無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)隨著應(yīng)用需求的激增，發(fā)揮出