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)用實例分析第十六章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用第1頁/共26頁概述

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)特別簡單，只能獲取簡單信號，數(shù)據(jù)傳輸采用的是點對點模式，傳感器節(jié)點與傳感控制器相連就構(gòu)成了這樣一個傳感器網(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，它能夠讀取多種信號，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，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，雖然在實驗室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)能夠運行，但限于節(jié)點成本、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)模地撒播具有簡單數(shù)據(jù)處理和融合能力的傳感器節(jié)點，無線自組織地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間節(jié)點的相互通信，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)。第2頁/共26頁無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由在應(yīng)用場景內(nèi)隨機分布的嵌入式傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，具有鮮明的特點。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)點數(shù)目巨大，節(jié)點密度高，如水質(zhì)監(jiān)測、森林防火監(jiān)測等應(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)機制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，傳感器節(jié)點有自組織能力，能夠自動形成可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的多跳無線通信系統(tǒng)。3．動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可能會隨時加入或離開，所以網(wǎng)絡(luò)要能夠感知節(jié)點的加入和移動。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠適應(yīng)這些變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重組性。概述第3頁/共26頁4．可靠的網(wǎng)絡(luò)無線傳感器節(jié)點資源有限，其計算能力和存儲能力不強，生命周期取決于電池，而且針對不同的應(yīng)用，傳感器節(jié)點的硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也可能不同，對無線傳感器節(jié)點進(jìn)行維護、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?jié)點失效的高度容錯性。5．以數(shù)據(jù)為中心無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點沒有唯一的IP地址，其網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識取決于采用的網(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，傳感器節(jié)點獲取的指定事件的信息不是報告給某一個特定編號的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，而是直接報告給網(wǎng)絡(luò)的，再由網(wǎng)絡(luò)報告給用戶，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。概述第4頁/共26頁無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景1．環(huán)境監(jiān)測和保護2．軍事領(lǐng)域3．文物保護4．醫(yī)療護理5．空間探索6．建筑領(lǐng)域7．智能交通及其他第5頁/共26頁靜態(tài)部署第6頁/共26頁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)相對固定或應(yīng)用環(huán)境、節(jié)點位置信息、節(jié)點的密度等已知情況下，確定性部署通過對問題進(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)化對象根據(jù)優(yōu)化對象對部署進(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)點角色節(jié)點的部署位置不僅影響節(jié)點的覆蓋與連通，更影響網(wǎng)絡(luò)的生存時間。一些學(xué)者利用不同類型的節(jié)點來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，如增加網(wǎng)絡(luò)生存時間、最小化數(shù)據(jù)包延遲等。節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中可以充當(dāng)感知節(jié)點、中間節(jié)點、基站節(jié)點或簇頭節(jié)點。當(dāng)節(jié)點充當(dāng)不同的角色時，網(wǎng)絡(luò)的性能參數(shù)依賴于節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的角色。靜態(tài)部署第7頁/共26頁動態(tài)部署傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的動態(tài)部署研究可以分為兩類。第一類是通過節(jié)點的自主移動到達(dá)目標(biāo)位置實現(xiàn)部署，這種節(jié)點包括可移動傳感器和機器人傳感器，其中可移動傳感器是具有翻動、彈跳等小距離移動功能的傳感器，機器人傳感器是機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)建和運作中。第二類動態(tài)部署方法是借助機器人在區(qū)域內(nèi)的移動來放置節(jié)點，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并在網(wǎng)絡(luò)的工作過程中實時調(diào)整節(jié)點位置以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的維護。第8頁/共26頁動

節(jié)點動態(tài)部署可以追溯到機器人的部署，國內(nèi)外已有研究機構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究，基于動態(tài)部署的方式可以分為以下三種.1．增量式節(jié)點部署算法2．基于人工勢場（或虛擬力）的算法3．利用節(jié)點間的移動算法動態(tài)部署第9頁/共26頁無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實例分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義為：大量無處不在的，密集布設(shè)的具有通信與計算能力的傳感器節(jié)點，可在無人值守的監(jiān)控區(qū)域自組成網(wǎng)絡(luò)，協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在環(huán)境上的應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在：布設(shè)成本低；無須人工維護，無須大量人員值守，生態(tài)環(huán)境不易遭到破壞，不對人們的生活造成影響，反饋信息準(zhǔn)確、及時、可靠。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用方面的優(yōu)勢無可比擬，其應(yīng)用和推廣將為社會帶來不可估量的效益和深遠(yuǎn)影響。第10頁/共26頁用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦井環(huán)境監(jiān)測中通常需要對礦井風(fēng)速、礦塵、一氧化碳、溫度、濕度、氧氣、硫化氫和二氧化碳等參數(shù)進(jìn)行檢測。現(xiàn)有的監(jiān)控檢測系統(tǒng)需要在礦井內(nèi)設(shè)通信線路，傳遞監(jiān)測信息。生產(chǎn)過程中礦井結(jié)構(gòu)在不停變化，加之有些坑道空間狹小，對通信線路的延伸和維護提出了很高的要求。一旦通信鏈路發(fā)生故障，整個監(jiān)測系統(tǒng)就可能癱瘓。為解決上述問題，本節(jié)提出使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行礦井環(huán)境的監(jiān)測監(jiān)控。使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控有三個顯著的優(yōu)勢：（1）傳感器節(jié)點體積小且整個網(wǎng)絡(luò)只需要部署一次，因此部署傳感器網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)控環(huán)境的人為影響很小。（2）傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量大，分布密度高，每個節(jié)點可以檢測到局部環(huán)境詳細(xì)信息并匯總到基站，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)具有采集數(shù)據(jù)全面，精度高的特點。（3）無線傳感器節(jié)點本身具有一定的計算能力和存儲能力，可以根據(jù)物理環(huán)境的變化進(jìn)行較為復(fù)雜的監(jiān)控。第11頁/共26頁1．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的框架結(jié)構(gòu)用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。大量的傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式組成網(wǎng)絡(luò)。各個傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點進(jìn)行逐跳傳輸，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測信息。1）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第12頁/共26頁2）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)第13頁/共26頁2．節(jié)點的軟/硬件結(jié)構(gòu)1）硬件結(jié)構(gòu)

節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖所示，傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點，處理采集到的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，采用微型電池。用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)第14頁/共26頁2）軟件結(jié)構(gòu)用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)第15頁/共26頁用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3．網(wǎng)絡(luò)協(xié)議1）多徑路由機制和SPEED路由協(xié)議，可靠的路由協(xié)議主要從以下兩個方面考慮：一是利用節(jié)點的冗余性提供多條路徑以保證通信的可靠性；二是建立對傳輸可靠性的估計機制，從而保證每跳傳輸?shù)目煽啃浴?）基于分簇的TDMA機制MAC協(xié)議由于該傳感器網(wǎng)絡(luò)采用骨干節(jié)點、非骨干節(jié)點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即分簇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其底層的MAC層協(xié)議也是基于這種分簇的結(jié)構(gòu)設(shè)計。4．定位機制當(dāng)井下發(fā)生瓦斯泄漏事件時，必須盡快找到瓦斯泄漏點進(jìn)行搶修。此時探測到瓦斯?jié)舛茸罡叩墓?jié)點必然是距離瓦斯泄漏點最近的節(jié)點，該節(jié)點要發(fā)送位置信息給管理節(jié)點。第16頁/共26頁山體滑坡案例1．工程介紹

城市存在大量山地地貌，城市居民人口眾多，要求土地必須保持較高的利用率，因此大量建筑和道路都位于山區(qū)附近。由于地處中國南方，地理位置決定了該地區(qū)降雨量常年偏高，尤其在每年的梅雨季節(jié)，會出現(xiàn)大量的降水。不穩(wěn)定的山地地貌在受到雨水侵蝕后，容易產(chǎn)生山體滑坡現(xiàn)象，對居民的生命財產(chǎn)安全造成巨大的威脅。MEMSIC作為最早進(jìn)入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的公司，提供全套無線解決方案。在與地理監(jiān)測專家進(jìn)行多次交流，并進(jìn)行數(shù)次實地考察后，MEMSIC公司提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測方案。第17頁/共26頁2．理論原理液位傳感器:觀測地下水深度。傾角傳感器：監(jiān)測山體的運動狀況，山體往往由多層土壤或巖石組成，不同層次間由于物理構(gòu)成和侵蝕程度不同，其運動速度不同山體滑坡案例第18頁/共26頁山體滑坡案例2．理論原理液位傳感器:觀測地下水深度。傾角傳感器：監(jiān)測山體的運動狀況，山體往往由多層土壤或巖石組成，不同層次間由于物理構(gòu)成和侵蝕程度不同，其運動速度不同第19頁/共26頁3．部署實現(xiàn)山體滑坡案例第20頁/共26頁1）傳感器節(jié)點每個傳感器節(jié)點包含液位傳感器與傾角傳感器元件，IRIS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、MDA300數(shù)據(jù)獲取板和電池組。2）中繼Mote中繼Mote的硬件結(jié)構(gòu)和Mote完全一樣，只是沒有連接傳感器,通過有線形式供電。3）基站基站是由一個Stargate網(wǎng)關(guān)和一個Mote組成。山體滑坡案例第21頁/共26頁4）MoteWebMoteWeb是Windows平臺下支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的B/S架構(gòu)可視監(jiān)控軟件，可通過Web瀏覽器直接訪問WSN數(shù)據(jù)，具有友好的交互界面。4．問題與解決方案1）通信距離山體滑坡案例第22頁/共26頁2）能源消耗山體滑坡案例第23頁/共26頁3）IT系統(tǒng)設(shè)計山體滑坡案例第24