无线传感器网络及应用论文

无线传感器网络及应用论文（精选12篇）

无线传感器网络及应用论文 篇1

摘要：作为物联网的重要组成部分, 无线传感器网络具有非常广泛的应用领域, 因而越来越多的工业界和学术界从事其开发。本文首先介绍了无线传感器网络的概念和特点, 然后分析了无线传感器网络的研究现状和关键技术, 最后阐述了无线传感器网络的应用领域, 为相关研究人员提供参考。

关键词：无线器传感网络,传感器节点,能量,研究现状

1 引言

1.1 定义

无线传感器网络 (Wireless Sensor Networks, WSN) 由部署在监控区域、随机分布的大量传感器节点, 以自组织和多跳的方式构成无线网络来实现数据的采集量化、处理融合和传输应用, 它综合了计算机技术、通信技术和传感器技术三大技术[1]。由于无线传感网络技术近年来的广泛应用, 成为目前倍受关注的热点研究领域。1999年, 出现了关于无线传感器网络的代表性论述, 题为“传感器走向无线时代”[2]。2001年, 美国《技术评论》杂志将无线传感器网络列于十大改变未来世界的新兴技术之首[3]。2003年, 《商业周刊》预测:无线传感器网络将会在不久的将来掀起新的产业浪潮[4]。一个典型的无线传感网络结构如图1所示。

无线传感器网络系统由汇聚节点 (即Sink) 、传感器节点和管理节点构成, 它的工作原理是:随机地把数量庞大的传感器节点部署在监测区域内, 通过无线方式将采集到的信息以多跳的方式传输给远程任务管理平台, 以实现用户对目标的远程监测和处理。

传感器节点结构简单, 如图2所示, 通常由感知、数据处理、通信和能量供应四个模块构成[5]。感知模块是由传感器和A/D转换功能模块来构成, 主要任务是采集被监测区域的数据信息并进行模数转换;处理模块主要包括中央处理器、存储器以及嵌入式系统等基本模块, 主要控制节点的具体操作并对传来的数据进行存储和处理;通信模块的核心组成部分是无线通信模块, 主要负责与其它节点无线通讯、收发数据以及控制信息的交换;能量供应模块常由电池供电, 负责提供足够的能量以保证传感器节点能正常工作。

1.2 特点

无线传感器网络不仅具有独立、分布、多跳等普通无线Ad Hoc网络的特性, 同时还存在自组织、动态的网络拓扑、以数据为中心等特点, 应用前景越来越广泛[6]。

首先是分布式的自组织特性。在传感器网络应用中, 由于传感器节点的位置无法预先精确设定, 节点之间的相互邻居关系预先也不知道, 通常采用飞机播撒的方式将传感器节点部署到广阔的或人不可到达的区域。这就要求传感器节点具有自组织的能力, 能够自动进行配置和管理, 自动转发监测数据。

其次是网络拓扑的动态特性。网络中的节点状态随着环境条件的变化而相应地发生变化, 加之无线通信信道的不稳定性, 网络拓扑因此也在不断地调整变化, 而这种变化方式是无人能准确预测出来的。

第三是节点资源受限特性。传感器节点具有的能量、通信能力、计算与存储能力都非常有限。如何高效使用能量是传感器网络的首要设计目标。此外, 节点的通信范围也很有限, 随着通信范围的增大, 通信功耗急剧增加。由于传感器节点使用的处理器是嵌入式处理器, 体积小, 计算能力相对薄弱, 存储容量也比较小。此外, 传感器网络还具有可靠性低、以数据为中心等特点。

2 无线传感器网络国内外研究现状

无线传感器网络具备较高的科研价值和广泛的应用前景, 它的出现引发了国内外的广泛关注, 虽然其研究历史不长, 但发展非常迅速。

2.1 国外研究现状

1999年美国国防部提出了“智能尘埃”的概念, 最早开始无线传感器网络技术的研究, 目的是监控敌方的活动状况而不被察觉。“灵巧传感器网络通信”计划是2001年被美国陆军提出的, 就是将无人值守式弹药、传感器以及未来战斗系统所用的机器人系统连成网络, 从而提高未来战斗系统的生存能力。2002年, 英特尔专门向外界发布了发展规划, 称其会把传感器网络的研究重点放在森林火灾监测和医学预防等方面。同年欧盟提出为期3年的EYES计划, 着重对无线传感器网络的构架、节点的协作、网络协议和安全等进行研究。

在学术界, 2003年美国科学基金委员会斥巨资制定了无线传感网研究计划来支持微型传感器网络的发展, 研究领域涉及能够感知生物攻击、有毒化学物等的传感器节点、分布环境下传感网的特性等问题。2005年, 在网络技术和系统的研究计划中, 资助4000万美元来探究下一代可靠性高、安全可扩展的网络、可编程的无线网及传感器系统的网络特性。哈佛大学、康奈尔大学和麻省理工学院等美国名校也成立了研究小组在无线传感器网络方面开展了大量的工作。除了高校和科研机构外, 国外的知名企业也都先后参与开展了该领域的研究。克尔斯博公司率先进行无线传感器网络研究, Crossbow公司也与微软、英特尔、加州大学伯克利分校都建立了合作关系。

2.2 国内研究现状

我国的无线传感器网络研究相对国外而言起步较晚, 直到2002年以后才开始初步探索。在国内, 较早进行传感器网络相关研究的高校和科研机构有清华大学、浙江大学、北京大学以及中科院计算和软件所等, 他们主要在时间同步与定位、传感器数据管理等领域展开研究。与此同时, 重庆大学也开始研究嵌入式无线传感器网络节点、无线传感器中的定位、可重构技术等。2004年, 一项无线传感器网络项目被中国国家自然科学基金委员会列为重点研究项目;2005年, 无线传感器网络基础理论和关键技术被列入计划;2006年, 水下移动传感器网络的关键技术被列为重点研究项目。国家发改委下一代互联网示范工程中, 也部署了无线传感网相关课题。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了三个前沿方向, 有两个 (即自组织网络技术和智能感知技术) 属于无线传感器方面的研究。国内也有越来越多的企事业单位 (如北京鑫诺金、成都无线龙科技、宁波中科等公司) 开始积极投身于传感器网络技术的研究。

3 无线传感器网络关键技术

作为当今信息科学与计算机网络领域的研究热点, 无线传感器网络的关键技术具有多技术融合、跨学科交叉等特征, 每项关键技术都亟待突破[7]。目前无线传感器网络的关键技术有节能技术、网络拓扑控制、网络协议、网络安全、时间同步、定位技术、数据融合、数据管理、应用层技术等, 可归结为网络通信协议、网络管理技术和网络支撑技术三个方面。具体如表1所示。

3.1 网络通信协议

由于无线传感器网络节点通信距离比较短 (覆盖半径约为几十米到两百米) , 在节点能量严重受限的情况下, 整个网络的使用寿命将会被网络通信协议的优劣所影响。目前网络通信协议框架包括五层:物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层, 重点研究数据链路层和网络层协议, 其中数据链路层协议完成底层基础结构的构建, 主要功能是成帧、分帧、介质访问控制 (MAC) 与差错控制, 为网络层提供可靠的数据传输链路。网络层的路由协议主要负责路由的建立和维护, 决定着监测信息的传输路径。

3.2 数据融合

无线传感器网络不同于一般数据传输网络的显著特点就是可以通过网内处理对数据进行融合。由于无线传感器网络由大量密集的传感器节点构成, 数据冗余度高, 通过数据融合不仅能减少带宽占用和数据传输总量, 而且还能有效降低能耗, 大大延长网络生命周期。传统的数据融合模型虽然考虑降低数据冗余, 但存在融合耗能不均匀的问题, 因此, 如何有效分配数据融合任务, 设计延长网络生命周期的融合路径机制成为研究的重要方向。

3.3 节点定位

节点定位作为无线传感网络的关键技术之一, 就是为了确定事件发生的位置或数据采集节点的位置信息。在智能交通、环境监测、紧急救援等传感器网络的应用场景中, 都需要网络节点能够准确地提供自身的位置坐标。常用的定位方法分为基于测距的定位和非测距定位方法。现有的算法多是基于静止节点的, 文献[8]将关注点转向移动节点的定位算法研究。

3.4 时间同步

时间同步技术也是保证传感器节点间能够协调操作、共同完成一项复杂任务的关键, 传感器数据融合及节点自身定位等具体应用均要求节点间的时钟保持同步。目前广泛用于网络时间同步的方法GPS和NTP没有考虑传感器网络的特点, 且需要较大的资源开销, 因此并不适合直接用于无线传感器网络中。根据一对节点间同步的不同实现机制, 典型的时间同步算法可分为三类:基于receiver-receiver的同步算法、基于pair-wise的同步算法和基于sender-receiver的单向 (one-way) 同步算法。虽然现有的同步算法已取得了一些进展, 未来还需要在网络的规模、可变拓扑及性能评价等方面进行更深入的研究。

4 无线传感器网络应用领域

无线传感器网络自组织、自愈合、部署简单等特性, 使它能够适应复杂多变的环境, 在军事、工业、农业、生活等领域得到了广泛的应用。

4.1 军事领域

无线传感器网络最初起源于军事领域, 具有快速部署、定位精度高、抗毁性强、实时性等优势, 非常适合复杂多变的战场环境, 进行目标定位、地形勘察、实时监控、战场评估等任务。大量的传感器节点可以通过飞机布撒在需要监测的区域中去, 将大量的数据收集、融合之后, 把最终的结果传送给指挥中心, 为指挥员进行决策提供真实可靠的依据。无线传感器网络已经成了国防等军事领域至关重要的一部分, 受到军队的广泛关注。相关的应用有:美军开展的C4KISR计划、网状传感器系统CEC、Smart Sensor Web和无人值守地面传感器群等。

4.2 环境监测

环境问题与大家的健康息息相关, 已引起人们的广泛关注, 因此通过技术手段对环境指标进行监控, 意义重大。但是在传统方式下采集环境数据是很困难的, 尤其是在深海、地形复杂的情况下。通过无线传感器网络能够避免人为的干扰给原始的环境系统造成的侵害, 实现对环境的精确监控, 包括农作物的灌溉、动物的迀移、土壤分析、海洋监测、地表监测等。2002年, 英特尔公司在俄勒冈州创建了世界上第一个无线葡萄园, 通过对分布在园中各角落的传感器节点数据的不断监测, 确保葡萄的健康生长。

4.3 智能家居

在智能家居方面, 无线传感器网络同样扮演了十分重要的角色。传感器网络节点可以方便地安装在建筑物内, 可以通过对家庭电子设备的远程控制, 及时了解室内环境参数, 为家居环境控制和危险报警提供依据。无线传感器网络还能用来构建智能家居, 对房间内的温湿度、压力、光照强度和空气质量等做详细监测, 同时配合智能微波炉、洗衣机、空调等家电的控制, 为人们提供一个舒适的居住环境, 提高家庭生活质量。此外, 在文物保护方面, 确保展品的安全成为无线传感器网络的首要任务。

4.4 健康监护

通过无线传感器网络可以远程及时跟踪患者的健康状况, 对病人的血压、呼吸、体温、脉搏等健康指标进行实时监控, 让医生掌握患者的病情以便及时处理。此外, 如果长期对患者的各项生理指标进行监测, 也可以及时收集第一手资料, 为新药研制提供重要参考依据。

5 结束语

无线传感器网络是21世纪产生巨大影响的技术之一, 集信息获取、处理和传输为一体, 由于其成本低、自组织、隐蔽性强等优势, 被广泛地应用于医疗保健、抗险救灾、环境监测和预报、智能家居等其它诸多方面, 随着相关研究的日趋成熟, 未来的发展潜力和应用前景会更加广阔。

参考文献

[1]洪锋, 褚红伟, 金宗科等.无线传感器网络应用系统最新进展综述[J].计算机研究与发展, 2010, 47.

[2]李钊, 韦玮.无线传感器网络及关键技术综述[J].空间电子技术, 2006, 1.

[3]司海飞, 杨忠, 王珺.无线传感器网络研究现状与应用[J].机电工程, 2011, 1.

[4]段中兴.物联网传感技术[M].中国铁道出版社, 2014.

[5]尚凤军.无线传感器网络通信协议[M].电子工业出版社, 2011.

[6]Robert Faludi.Arduino无线传感器网络实践指南[M].机械工业出版社, 2013.

[7]钱志鸿, 王义君.面向物联网的无线传感器网络综述[J].电子与信息学报, 2013, 1.

[8]王成成.基于蒙特卡洛方法的移动无线传感器网络节点定位技术研究[D].山东大学, 2014.

无线传感器网络及应用论文 篇2

平安是系统可用的前提 , 需要在保证通信平安的前提下 , 降低系统开销 , 研究可行的平安算法。由于无线传感器网络受到平安威胁和移动 ad hoc 网络不同 , 所以现有的网络平安机制无法应用于本领域 , 需要开发专门协议。

目前主要存在两种思路简介如下 :

一种思想是从维护路由安全的角度动身 , 寻找尽可能平安的路由以保证网络的平安。如果路由协议被破坏导致传送的消息被篡改 , 那么对于应用层上的数据包来说没有任何的平安性可言。

一种方法是有安全意识的路由 ” SA R , 其思想是找出真实值和节点之间的关系 , 然后利用这些真实值去生成安全的路由。该方法解决了两个问题 , 即如何保证数据在平安路径中传送和路由协议中的信息平安性。这种模型中 , 当节点的平安等级达不到要求时 , 就会自动的从路由选择中退出以保证整个网络的路由安全。可以通过多径路由算法改善系统的稳健性 ( robust , 数据包通过路由选择算法在多径路径中向前传送 , 接收端内通过前向纠错技术得到重建。

另一种思想是把着重点放在平安协议方面 , 此领域也出现了大量的研究效果。假定传感器网络的任务是为高级政要人员提供平安维护的 , 提供一个平安解决方案将为解决这类安全问题带来一个合适的模型，

具体的技术实现上 , 先假定基站总是正常工作的 , 并且总是平安的 , 满足必要的计算速度、存储器容量 , 基站功率满足加密和路由的要求 ; 通信模式是点到点 , 通过端到端的加密保证了数据传输的平安性 ; 射频层总是正常工作。

基于以上前提 , 典型的无线 传感器网络平安 问题：

a 信息被非法用户截获 ;

b 一个节点遭破坏 ;

c 识别伪节点 ;

d 如何向已有传感器网络添加合法的节点。

此方案是不采用任何的路由机制。此方案中 , 每个节点和基站分享一个唯一的 64 位密匙 Keyj 和一个公共的密匙 KeyBS, 发送端会对数据进行加密 , 接收端接收到数据后根据数据中的地址选择相应的密匙对数据进行解密。

无线 传感器网络平安 中的两种专用安全协议 :

无线传感器网络及应用论文 篇3

关键词：无限传感器研究现状应用

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 09-0000-02

无限传感器网络，简称WSN，在国际上备受关注，其涉及多种学科，综合了传感器技术、现代网络及无线通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术等， 应用十分广泛，是知识高度交叉集成的前沿热点研究领域。 无限传感器网络的成本小，灵活性大，它能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并通过无线自组多跳的网络方式将这些信息发送出去，最总是先三元世界的联通。

一、无线传感器网络的研究研究历程及现状

无线传感器网络是新兴的传感器网络，具有广泛的应用前景和重要的科研价值，无线传感器网络出现于20世纪末，1998年，美国国防部提出了“智能尘埃”的概念，开启了无线传感器网络的研究大幕；1999年，题为“传感器走向无线时代”的具有代表性论述的文献出现；2001年，美国陆军提出“灵巧传感器网络通信”计划，WSN在军事方面的应用研究正式开始；2002年，英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，主要侧重于环境监测、森林灭火、海底板块、医学和行星探测等方面的应用；与英特尔公司的侧重点不同，同年欧盟提出的EYES计划，主要以研究无线传感器网络的构架、网络协议和安全、节点的协作等；2003年， 美国《技术评论》杂志和《商业周刊》将无线传感器网络列入未来新兴技术之列，美国科学基金委员会也制定了相關研究计划，主要侧重于生物攻击、感知有毒化学物等领域；2005年，网络技术和系统的研究计划主要研究安全的可扩展的网络、下一代可靠性高、可编程的无线网络及传感器系统的网络特性。此外，多个国家、高校、著名的网络公司也相继加入了无线传感器网络的研究。

与以前的传感器技术不同，我国的无线传感器网络的研究及应用几乎与那些发达国家同时起步，无线传感器网络概念于1999年正式出现在中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中；2002年，一些科研单位和一些大学加入到研究的行列中，无线传感器网络的研究工正式进行；国家自然科学基金委员是我国无线传感器网络研究的领头羊，2004年，国家自然科学基金委员将会面上传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论列为重点研究项目，该理论是无线传感器网络的一个项目，2005年，将无线传感器网络基础理论和关键技术列入计划；2006年，将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究项目，近年来，无线传感器网络的研究一直在不多深入发展，取得很多可喜的研究成果，随着微处理器、无线通信、微机电系统等技术的发展，无线传感器网络技术逐步走向成熟，其应用也越来越广泛，但总体上来讲我国的无线传感器网络还有很大的发展空间，还有很长的路要走，仍需继续努力。

二、无线传感器网络的应用

（一）军事

无线传感器网络的特性非常适合于军事侦察，可以有效的探测和获取敌军情报。通过上文我们可以知道，无线传感器网络的研究最早就是起源于军事，由于战场环境恶略，收集情报十分危险，而无线传感器网络由于自身功耗低、体积小、隐蔽性高、抗毁性能好、自组织能力强等特点，为军事侦察零伤亡实现了可能：通过飞机撒播、特种炮弹发射等手段， 将传感器网络的检测装置安置在敌军阵地，不但可以减少侦查人员的损伤，获得精确的情报，也不易被发觉。无线传感器网络的这一价值已经引起的许多国家局势部门的极大关注。除了探测情报方面，无线传感器网络还可以加装在士兵、装备及军火上，以供识别，分清敌我，防止误打； 跟踪射击对象的位置，实现精确制导；及时、准确地判断是否有生化武器及核武器的攻击，确定位置，最大可能地减小伤亡。

（二）环境

随着经济的发展，自然环境逐渐恶化，已经引起了世界各国的广泛关注，为了加强对自然环境的监控，防止自然环境的进一步恶化，人们将无线传感器网络应用到了环境监测中：监测平原、森林、海洋等的环境变化；进行森林火灾、洪水检测；灾害判定； 气象研究、监测空气污染、水污染及土壤污染；；地表检测物种跟踪等等，不一而足。

（三）医疗卫生

无线传感器网络可以将采集到的信息通过上安装特殊用途的传感器节点， 如心率、血压等监测，医生就可在远端随时了解被临护病人的病情，进行及时处理和救护，无线传感器网络在医疗卫生领域也发挥着重要作用，有着成功的应用实例，比如，婴儿监测、提醒聋人、血压监测与追踪、消防员身体特征信号监测等。

（四）农业

无线传感器网络对农业的发展有重要意义，以我国为例，我国是农业大国，地大物博，幅员辽阔，环境和生态问题严峻，无线传感器网络对国家的农业、经济发展意义重大。比如可以在大型的育苗场或农田灌溉区，利用无线网络为农业研究或系统控制采集相关的参数；通过所选点所测得的各项参数进行田间研究分析与生态气候研究；检测土壤湿度和空气湿度以控制灌溉。

（五）智能家居建筑

无线传感器网络应用及发展综述 篇4

在发展的过程中, 无线传感器网络有很多解释, 随着新技术的更新, 无线传感器网络可解释为:它主要是由大量, 具有通信和计算能力的微小型传感器, 节点布置于无人值守的监控区域, 根据环境可自主完成特定任务的"智能"自主监控网络系统。同时, 也可以认为无线传感器网络是一个特殊的Ad-hoc网络, 可被布置到工作人员无法到达、电源和布线困难的领域当中。

无线传感器网络也是一种全新的信息获取方式, 能够监测和采集网络部署区域的数据信息, 并可以将采集的数据发送到网络的节点上。随着技术的更新, 传感器节点在原来的基础上, 功能逐渐增强, 出现大量的无线传感器网络节点, 具有越来越广阔的应用前景。

2 研究应用与现状

2.1 研究方向的应用

2.1.1 在军事方向的应用

在当代, 战场信息在战场上起着关键的主导作用, 它可以决定战争的结果。无线传感器网络有着自组织性和无中心的特点, 当某个节点出现故障不会连带整个网络系统出现问题, 应用于战场恶劣的环境当中, 将无线传感器网络布置到空投或炮弹传感器节点内部区域或隔离地区, 并迅速收集战场信息, 快速制定相应的备战策略与战斗计划。

2.1.2 在医疗健康方向的应用

在医学研究中无线传感器网络被大量应用。无线传感器网络的使用在控制药物中、医疗辅助诊断中、针对医院的医生和护士及患者状态进行监控等功能。在哈佛大学的Code Blue项目计划中, 在无线传感器网络基础设施的医疗的条件下, 开发出了无线脉搏血氧仪传感器, 无线传感器心电图和三轴加速度传感器

2.1.3 在环境控制方向的应用

由于无线传感器网络可在无人参与下进行长期工作, 它可以有效地长期观察环境的改变状态。无线传感器网络可以在防汛, 森林防火监控, 生物进化各个领域中使用。

2.1.4 在智能建筑方向的应用

无线传感器网络可被用作家庭网络的一部分, 可以实现智能、自动化家居环境之中, 无线传感器网络节点可布置在VCR、电冰箱, 电视机等家用电器当中。它不仅可以为人们提供舒适、简单的生活环境, 还可以提供人性化的家居智能生活环境。

2.1.5 在其他方向的应用

此外, 在空间探索、工业技术生产、物流控制等领域具有广泛的应用前景。例如, 美国航空航天局 (NASA) 开发的传感器, 对未来火星探测做准备;英国石油公司使用无线传感器网络和RF-ID技术, 针对炼油设备进行监控和管理;很多公司利用无线传感器网络对商品的控制与存储。

2.2 国内研究现状

在国内, 无线传感器网络技术起步相对较晚, 但国家和研究机构投资力度相对较大, 很多大学对无线传感器网络领域范围内进行了研究。例如, 中国农科院、北京邮电大学自动化研究所、哈尔滨工业大学等科研机构都参加了研究过程。我坚信, 在未来的几年内, 这个区域将会在国内产生质的飞跃, 在新技术方向为我国在该领域朝着新趋势的追赶, 进一步提高研究的国际竞争能力, 对科研方向具有重大意义。

2无线传感器网络应用中的特点

(1) 无中心性。无线传感器网络整个系统当中全部系统中, 不会有控制中心, 传感器的节点全部处于同一工作平台上, 互不统属, 在系统网络中处于对等的位置。系统网络在工作中, 即使某一个节点发生故障, 也完全不影响整个网络系统运行, 所以保持很强的抗毁性。

(2) 自组织性。网络部署不依靠任何预设的网络设施, 传感器节点根据分层协议和分布式算法来调整自己的行为范畴, 开机后, 节点可以快速自动形成一个相对独立的网络。

(3) 硬件资源有限。传感器节点在价格、体积和功能消耗的限制因素过程中, 与普通计算机相比, 其计算能力、程序以及内存空间的功能相差很多。

(4) 电源容量有限。无线传感器网络节点由电池提供电源, 电池的容量有限。在应用领域范围内, 如果不能及时给电池充电或及时更换电池, 当电池能量消耗完, 该网络节点失去了相应的作用和功效。所以, 在无线传感器网络系统设计当中, 前提条件必须考虑到节能这一方面。

(5) 多跳路由。有限距离通信网络节点, 通常在数十至数百米的范围内, 节点可以直接与它的邻居通信。多跳路由使用网关和路由器来实现固定网络, 无线传感器网络中的多跳路由由网络节点进行, 没有指定的路由设备。使每个节点可以是一个消息的来源, 但也转发信息的去路。

(6) 动态拓扑。无线传感器网络是动态的移动网络, 网络节点可以随意移动;当某个节点可能是因为电池能量耗尽或出现其他故障而退出网络运行;网络节点可以同时被添加到网络系统当中, 这将使得该网络在任何时间在拓扑变更工作, 所以该网络具有动态拓扑组织能力。

3 总结与展望

本文主要对无线传感器网络的广泛应用进行了介绍, 介绍了其在各个领域中应用, 综述了无线传感器网络在实际应用的国内研究状况。无线传感器网络在军事、环境监测、医疗等传统领域具有潜在的应用价值和广泛的应用前景, 而且会在许多新兴领域中被应用。例如, 智能家居、城市交通、空间探测等领域范围内被应用。随着计算机网络的的更新于发展, 无线传感器网络已经融入到我们的生活实际当中, 还可以深入到工业、农业生产当中以及空间探索等领域当中, 对我国的科研研究具有重大意义。

摘要：无线传感器网络已经成为科学研究课题的重要学科, 在众多的工业界和学术界引起了研究学者的关注。无线传感器网络是拥有感知能力, 计算能力及通信能力的微型传感器, 同时以Ad-hoc模式形成一个网络。在本文中, 通过总结综述在不同领域中无线传感器网络的实际应用, 并对无线网络的一些重要特点进行说明, 在此基础上对无线传感器网络的实际现状加以说明并对以后应用发展进行展望。

关键词：无线传感器网络,研究应用,现状

参考文献

[1]于海滨, 曾鹏, 梁.智能无线传感器网络系统.科学出版社, 2006.

[2]崔莉, 鞠海玲, 苗勇, 等.无线传感器网络研究进展.计算机研究与发展, 2005, 42 (1) :163-174.

无线传感器网络课后习题答案 篇5

1-5.传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别是什么?(1)传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块电源模块和嵌入式软件系统

(2)传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。另外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。

1-8.传感器网络的体系结构包括哪些部分?各部分的功能分别是什么?

(1)网络通信协议：类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系。它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。

(2)网络管理平台：主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理。包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。

(3)应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。

1-9.传感器网络的结构有哪些类型?分别说明各种网络结构的特征及优缺点。

（1）根据结点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。如果网络的规模较小，一般采用平面结构；如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。（2）平面结构：

特征：平面结构的网络比较简单，所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。优点：源结点和目的结点之间一般存在多条路径，网络负荷由这些路径共同承担。一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。

缺点：①影响网络数据的传输速率，甚至造成网络崩溃。②整个系统宏观上会损耗巨大能量。③可扩充性差，需要大量控制消息。分级结构：

特征：传感器网络被划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。簇头结点负责簇间数据的转发，簇成员只负责数据的采集。

优点：①大大减少了网络中路由控制信息的数量，具有很好的可扩充性。②簇头可以随时选举产生，具有很强的抗毁性。

缺点：簇头的能量消耗较大，很难进人休眠状态。

1-13.讨论无线传感器网络在实际生活中有哪些潜在的应用。

(1)用在智能家具系统中，将传感器嵌入家具和家电中，使其与执行单元组成无线网络，与因特网连接在一起。(2)用在智能医疗中，将传感器嵌入医疗设备中，使其能接入因特网，将患者数据传送至医生终端。(3)用在只能交通中，运用无线传感器监测路面、车流等情况。2-2.传感器由哪些部分组成?各部分的功能是什么?

2-5.集成传感器的特点是什么? 体积小、重量轻、功能强、性能好。2-7.传感器的一般特性包括哪些指标? 灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、重复性、漂移、精度、分辨（力）、迟滞。2-15.如何进行传感器的正确选型？

1.测量对象与环境：分析被测量的特点和传感器的使用条件选择何种原理的传感器。2.灵敏度：选择较高信噪比的传感器，并选择适合的灵敏度方向。

3.频率响应特性:根据信号的特点选择相应的传感器响应频率，以及延时短的传感器。4.线性范围：传感器种类确定后观察其量程是否满足要求，并且选择误差小的传感器。

5.稳定性：根据使用环境选择何时的传感器或采用适当的措施减小环境影响，尽量选择稳定性好的传感器。6.精度：选择满足要求的，相对便宜的传感器。2-17.简述磁阻传感器探测运动车辆的原理。

磁阻传感器在探测磁场的通知探测获得车轮速度、磁迹、车辆出现和运动方向等。使用磁性传感器探测方向、角度或电流值，可以间接测定这些数值。因为这些属性变量必须对相应的磁场产生变化，一旦磁传感器检测出场强变化，则采用一些信号处理办法，将传感器信号转换成需要的参数值。3-2.无线网络通信系统为什么要进行调制和解调?调制有哪些方法?（1）调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响。采用什么方法调制和解调往往在很大程度上决定着通信系统的质量。

调制技术通过改变高频载波的幅度、相位或频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化。

解调是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者(信宿)处理和理解的过程。（2）根据调制中采用的基带信号的类型。可以将调制分为模拟调制和数字调制。

根据原始信号所控制参量的不同，调制分为幅度调制、频率调制和相位调制。3-4.试描述无线传感器网络的物理层帧结构。

3-6.根据信道使用方式的不同。传感器网络的MAC协议可以分为哪几种类型? 时分复用无竞争接入方式、随机竞争接入方式、竞争与固定分配相结合的接入方式。3-7.设计基于竞争的MAC协议的基本思想是什么？

当结点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道。如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。

3-8.试写(画）出CSMA/CA的基木访问机制。并说明随机退避时间的计算方法。

3-9.IEEE802.11MAC协议有哪两种访问控制方式?每种方式是如何工作的?（1）分布式协调功能（DCF）、点协调功能（PCF），期中DCF是基本访问控制方式。

3-10.通常有哪些原因导致传感器网络产生无效能耗? 空闲侦听、数据冲突、串扰、控制开销 3-11.叙述无线传感器网络S-MAC协议的主要特点和实现机制。

（1）S-MAC协议的适用条件是传感器网络的数据传输量不大，网络内部能够进

行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能容忍一定程度的通信延迟。它的设计目标是提供良好的扩展性，减少结点能耗。

（2）周期性侦听和睡眠机制、流量自适应机制、冲突和串音避免机制、消息传递机制。3-12.简述路由选择的主要功能。

（1）寻找源结点和目的结点间的优化路径。（2）将数据分析沿着优化路径正确转发。

3-14.常见的传感器网络路由协议有哪些类型?并说明各种类型路由协议的主要特点。（1）能量感知路由协议、基于查询的路由协议、地理位置协议、可靠的路由协议。

（2）能量感知路由协议：从数据传输的能量消耗出发，讨论最少能量消耗和最长网络生存期等问题。

基于查询的路由协议：主要用于需要不断查询传感器结点采集的数据，通过减少通信流量来节省能量，即数据融合技术与路由协议的设计相结合。

地理位置协议：主要应用于需要知道目的结点的精确或大致地理位置的问题中，把结点的位置信息作为路由选择的依据，从而完成结点的路由选择功能，并且降低维护路由协议的能耗。可靠的路由协议：应用在对可靠性和实时性等方面有特别要求的问题中。3-15.如何设计传感器网络的定向扩散路由协议? 4-2.传感器网络常见的时间同步机制有哪些? RBS、Ting/Mini-Sync、TPSN 4-3.简述TPSN时间同步协议的设计过程。

TPSN时间同步协议采用层次结构，实现整个网络结点的时间同步。所有结点按照层次结构进行逻辑分级。表示结点到根结点的距离，通过基于发送者-接收者的结点对方式。每个结点与上一级的一个结点进行同步。从而最终所有结点都与根结点实现时间同步。TPSN协议包括两个阶段: 第一个阶段生成层次结构，每个结点赋予一个级别。根结点赋予最高级别第0级。第i 级的结点至少能够与一个第(i-1)级的结点通信;第二个阶段实现所有树结点的时间同步。第1级结点同步到根结点。第i级的结点同步到第(i-1)级的一个结点，最终所有结点都同步到根结点，实现整个网络的时间同步。

4-6.简述以下概念术语的含义:锚点、测距、连接度、到达时间差、接收信号强度指示、视线关系。

锚点：指通过其他方式预先获得位置坐标的结点，有时也称作信标结点。网络中相应的其余结点称为非锚点。测距：指两个相互通信的结点通过测量方式来估计出彼此之间的距离或角度。

连接度：包括结点连接度和网络连接度两种含义。结点连接度是指结点可探测发现的邻居结点个数。网络连接度是所有结点的邻结点数目的平均值，它反映了传感器配置的密集程度。

到达时间差：两种不同传播速度的信号从一个结点传播到另一个结点所需要的时间之差。接收信号强度指示：结点接收到无线信号的强度大小。

视线关系：如果传感器网络的两个结点之间没有障碍物，能够实现直接通信，则称这两个结点问存在视线关系。4-9.RSSI测距的原理是什么?

4-10.简述ToA测距的原理。

4-11.举例说明TDoA的测距过程。

4-12.举例说明AoA测角的过程。

4-13.试描述传感器网络多边定位法的原理。

4-14.简述Min-max定位方法的原理。

4-15.简述质心定位算法的原理及其特点。

★4-16.举例说明DV-Hop算法的定位实现过程。

4-17.什么是数据融合技术?它在传感器网络中的主要作用是什么?（1）数据融合也被称作信息融，是一种多源信息处理技术。它通过对来自同一目标的多源数据进行优化合成，获得比单一信息源更精确、完整的估计或判断。

（2）①节省整个网络的能量②增强所收集数据的准确性③提高收集数据的效率 4-18.简述数据融合技术的不同分类方法及其类型。

(1)依据融合前后数据的信息含量进行分类：无损失融合、有损失融合

(2)依据数据融合与应用层数据语义的关系进行分类：依赖于应用的数据融合、独立于应用的数据融合、结合以上两种技术的数据融合

(3)依据融合操作的级别进行分类：数据级融合、特征级融合、决策级融合 4-19.什么是数据融合的综合平均法?

4-20.常见的数据融合方法有哪些? 综合平均法、卡尔曼滤波法、贝叶斯估计法、D-S证据推理法、统计决策理论、模糊逻辑法、产生式规则法、神经网络方法。

4-21.无线通信的能量消耗与距离的关系是什么?它反映出传感器网络数据传输的什么特点?（1）通常随着通信距离的曾加，能耗急剧增加。

（2）在传感器网络中要减少单跳通信距离，尽量使用多跳短距离的无线通信方式。4-22.简述节能策略休眠机制的实现思想。

当结点周围没有感兴趣的事件发生时，计算与通信单元处十空闲状态，把这些组件关钟或调到更低能耗的状态，即休眠状态。该机制对于延长传感器结点的生存周期非常重要。但休眠状态与工作状态的转换需要消耗一定的能量。并且产生时延。所以状态转换策略对于休眠机制比较重要。如果状态转换策略不合适，不仅无法节能，反而会导致能耗的增加。

4-23.简述传感器网络结点各单元能量消耗的特点

传感器结点中消耗能量的模块有传感器模块、处理器模块和通信模块。随着集成电路工艺的进步。处理器和传感器模块的功耗都很低。无线通信模块可以处于发送、接收、空闲或睡眠状态。空闲状态就是侦听无线信道上的信息，但不发送或接收。睡眠状态就是无线通信模块处于不工作状态。4-24.动态电源管理的工作原理是什么? 当结点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态。应该把这些组件关掉或调到更低能耗的状态(即休眠状态)。从而节省能量。

4-25.传感器网络的安全性需求包括哪些内容? 结点的安全保证、被动抵御入侵的能力、主动反击入侵的能力。4-26.什么是传感器网络的信息安全?

4-27.简述在传感器网络中实施Wormhole攻击的原理过程

4-28.SPINS安全协议簇能提供哪些功能? SPINS安个协议簇是最早的无线传感器网络的安全框架之一。包含了 SNEP和μTESLA两个安全协议。SNEP协议提供点到点通信认证、数据机密性、完整性和新鲜性等安全服务；μTESLA协议则提供对广播消息的数据认证服务。6-3.低速无线个域网具有哪些特点? 低速无线个域网是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低电能和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能。与无线局域网相比。低速无线个域网网络只需很少的基础设施。甚至不需要基础设施。IEEE 802.15.4标准为低速无线个域网制定了物理层和MAC子层协议。6-7.简述ZigBee的技术特点

(1)数据传输速率低。数据率只有lokb/s~250kb/s，专注十低速传输应用。

(2)有效范围小。有效似盖范围10~75m之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。(3)工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz,868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为无需申请的ISM频段。

(4)省电。由于工作周期很短。收发信息功耗较低，以及采用了休眠模式，ZigBee可确保两节5号电池支持长达6个月至2年左右的使用时间，当然不同应用的功耗有所不同。

(5)可靠。采用碰撞避免机制。并为需要固定带宽的通信业务预留专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用完全确认的数据传输机制。每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

(6)成本低。由于数据传输速率低，并且协议简单。降低了成本，另外使用ZigBee协议可免专利费。

(7)时延短。针对时延敏感的应用做了优化。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延的典型值为30ms.休眠激活时廷的典型值是15ms。活动设备信道接入时延为15ms。(8)网络容量大。一个ZigBee网络可容纳多达254个从设备和一个主设备，一个区域内可同时布置多达100个ZigBee网络。

无线传感器网络及应用论文 篇6

关键词：传感器 变电站 沉降

中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（c）-0-01

1 国内外研究现状

（1）打桩监测法、水平板面沉降法：这几种方法均具有实施成本低，操作简便，测试简单的优点。打桩监测法是通过将木桩配合钢钎同时锲入地面中，然后测试人员利用水准仪持平衡量地面表面的沉降量，但本方法的缺点在于一个监测点桩只能用来观察选定监测土基上定点的沉降，只能测定观察地表面的沉降值，但是无法观察到土基内部的沉降情况。

（2）水壓式剖面沉降测量法：目前应用较为成熟的方法是水压式剖面沉降测量仪的使用，本方法的原理是将沉降管埋设在需观测的路基中，在沉降管内安装有位移探测器，位移探测器只能通过控制电缆和测量仪器相连接，探测器检测到路基位移变化后转换成电信号输送到测量仪器，测量仪器转换回显示出观测路基的位移数据。沉降管的材料一般为PVC管，探测器主要由小探头、注水塑管、注水构架组成，探头内的传感部件是静水压力传感器。本方法的缺点在于造价稍高并且测量结果精度不高，存在一定的

误差。

（3）光纤光栅传感器沉降监测：根据电力设备及构架分布位置，安装光纤光栅传感器，铺设长距离光纤把所有光纤光栅传感器连接组网，使用多通道光纤光栅调制仪定时发射激光，并分析激光波长变化，得到沉降的初始数据，通过远程数据采集系统上传至控制室，最后利用数据分析库和故障报警软件，结合基础数据，得到最终沉降数据和故障报警信息。

2 项目理论和实践依据

监测变电所沉降是一个长期的过程，需要大量的数据作为支撑，如果仅仅依靠人工使用测量仪器采集数据，不仅耗时耗力，而且精确度也不高。本系统根据监测的原则和目的，结合当前研究土壤沉降监测方法的弊端，设计了基于无线传感器网络的软土基变电所沉降监测及风险评价系统，其主要功能有以下几点。

（1）采集原始数据。系统几乎不需要人工来进行操作，能够定时、自动获取沉降原始位移数据，数据在系统控制下可立即传回监测中心进行数据处理。数据采集方式不仅方便而且造价较为低廉，这是本监控系统的一大优点。

（2）处理原始数据。大量的沉降位移原始数据传回监测中心后仅靠人工来处理和分析从实际上来说不可行。本监控系统的数据库软件可以根据设定的功能需要自动处理位移原始数据，并且在应用程序的帮助下自动绘制沉降曲线，使系统应用者能够直观的查看路基沉降状况，同时功能监测软件能够对未来沉降进行预测并且评估沉降对一次设备、二次设备带来的风险。

3 项目研究内容和实施方案

基于无线传感器网络的软土基变电所沉降监测及风险评价系统的系统构架如图1。

软土基变电所沉降监测及风险评价系统包括传感器子系统、数据采集子系统、数据分析处理子系统、沉降预测子系统、风险评价评定子系统，各个系统之间紧密结合、协调工作，成为一个有机的整体，各个子系统缺一不可。

（1）数据采集子系统：对重要监测点放置光纤传感器监测节点，监测节点具有采集数据的能力；能对采集的数据进行简单的处理；显示监测信息的能力：能根据需要显示监测目标的信息；能接收并实施远程信息的能力。

（2）数据分析和处理子系统：光纤传感器测量到的沉降实时状态信号每隔4～8 h经过信号传输与采集系统送到监测中心，进行相应的处理和判断，从而对变电所框架状态进行评估。若监测到的关键健康参数超过设定的阈值，则发出预警信号。分析变电所不均匀沉降对框架的影响，地基不均匀沉降会引起上部框架的外加变形或约束变形，使上部结构倾斜。因此，有必要就不均匀沉降对框架结构受力变形影响作进一步的研究。数据分析和处理子系统亦可以直接访问数据库服务器，完成查询历史数据、制表、绘图等工作。

（3）沉降预测子系统：基于实测数据利用组合预测法对变电所沉降单点或多点进行沉降预测。

（4）风险评估子系统：结合专家库评估沉降对一、二次设备造成的危险性。

4 结语

该文完成基于无线传感器的变电所沉降监测系统，提出了变电所沉降状态信息采集和处理的主要内容和结构框架，对沉降进行预测并且实现预警.该系统能够加强电网的运行可靠性，提高电网水平，同时为电网环境信息采集的智能化奠定基础。

参考文献

[1]王冬青，李刚，何飞跃.智能变电站一体化信息平台的设计[J].电网技术，2010（10）.

无线传感器网络及应用论文 篇7

之所以无线网络通信技术被人们日益的认可和重视, 是因为在如今高科技发达的年代, 无线网络技术的广泛运用渐渐有了要接替有线网络的趋势, 也解决了许多有线网络无法解决的技术问题, 越来越多的行业都需要无线网络的技术, 产生了深刻的影响。

一、应用背景

鉴于OFDMA在无线传感器当中能发挥更完善的作用, 当今医院对于病患的监护大多都用OFDMA的无线传感技术。无线网络技术当中有三个重要的因素, 第一是传感器, 在监测的范围内是由无数个传感器相互串接数据组成的, 每一个串接过程当中都能形成自由的组织网络系统, 产生对需要感知的人或者事件需要的信息节点。第二个因素是感知对象, 每一个传感器必须有个明确的感知对象, 才能产生相对应的数据。第三因素是观察者, 通过无线传感器进行数据产生, 最终传递给观察者。

传统意义上的无线通讯技术存在远距离, 高复杂, 高成本的弊端, 但是随着OFDMA技术的运用, 解决了这些技术问题, 从而被人们所接受并且加以研究, 不断地深入研究和运用到实际生产当中任然存在着不少的问题, 鉴于此点, 本文着重的讲述了OFDMA技术的发展和基本建构信息。

在当今高科技发达的年代中, 人们更好地适应了无线的网络世界, 并且把无线网络运用到各种生产生活中, 产生了重大影响, 随着对无线网络越来越多的接触和运用, 为了能让无线网络产生更高效能的作用, 人们对于网络技术的研究更加细致和深入。

二、OFDMA技术

OFDMA技术的历史发展及特点介绍。OFDMA技术在当今发展的网络技术中作出了突出贡献, 随着社会科学技术的发展, 人们希望能更高效率的完成信息的传输, OFDMA技术就解决了高价, 长距离等无线通信的问题, 直到1994年“蓝牙’出现, 蓝牙在运用初始给了人们无线希望, 可是高昂的价格又让不少人叹为观止。

这个时候可以说OFDMA技术如同雨后春笋般的被研发出来, 这个技术室在2001年由英国公司、日本公司、美国公司以及荷兰半导体公司共同研发制定的联盟合约, 在此基础上制定了具体的标准, 成功对网络各层次的标准进行了具体的标准化和规范化。

OFDMA技术之所以能在无线网络上能够起到重要作用, 是因为此项技术的几个特点进行技术的支撑。第一是节能高效, OFDMA技术节省了开支, 相对于有线网络的投资, OFDMA技术节省了人力和物力的资源。第二安全可靠, OFDMA技术中的网络模块都能在共同的平台上进行相互通信, 但是只能在OFDMA技术的网络当中信息共享, 所以信息是比较安全可靠地。第三网络容量大。每个节点间的距离可以从标准的75M到扩展后的几百米甚至几千米, 同时整个平台还可以与现有的其他网络连接, 以实现更多的网络控制平台。

三、实例应用

3.1无线监护系统功能要求。

病患穿戴好有传感器镶嵌的专用装备之后, 通过数据的链接, 及时地把病患信息传递给医生。传感经过器是由无数个节点所构成, 当病患的各项数据进行传输之后要经过节点进行重新的组合和转换, 转换成生理参数的模拟信号之后才能进行数据的传输。

OFDMA无线网络运用到病患的传感器设备中, 实现了无线监护系统无线接口。

在给病患佩戴身体传感器之后, 身体病情指标有所异常, 通过传感器上的节点进行病情指标的转化再进行模块的转换, 自行警报, 医生就有针对性的分析传过来的数据, 进行必要的诊治, 第一时间内能把病患的病情和发展了如指掌。

3.2预期结果

3.2.1传感器节点部分。传感器是由无数个节点组成的, 节点相当于是转化器一样, 当病患佩戴上传感器, 传感器每个触点都链接人体的每个部位, 每个分支的触点当中由很多个节点组成, 所以当病患的身体指标出现异常的时候, 触点通过体温等指标检测把信息传给节点, 节点再根据系统的数据转化成身体的各项生理指标传输出去, 这个时候传感器的系统自动搜索到病房里的OFDMA网络进行连接, 从而显示在了监测人员的系统上。

3.2.2数据接收控制中心。病患的数据传输最终会护士的显示器上显示病患病情指标动态, 护士可以采取全天的值班, 不间断地保证专业人员对于每一个患者的病情变化进行观测, 当显示器上显示的病情有不稳定的时候, 护士进行监测, 第一时间联系医生, 确定是哪位病患的数据出现异常, 医生会第一时间的对病患进行救助。

由于无线传感器是链接病患每个部位的, 监测中会显示身体的心脏, 血压, 神经等各项指标, 医生可以根据每个病患的病情采取重点观测, 比如心脏病人的数据监测上医生就要重点的观测该病患心脏上的传输数据进行比对, 从而采取必要的措施和救助。

四、结论

文章重点讲解了OFDMA技术的发展和运用, 把对病患病情进行实时监测的无线感应器作为本文凸显OFDMA技术的基点, 本文为的是对OFDMA技术为人类社会做出更多贡献进行展望, 从医疗器械的角度出发, 更加直观地实际地介绍无线感应器将是网络世界中不可获取的重要组成部分。也让人们对于无线世界和OFDMA技术有了进一步地了解, 加深了人们的认识。在如今科技发达的年代, 网络技术无疑是一个风向标, 人类的生产和生活都已经离不开网络技术, 无线传感器网络技术又是其中一个重要的组成部分, 也是一个重要的发展方向, 可以说在过去的20多年中, 人们由最初的军用无线传感设备逐渐转型到了民用传感设备, 越来越多的人们也去享受了无线传感技术带给人类的便捷。

可以说在未来的世界当中会有更多的更大的范围需要使用无线传感设备, 在无线传感设备当中本文的研究对象OFDMA技术更是具有极高的发展价值和空间, 本文提出了OFDMA技术在医疗技术上有了新的展望, 虽然并不是已经投放到了实际生活当中, 可是却也让人们更深层面地认识了OFDMA技术, 在这个很大的发展空间当中, OFDMA技术的发展领域将是光明一片。

参考文献

[1]戴迎珺, 方会平.无线个人区域网 (WPAN) 技术综述[J].浙江万里学院学报, 2004 (02) .

[2]韩旭东, 张春业, 李鹏.传感器无线互联标准及实现[J].电子技术应用, 2004 (04) .

无线传感器网络及应用论文 篇8

在96年时候, 美国UCLA大学的一个教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。在98年的时候, 同是UCLA大学的GregoryJPottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在后来的十年里, WSN网络的技术在学术界与工业界等都得到了应用, 该技术在健康护理、国防军事、智能家居、环境监测和预报、城市交通、空间探索、仓库管理与大型车间以及机场、大型工业园区的安全监测等很多的领域中均有涉及。

2、传感器网络的特点与面临的挑战分析

2.1 传感器网络的特点

无线传感器网络是主要是由数据分布网络、获取网络与控制管理中心三个内容构成。集成有数据处理单元、通信模块的节点与传感器, 每个节点间通过协议, 会组成分布式网络, 然后会把数据通过处理后再输送信息中心。传感器各个规模的特点有这几个方面: (1) 大规模网络特点:地理区域大;部署密集; (2) 提高信噪比特点;提高监测精度;增强容错性;减少盲区; (3) 自组织网络特点:不确定性;拓扑结构变化; (4) 资源受限特点:计算、存储、通讯、能量; (5) 动态拓扑特点:节点故障;通讯故障;移动性;节点加入; (6) 可靠网络特点:适应环境条件;鲁棒性、容错性; (7) 应用相关特点:没有统一的通信协议平台。

2.2 无线传感器网络的挑战分析

随着科学技术的不断进步, 传感网络的不断发展, 对传感网络的要求越来越高, 传感技术的挑战越来越大, 以下几点是无线传感器网络面临的挑战。挑战一:通信能力有限;挑战二:多源、多跳是主要通信方式;挑战三:节点移动、断接频繁;挑战四:电源能量有限;挑战五:计算能力有限;挑战六:传感器数量大、分布范围广;挑战七:大规模分布式触发器;挑战八:感知数据流无限;挑战九:传感器网络是以数据为中心的网络;挑战十:需要多种多样的感知器。

3、无线传感器网络应用分析

3.1 军事领域

随传感技术的不断发展, 在军事领域可以利用传感技术把炮弹直接散播在对方的军营, 或是是放在特定的一点, 同时还能收集敌方的资料。例:传感器网络已经成为美军事C4ISRT系统必不可少的一部分, 如图1所示。

3.2 医疗护理

通过无线网络的传感技术, 可以在人体中获取各种生理数据, 同时, 还能跟踪和监控医院内医生和患者的行动, 医院的药物管理等。像一个可以成像的特殊发送器芯片与精巧设计的超低功率无线技术结合, 就可以实现可用于一个胃肠道诊断的微型吞服摄像胶囊。

3.3 环境观测和预报系统

无线传感器网络可以用于检视土壤情况、农作物灌溉情况、牲畜与家禽的环境状况和大面积的地表监测、气象和洪水监测、地理研究等。例:ALERT系统中就有用于监测降雨量、河水水位和土壤水分, 并依此预测爆发山洪的可能性。

3.4 智能家居

家电和家具间可以装入一个传感器的节点, 这样就可以连接网络。人们就可以在家自由上网, 而且环境又环保, 从而创造人们更好的家居生活。例如:Avaak提供一个只有1立方英寸大小的产品。这个微型的无线视频平台包含有一节电池、摄像相机、无线电、 (彩色成像器加镜头) 、天线、控制器和温度传感器。

3.5 建筑物状态监控

利用传感器网络监控建筑物的安全状态。比如:Microstrain在佛蒙特州的一座重载桥梁上安装了一套该公司研制的系统, 将位移传感器安装在钢梁上用来测量静态和动态应力, 并通过无线网络来采集数据。这样对建筑物所发生的事情就可以了如指掌。同时还可以省去一部分的人力, 还能更有效的监控建筑物, 使建筑物更加安全、可靠。

3.6 工业自动化

随着企业效益和自动化的提高, 无线传感器网络 (wsn) 被广泛应用到生产中, wsn可以用来进行厂房监控、高压电缆检测、煤矿生产现场以及设备故障检测, 在生产中帮助现场点检人员及时发现设备故障, 避免事故的发生, 创造了潜在的经济价值。

4、结语

总而言之, 无线传感技术不仅融合了计算机网络技术、微电子技术等, 还有着很多内在的技术, 正等着我们去研究, 发现, 这就需要我国的研究人员需要发挥想象力。现如今, 无线传感器网络技术在军事作战中、医学手术中、环境环保中建筑物状态监控、工业自动化等各个方面都有应用。

参考文献

[1]白诚礼, 李小弘, 程平民等.关于无线传感网络技术挑战分析及实际应用研究[J].科技传播, 2010, (06) .

[2]陆平庆, 程小川, 李小赖等.对无线传感网络技术挑战分析及应用分析研究[J].山东大学出版社, 2011, (07) .

[3]李小平, 张国龙, 王小红等.关于无线传感网络技术特点、节点分析、挑战分析及所涉及的应用领域分析[J].技术出版社, 2011, (01) .

无线传感器网络及应用论文 篇9

无线传感器网络是由大量具有感知、通信与计算能力的微小传感器节点分布在无人值守的监控区域而构成的, 是一种能够根据环境自主完成指定测控任务的智能化网络系统。利用先进无线网络技术推进移动传感器网络的信息共享、管理和服务, 可以有效解决广域分布、异构信息源的互连互通和互操作问题, 满足企业、政府和军队等部门对信息共享的需求。

在无线传感器网络中, 多个传感器协作完成具体的测控感知任务, 其应用体系结构的基础是通信网络, 核心则是系统的协同运行机制。文献[1-3]分别就上述问题进行了广泛的讨论, 其研究成果和设计理念将有助于展开广泛的通信协同平行式设计, 并允许在协作传感器节点之间进一步拓展感知信息的互操作能力。具体来说, 协同运行机制层面的研究, 不能脱离协同感知应用的通信网络层支持, 本文将通过研究聚类系数等协同应用网络特征参数, 建立适应性的协同分析模型, 从而更好地应用协同机制, 最充分地发挥网络的性能。

1 无线传感器网络的协同问题

无线传感器网络协同的基本内容包括以下几个方面:

(1) 协同资源的使用。偏重于无线传感器网络的性能, 主要指充分利用传感器节点的能量以延长网络的存活时间, 充分利用通信使无线传感器网络解决更多、更复杂的问题。

(2) 协同任务的分配和执行。与无线传感器网络的功能相关, 指如何进行任务的描述、分解、分配、调度与执行, 包括冲突的检测与消除。

(3) 协同信息及信号处理。与环境相关, 指如何进行数据融合以便更好地描述无线传感器网络所处的环境和所面临的任务, 从而给任务的分配与执行提供基本数据。

2 模型的概念和应用背景

在Watts和Strogatz关于小世界网络, 以及Barabfisi和Albert等学者关于无标度网络的开创性工作之后, 人们对存在于不同领域大量实际网络的拓扑特征进行了广泛的实证性研究。在此基础上, 从不同的角度出发提出了复杂网络各种各样的网络拓扑结构模型, 包括规则网络、随机图、小世界网络、无标度网络、等级网络和局域世界演化网络模型。这里, 我们参考文献[5-7], 首先针对无线传感器网络协同应用的复杂性特征, 从平均路径长度、聚类系数和度分布等概念入手进行研究。

无线传感器网络协同感知网络的表示:一个协同感知应用网络可抽象为一个由点集V和边集E组成的图G= (V, E) 。协同传感器节点数记为N=|V|, 边数记为M=|E|。E中每条边都有V中一对协同节点与之相对应。

平均路径长度:网络中两个协同节点i和j之间的距离dij定义为连接这两个节点的最短路径上的边数。任意两个节点之间的距离的最大值称为网络直径, 记为D, 即D=maxdij。网络的平均路径长度L也可称为网络的特征路径长度, 定义为任意两个协同节点之间的距离的平均值, 即

聚类系数:假设网络中的一个协同节点i有ki条边将它和其它节点相连, 这ki个节点就称为i的邻居节点。显然, 在这ki个节点之间最多可能有ki (ki-1) /2条边。而这ki个节点之间实际存在的边数Ei和总的可能的边数之比就定义为节点i的聚类系数Ci, 即Ci=2Ei/[ki (ki-1) ]。整个网络的聚类系数C就是所有协同节点i的聚类系数Ci的平均值。显然, 0≤C≤1。C=0当且仅当所有的节点均为非协同的孤立节点, 即没有任何连接边;C=1当且仅当网络是全局耦合的完全协同网络, 即网络中任意两个节点都直接相连。对于完全随机的含有N个协同节点的情况, 当N很大时, C=O (N-1) , 实际大规模的传感器网络是具有明显的聚类效应的, 根据其协同程度的差异, 聚类系数虽然小于1, 但引入协同机制后将远大于O (N-1) 。

度与度分布:协同节点i的度hi定义为与该节点连接的其它节点的数目。有向协同情况下, 还要定义节点的出度 (outdegree) 和入度 (in degree) 。出度是指从该节点指向其它节点的边的数目。入度是指从其它节点指向该节点的边的数目。

无标度性质:考虑一个概率分布函数f (x) , 如果对任意给定常数a, 存在b使得f (x) 满足如下无标度条件:即f (ax) =b (x) , 则若假定f (1) f′ (1) =0, 必有f (x) =f (1) x-r, r=-f (1) /f′ (1) 。

3 基于无线传感器节点特征的适应度协同应用网络模型

文献[4-7]对无标度模型的网络应用作了深入研究, 由于实际网络常常具有一些非幂律特征, 如指数截断、小变量饱和等。因此, 在无标度模型的基础上, 需要做各种各样的扩展, 其中一些重要的扩展模型都是通过修改模型中的优先连接方式而获得的, 如考虑初始吸引度和非线性优先连接概率等。协同感知应用系统中, 协同节点的度及其增长速度并非只与该节点的存在时间有关, 例如, 多传感器网络中的某些融合处理节点, 如果具有较强的计算能力, 就可以较为容易地把一次随机协同任务受理通过管理报文记录为一个持续的协同处理资源节点, 从而在下一阶段获得大量的协同连接和信息交互应用。那么, 对于诸如协同节点的处理能力、网络预分配的通信带宽、可感知的信息源范围或区域等相关参数, 都是与协同节点的内在性质相关的, 在协同感知应用网络分析过程中有效地利用这些特征, 将加强我们对协同系统的把握。因此, 参考Bianconi和Barabfisi在文献[7]中的思路, 把上述协同特征和性质归纳称为协同节点的适应度 (fitness) , 并据此提出适应度模型 (fitness model) , 相应构造算法如下:

(1) 协同节点增长:从一个具有m0个协同节点的感知应用网络开始, 每次引入一个新的节点并且连到m个已经存在的节点上, 这里m≤m0。每个节点的适应度按分布p (η) 选取。

(2) 基于协同特征的优先连接:一个新节点与一个已经存在的协同节点i相连接的概率Qi, 与节点i的度hi、节点j的度hj和适应度ηi之间满足如下关系:Qi=ηiki/jΣηikj。

在基于节点协同特征的适应度模型中, 优先连接概率与节点的度和适应度之积成正比, 而不是仅与节点的度成正比。这样, 在适应度模型中, 如果一个新加入的协同节点具有通信带宽、处理能力、多信息源等方面较高的适应度特征, 那么该节点就有可能在随后的网络协同演化过程中获取更多的边, 体现出充分利用协同网络主动性的优势。

4 结束语

面向移动传感器的无线网络协同感知应用, 本文基于动态网络的有效性、稳定性需求, 构造了基于无线传感器节点特征的适应度协同应用网络模型, 为进一步研究无线传感器网络协同应用提供了一种有效设计方法。

参考文献

[1]Wang X F, Chen G.Pinning control of scale-free dynamical net-works.Physica A, 2002 (310) :521-531.

[2]Li X, Wang X F.Pinning control of scale-free Chen's networks.The Second Asia-Pacific Workshopon Chaos Control and Synchroniza-tion at Shanghai, 2003.

[3]Li X, Wang X F.Feedback control of scale-free coupled Henon maps.Proceeding of the Eighth International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision (ICARCV) at Kunming, China, 2004:574-578.

无线传感器网络及其应用研究 篇10

近年来,随着无线通信、集成电路、嵌入式计算及微机电系统等技术的飞速发展和日益成熟,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型无线传感器开始在世界范围内出现[1]。这些传感器具有低成本、低功耗、多功能等特点,还具有无线通信、数据采集、信息处理、协同合作等功能。由这些微型传感器节点构成的无线传感器网络(WSN)[2,3],能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些数据进行处理,从而获得详尽而准确的信息,将其传送到需要这些信息的用户。

2. 无线传感器网络的组成及特点

2.1 无线传感器的组成

无线传感器的结点分布于网络的各个部分,用于收集数据并将数据路由至信息收集结点,信息收集结点与信息处理结点通过广域网络进行通信,从而对收集到的数据进行处理。其结构如图1所示[5]。无线传感器网络的协议栈包含应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层,这些与其它网络类似。

2.2 无线传感器网络的特点

无线传感器网络一般是为了某个特定的需要而设计的,是一种基于应用的无线网络[6]。除了具有Ad hoc网络的一般特性,如动态拓扑,无中心自组织,多跳路由,能量和带宽受限等,无线传感器网络还有其自身的特点:

①资源更有限,由于受到价格、硬件体积等的影响,无线传感器网络节点的信号处理能力和计算能力更差,存储量更小;②网络规模更大,覆盖的地理面积更广。无线传感器网络节点的数量级通常为几百或者几千,多则上万。为了在某个地理区域上进行监测,通常有成百上千的节点被布置在该区域,节点的分布更加密集;③传感器网络节点没有一个全局性的标识,如IP地址。每个节点仅仅知道自己邻近节点的位置和标识,传感器网络通过相邻节点之间的相互协作来进行信号处理和通信,具有很强的协作性;④拓扑结构相对比较稳定,Ad hoc网络中的拓扑变化主要由节点的移动造成的,而无线传感器网络的拓扑变化主要是由节点能量的耗尽造成的,节点位置相对比较固定;⑤传感器节点分布非常密集,因此相邻节点之间的感知数据具有很强的相似度;⑥能量更有限,由于受到硬件条件的影响,无线传感器节点通常采用电池供电,电源能量更加有限。受到能量的影响,无线传感网络节点的通信距离更短,一般只有几十米,甚至更短;⑦对于一些具体的无线传感器网络,工作环境更加恶劣,再加上传感器节点分布更加密集,环境噪声干扰和节点之间的相对干扰更强;⑧无线传感器网络是基于数据为中心的路由,和Ad hoc网络的端到端通信方式不同。

3. 无线传感器网络的关键问题

3.1 系统节能

无线传感器网络节点多,覆盖范围大,工作环境复杂,能源无法替代,设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。休眠机制是节省能源的最有效方式之一,如何进行休眠调度而不影响传感器网络的正常运行十分重要。且这个调度不能影响传感器网的功能,即网络的探测覆盖范围不能过分降低,否则这个网络可能无法达到探测目的。

3.2 网络内部通信

无线传感器网络内正常通信联系中,信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响,如何安全、有效的通信成为急需解决的问题。

3.3 高效的无线传感器网络结构

无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术,有多种形态和方式,合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。由此产生的网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决[7]。

3.4 容错性和可扩展性

由于周围物理环境或其自身能量耗尽传感器就会失效,对于替换传感器可能性不大的情况下,整个网络必须能够在其应用过程中及时屏蔽掉发生故障的传感器。但容错过程要消耗能量,因此出现数据替换和能量利用矛盾的冲突,如何根据实际情况衡量替换与功耗的优先权,动态地适应网络规模和节点个数的变化也是一个需要进一步研究的问题。

4. 无线传感器网络的应用

4.1 军事

军事应用是无线传感器网络的重要应用之一。在没有任何基础设施支持的条件下,无线传感器网络能够自组织地迅速配置成网络。因此,无线传感器网络可以布置在敌方的阵地上,用来收集敌方一些重要目标的信息,并跟踪敌方的军事动向。美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视,在C4ISR基础上提出了C4KISR计划。强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力,把传感器网络作为一个重要研究领域,设立了一系列的军事化传感器网络研究项目。

4.2 生态环境监测和保护

随着人们对于环境问题的关注程度越来越高,需要采集的环境数据也越来越多。无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利,并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。此外,无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移。比如2005年全球的禽流感监测,研究环境变化对农作物的影响,监测海洋、大气和土壤的成分等。它还可以应用在精细农业中,来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等[8]。

4.3 医疗

4.4.1 远程健康监测

通过在老年人身上佩戴一些血压、脉搏、体温等微型无线传感器,并通过住宅内的传感器网关,医生可以从医院里远程了解这些老年人的健康状况。通过这种方法,还可以对一些冠心病、脑溢血等高危病人进行24小时健康检测,而不妨碍病人的日常起居和生活质量[9]。

4.4.2 病变器官观察

通过在人体器官中植入一些微型传感器,随时观测器官的生理状态,可以发现器官的功能恶化,及时采取治疗措施从而挽救病人生命。但是在推广这种技术前,还需要突破许多技术瓶颈:这些医疗传感器必须非常安全;工作能源要从人体自动获取;系统稳定、基本不需维修。

4.4.4 交通管理

上世纪90年代中期美国提出的“国家智能交通系统项目规划”就是有效地使用传感器网络进行交通管理,不仅可以使汽车按照一定的速度行驶、前后车距自动地保持一定的距离,而且还可以提供有关道路堵塞的最新消息,推荐最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等。该系统应用大量的传感器与各种车辆保持联系,通过计算机监视每一辆汽车的运行状况,如制动质量、发动机调速时间等。根据具体情况,计算机可以自动进行调整,使车辆保持在高效低耗的最佳运行状态,并就潜在的故障发出警告,或直接与事故抢救中心取得联系。

4.5 商业

自组织、微型化和对外部世界的感知能力是无线传感器网络的主要特点,这决定了其在商业方面的广泛用途。例如,嵌入在家具或家电中的传感器与执行机构组成的无线网络,再通过Internet,将给我们提供更为舒适、方便、安全的智能化家居环境。沃尔玛超市在其货物上加装射频识别条型码芯片(RFID),使该公司和供应商能够跟踪从生产厂到收款台的商品流向。

摘要：阐述了无线传感器网络的组成及其主要特点,对其关键性问题进行了探讨。最后,介绍了无线传感器网络在军事和民用领域的应用情况。

关键词：传感器,网络,无线,应用

参考文献

[1]Hill J,Horton M,Kling R,et a1.The platforms enabling wireless sensor networks[J].Communications of the ACM,2004,47(6):41-46.

[2]David E C,Wei Hong.Wireless sensor networks[J].Communica-tions of ACM,2004,47(6):30-33.

[3]Akyildiz L,Su W,Sankarasubramaniam Y,et a1.A Survey on sen-sor networks[J].IEEE Communications Magazine,2002,40(8):102-114.

[4]Rentala P,Musunuri R,Gandham S,et a1.Survey on sensor net-works[R].Technical Report,UTDCS-33-02,University of Texas,Dallas,2002.

[5]黄玲.无线传感器网络简述[J].传感器世界,2005,10:36-40.

[6]颜振亚,郑宝玉.无线传感器网络[J].计算机工程与应用,2005,15:20-23.

[7]李永琴.无线传感器网络关键性问题的研究[J].泰山学院学报,2006,28(3):46-50.

[8]崔吉祥,徐桂云,张燕超.无线传感器网络的概述[J].山东通信技术,2006,26(4):28-30.

无线传感器网络的数据分发技术 篇11

关键词：无线传感器网络；数据分发；能量有效；sink节点；方案

0引言

无线传感器网络是由许多具有感知、计算和通信能力的低成本低功耗的微型传感器组成，用于实时感知和采集网络覆盖区域内的感知对象的信息，常常由成百上千个传感器协同工作。这些传感器一般可分成两类：一是具有通信能力的传感器节点，称为源节点。源节点通过内置的一个或多个物理传感器，如温度传感器、光传感器等，可对观察范围内的感知对象产生原始数据。这些节点靠不能补充能量的电池供电，具有有限的能量。二是网关节点，也称为sink节点(或基站)，这些节点用于实现传感器网络与Internet的连接，往往个数有限，但能量能够得到补充。无线传感器网络的主要目的是从监测环境中收集用户感兴趣的数据，发送给sink节点。因此，数据分发是无线传感器网络的一个基本功能，而带宽和能量是传感器网络中最为缺乏的资源，为了延长网络的生存时间，设计能量有效的数据分发方案是至关重要的。

1数据分发的分类

在传感器网络中，数据分发的分类有三种。而一种是按照数据传输的方向，分为三类：

(1)源节点到sink节点的数据分发。源节点把探测到的感知数据发送给sink节点。

(2)源节点之间的数据分发。当源节点之间需要协作时，由请求源节点发送消息给需要合作的其他源节点。

(3)sink节点到源节点的数据分发。sink节点可以改变部分或全部传感器节点的操作模式，向网络中广播一条新的消息，激活或睡眠一个或多个源节点，向网络中发送查询等。

第二种是根据通信周期，分为三类：

(1)事件驱动(event-driven)数据分发。只有在感兴趣的事件发生时才构建路径，发送数据，从而减少了持续更新路径的费用。

(2)连续数据分发(confinuous dissemination)。每个源节点定期地发送数据给sink节点，需要定期重建路径。

(3)查询驱动数据分发。只有sink节点需要查询时，才构建数据分发路径，符合条件的源节点响应查询，并将感知数据发送给sink节点。

第三种是根据应用类型，也分为三类：

(1)固定源节点与固定sink节点间的数据分发。源节点与sink节点一旦配置好，它们的位置就不再改变，直到网络终止，这是使用最广泛的数据分发。

(2)固定源节点与移动sink节点间的数据分发。用户使用如PDA等移动设备在感知区域内移动，通过查询源节点来获取有关对象的当前状态或近来目标活动的概况。

(3)移动源节点与移动sink节点间的数据分发。可用于监测和跟踪移动目标的传感器网络。

2数据分发方案

无线传感器网络的主要功能是实现数据分发，而有效、可靠的数据分发关键在于建立数据传输路径。设计能量有效的数据分发方案可以优化数据传输路径，减少节点能量的消耗和网络拥塞，提高数据传输性能，有效延长网络寿命。近年来，许多研究者注意到了数据分发的重要性，并提出了许多数据分发方案，其中具有代表性的有以下几种。

2.1基于外部存储的数据分发方案(External Storage-baseddata dissemination scheme,ES)

这是使用最广泛的一种方案，它依赖于一个位于传感器网络外部的集中式基站，该基站用于收集和存储感知数据。这种方案必须把源节点的所有感知数据通过泛洪传送给基站，用户通过查询基站来获取数据。但当查询过多时，ES数据分发方案将非常低效。

2.2基于数据中心存储的数据分发方案(Data-Centric Stor-age-based data dissemination scheme,DCS)

当源节点监测到事件的感知数据时，源节点向它的相邻节点广播感知数据的描述信息，感兴趣的节点发送相应的请求给源节点，源节点才向请求者发送数据信息，接收到数据的节点再向它的相邻节点广播消息，如此重复，使所有节点都有机会接收到任何数据。因此，事件的感知数据可能被存储在网络中的部分或全部源节点上。但不管什么查询，数据都使用预定义的方式传送。这种方案缺乏适应性，并且在查询率较低时，可能会引起很多不必要的数据传输。

2.3基于本地存储的数据分发方案(Local Storage-baseddata dissemination scheme,LS)

源节点只有收到sink节点的查询时，才发送数据给sink节点，这样可以避免传输不必要的感知数据。这种方案需要建立一个sink-source的匹配机制，使sink节点容易找到持有所需数据的源节点，大多数采用的匹配机制遵循flood-response模式，需要在网络中泛洪某些控制消息。比如，在DirectedDiffusion(DD)中，sink节点把查询泛洪到整个网络中，沿途节点按需对各查询进行缓存，并根据查询计算梯度，使具有被请求数据的源节点知道把数据发送到什么位置。而在Two-TierData Dissemination(TTDD)中，由监测到某个事件发生的源节点以自身作为网格的一个分发节点构造一个网格，sink节点在本地发送泛洪查询请求到最近的分发节点，该节点再转发给邻近的分发节点，直到把查询请求发送到该源节点，数据再反向传送到sink节点。LS数据分发方案由于需要大范围的网络泛洪，可能会引起严重的网络阻塞和大量的能量消耗。

2.4多级数据分发方案(Multi-Resolution data dissemination scheme,MR)

这是综合LS和DCS数据分发技术的一种数据分发方案，其基本思想是在数据源中选择一个头节点，代表数据源中所有源节点在最近的注册节点上进行注册，sink节点把查询发送到所有注册节点上，从注册节点再把查询发送到所有匹配的头节点，当头节点收到查询后，使用局部节点选择算法在数据源内选择一组节点进行查询。由于sink节点的位置包含在它分派的查询中，查询节点可以直接把感知数据发送给sink节点，如图1所示。这种数据分发方案避免了查询泛洪，能有效减少能量消耗，而且通过减少冗余数据的分发进一步达到节省能量的作用。但是在数据源中只是基于感知范围参数来选择查询节点，没有考虑数据的分布情况。

2.5基于索引的数据分发方案(Index-based Data DisseminationScheme，IDDS)

为了克服以上几种数据分发方案存在的问题，提出了基于索引的数据分发方案。在这种方案中，负责监测某对象的源节点定期产生有关该监测对象的感知数据，并把感知数据存储到存储节点(storing nodes)3：，存储节点可能是该源节点，也可能是邻近的某个节点。同时，存储节点的位置信息，称为索引(Index)，要增加到与监测对象有关联的某些节点上，这些节点称为索引节点(Index nodes)，并在索引节点上进行维护。当被监测对象移动时，要改变相应的监测源节点。但是，新的监测节点仍然使用原来的存储节点保存感知数据，直到监测节点离存储节点很远时，才选择新的存储节点。当选择了一个新的存储节点时，原来的存储节点处理以前存储的数据，产生一个汇总数据，发送给新的存储节点。如果不汇总以前的数据，新的存储节点可以使用一个指针指向原来的存储节点，这样，从当前存储节点也可以访问以前的数据。并且，新的存储节点也应在与该监测对象有关的索引节点上注册它的索引。

当sink节点想查询某个监测对象的感知数据时，就发送一个查询消息给与监测对象有关的索引节点，索引节点收到该消息后转发该请求给相应的存储节点，由存储节点直接发送查询结果给sink节点，存储节点只有接收到sink节点的查询时，才发送数据给sink节点。其基本思想如图2所示。这种数据分发方案避免了发送不需要的感知数据，也不需要把控制信息泛洪到整个网络，改善了整个系统的性能，但是增加了维护索引节点的额外费用。

3数据分发方案的比较

根据上一节的说明和分析，表1对以上5种数据分发方案的特点进行了总结和比较。方案特点包括：是否建立最佳数据分发路径；是否存在影响数据分发的关键节点；是否支持sink节点移动；是事件驱动、查询驱动还是连续数据分发；数据分发所需的通信量、计算量和存储量。

4结束语

无线传感器网络技术与应用 篇12

1 无线传感器网络的介绍

无线传感器网络由部署在监测区域内大量静止或移动的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统,其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并将已经采集和处理好的信息传送到控制中心。

无线传感器网络利用传感器感知所在周边环境的相关参数,探测获取观察者感兴趣的信息,如温度、湿度、光强度、噪声、土壤成分、移动物体的速度、大小、方向等。

2 无线传感器网络的先进性

无线传感器节点与传统的有线传感器相比有诸多的先进性,主要表现为:

(1)无线传感器节点在分布式处理大量采集信息的基础上有较高的精确度。

(2)无线传感器节点具有独立的能量、计算能力、存储能力。

(3)无线传感器节点具有数据处理和数据转发的双重功能。

(4)无线传感器网络具有极强的灵活性和适应性。

无线传感器节点网络是一个动态的网络,无线传感器节点采用无线通信,因此节点根据需要可以随处移动,此外,部分节点损坏或电源耗尽并不影响无线传感器网络整体的工作效率。所以,无线传感器网络具有极强的灵活性和适应性。

3 无线传感器网络的实际应用

无线传感器网络的应用前景非常广阔,其节点技术作为新兴的、典型的具有交叉学科性的军民两用战略技术,被广泛地应用在国防军事、医疗卫生、智能家居、交通管理、环境监测、生物工程、灾难预警等领域。由于当前技术条件的限制,其应用主要集中在以下几个领域:

3.1 国防军事领域

在军事作战中,通过飞机空投等方式,将大量微型的无线传感器节点任意散布在预定检测区域,这些节点可以监测周围环境的变化,以及对方发射炮弹等武器的微观数据,由此确定战场的实时状态。此外,由于无线传感器网络具有可快速部署、分布随机、可自组织、适应恶劣环境、隐蔽性强和高容错等特点,它能实现对敌军兵力部署和装备的监控、目标的定位、战场的实时监视、战场评估等功能,可以有效降低传统的靠侦查兵收集情报所造成的牺牲。同时,当部分传感器失效后,无线传感网络作为整体仍能完成观察任务。因此,传感器网络在探测和获取敌军情报、有效监控战场上的实时状态方面引起了广泛的关注。

3.2 医学领域

无线传感器网络在医学领域方面也日渐发挥作用。利用节点监测病人的各项生理参数、居住环境及药物使用等方面的信息,这对病人监护、药品管理和及早发现病情都有巨大的帮助。例如,将无线温湿度传感器节点佩戴在病人或易发病人身上,就可以对其体温、呼吸等各项健康指标进行实时监测,医生可以从医院里远程了解测试人群的健康状况;另外,无线CMOS传感器节点也可以作为隔离病房的监控设备,减少医生护士进病房的次数,有效降低医疗人员在一些重大传染病中的被感染率。

3.3 环境监控

无线传感器节点为恶劣环境的数据获取提供了方便,对人类不宜到达的区域的长期监测带来了极大的便利。利用无线传感器节点系统可以跟踪候鸟和昆虫的迁移,研究生物栖息地的环境;监测平原、森林、海洋等的温湿度变化;提供遭受化学污染的位置并检定出化学污染的种类,避免工作人员冒险进入受污染区域;研究环境变化对农作物的影响,在精细农业中,来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。

4 无线传感器网络的关键技术

对无线传感器节点技术的研究虽然处在一个高速发展的阶段但由于无线传感器节点技术涉及了多学科交叉的研究领域,因此还有许多关键性的技术仍需要进一步的研究。

4.1 能量管理

无线传感器节点体积微小,通常能携带的电源能量极其有限而通过更换电源的方式来补充能量是不现实的。因此,如何降低节点能量的消耗和如何延长能量的持续时间成了无线传感器网络技术的重大挑战。

4.2 数据融合

数据融合技术是把多类信息进行综合研究比较,以获得更准确的最终数据的过程。在无线传感器网络中,通过利用节点的计算和存储能力处理数据的融合,去除冗余信息,便可以在数据收集汇聚的过程中最大程度的减少数据运输量,提高信息的精度和稳定度从而达到节省能量的目的。

4.3 无线传感器网络安全技术和抗干扰技术

与普通的网络一样,无线传感器网络也存在着种种缺陷,面临着信息安全领域的巨大挑战。在环境恶劣情况下,如何保证节点可靠地完成执行的任务,如何利用较少的能量和较小的计算量来完成数据加密、密钥管理、身份认证等,成为无线传感器网络技术面临的又一挑战。

5 结语

无线传感器网络技术作为一种新兴的科技,虽然对它的研究仍然处在初级阶段,可无线传感器技术的初步应用所带来的成果确是显而易见的,可以预测,无线传感器技术的应用必将促进无线传感器技术自身的发展,甚至将会掀起一场新的科学技术革命。

摘要：无线传感器网络技术是一种集合信息采集、信息处理的全新技术,有着重要的科技意义和广泛的应用前景。本文主要论述了无线传感器的特点及其优势,并对无线传感器网络当前的应用领域和在实际应用中的关键性技术做了系统的探讨。

关键词：无线传感器,网络,信息,应用

参考文献

[1]李忱,杜军,金芳.无线传感器网络及其应用[J].仪器仪表用户,2006,13(3):112-118.

[2]陈雄,杜以书,唐国新.无线传感器网络的研究现状及发展趋势[J].系统仿真技术,1(2):2005,67-73.

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