传感器网络技术论文（共12篇）
传感器网络技术论文 篇1
随着无线技术、微机电系统和低功耗高集成数字设备技术的成熟,无线传感器节点得到飞速发展,其低成本、低功耗、小体积、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。由节点配合各类型传感器组成的无线传感网络(WSN)是一种新兴网络,被广泛应用于生活的方方面面。
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.
[3]焦鹏鹏,张斌,杨梓.基于无线传感器网络的温度采集与传输[J].电子设计工程,2013,21(2):89-92.
[4]马祖长,孙怡宁.温湿度检测的传感器网络[J].传感器技术,2003,22(12):57-59.
传感器网络技术论文 篇2
交流电容电桥：相对两臂电阻的乘积应相等及对应电阻电容乘积相等R1C1=R2C2及R1R4=R2R3
零点残余电压：理想情况下，当衔铁位于中心位置时，两个次级组感应电压大小相等、方向相反，差动输出电压为0，但实际情况是差动变压器输出电压往往不等于0。差动变压器在零点位移时的输出电压。它的存在使传感器在输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。N=60f/z
正压向效应：当沿着一定方向收到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且晶体内部产生极化现象，同时在晶体的某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态。
霍尔效应：金属或半导体薄片在磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，称为霍尔效应，该电电动势为霍尔电势。光电效应：内光电效应（光电管、光电倍增管）外光电效应（光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管）
热敏电阻：当电极正常运行时温度较低，晶体管VT截止，继电器J不动作；当电动机过负荷或断相或一相接地时，电动机温度急剧升高，使热敏电阻阻值急剧减小，到一定值后，VT接通，继电器J吸合，使电动机工作回路断开，实现保护作用。根据电动机各种绝缘等级的允许升温值来调节偏流电阻R2值，从而确定晶体管VT的动作点。
热电效应：当两个分态点温度不同时，回路中将产生电动势。这种现象叫热电效应。冷端零摄氏度恒温法补偿导线法补偿电析法和冷端温度修正法。三线制接线：可以消除接线电阻的影响。
不等位电势U。和等位电阻r.。U.不为零的原因 1存在电极的安装位置不对称。
2半导体材料电阻率不均衡或几何尺寸不均匀。3激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。路灯自动控制器
当天黑无光时，控制电路中VT1，VT2均处于截止状态。当白天有光时，控制电路中VT1，VT2均处于导通状态。
当黑天无光照射时，控制电路中VT1,VT2均处于截至状态，线电器K的线圈断电，其常闭触电接通电路中交流接触器KM线圈，从而使接触器的常开主触点闭合，路灯亮。当天亮时，硅电池收到光的照射产生0.2-0.5的电动势，使三极管VT1VT2导通，最终导致接触器点断开，路灯熄灭。
莫尔条纹：两块光栅叠合时，出现光明相间的条纹。特性：1消除光栅刻线的不均匀误差2位移的放大特性3移动特性4光强与位置关系。愿意：电磁场的变化，零件的摩擦，间隙，热起伏，空气扰动气压及温度的变化，测量人员的错误感觉。消除：当测量次数足够时，就整体而言，服从一定的规律，通过数据的统计可以计算出误差出现。原因：测量方法不完全，零点未调整，采用今世的计算公式测量者的经验不足。消除：首先要查找误差根源，并设法减少和消除，对于无法消除的恒指系统误差，可以在测量结果中加以修正。
检测系统：传感器、信号调理电路、显示器、数据处理装置、执行机构。传感器：感受被测量（物理量、化学量、生物量）的大小，并输出相对应的可用输出信号的期间或装置。传感器静态特征：灵敏度、迟滞、线性度、重复性、精度、漂移。金属与半导体电阻应变有何区别：灵敏度系数K受两个因素影响：一个是应变片受力材料几何尺寸的变化，即1+2u；另一个是应变片受力后材料电阻率发生的变化，即(dp/p)/E.金属材料，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2u的值要比(dp/p)/E大得多，而半导体材料的(dp/p)/E项的值1+2u大得多。大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。直流电桥平衡：其相应两臂电阻的比值相等或相对两臂电阻的乘积应相等。R1R4=R2R3或R2/R1=R4/R3
交流电容电桥：相对两臂电阻的乘积应相等及对应电阻电容乘积相等R1C1=R2C2及R1R4=R2R3
零点残余电压：理想情况下，当衔铁位于中心位置时，两个次级组感应电压大小相等、方向相反，差动输出电压为0，但实际情况是差动变压器输出电压往往不等于0。差动变压器在零点位移时的输出电压。它的存在使传感器在输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。N=60f/z
正压向效应：当沿着一定方向收到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且晶体内部产生极化现象，同时在晶体的某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态。
霍尔效应：金属或半导体薄片在磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，称为霍尔效应，该电电动势为霍尔电势。光电效应：内光电效应（光电管、光电倍增管）外光电效应（光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管）
热敏电阻：当电极正常运行时温度较低，晶体管VT截止，继电器J不动作；当电动机过负荷或断相或一相接地时，电动机温度急剧升高，使热敏电阻阻值急剧减小，到一定值后，VT接通，继电器J吸合，使电动机工作回路断开，实现保护作用。根据电动机各种绝缘等级的允许升温值来调节偏流电阻R2值，从而确定晶体管VT的动作点。
热电效应：当两个分态点温度不同时，回路中将产生电动势。这种现象叫热电效应。冷端零摄氏度恒温法补偿导线法补偿电析法和冷端温度修正法。三线制接线：可以消除接线电阻的影响。
不等位电势U。和等位电阻r.。U.不为零的原因 1存在电极的安装位置不对称。
2半导体材料电阻率不均衡或几何尺寸不均匀。3激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。路灯自动控制器
当天黑无光时，控制电路中VT1，VT2均处于截止状态。当白天有光时，控制电路中VT1，VT2均处于导通状态。
当黑天无光照射时，控制电路中VT1,VT2均处于截至状态，线电器K的线圈断电，其常闭触电接通电路中交流接触器KM线圈，从而使接触器的常开主触点闭合，路灯亮。当天亮时，硅电池收到光的照射产生0.2-0.5的电动势，使三极管VT1VT2导通，最终导致接触器点断开，路灯熄灭。
莫尔条纹：两块光栅叠合时，出现光明相间的条纹。特性：1消除光栅刻线的不均匀误差2位移的放大特性3移动特性4光强与位置关系。愿意：电磁场的变化，零件的摩擦，间隙，热起伏，空气扰动气压及温度的变化，测量人员的错误感觉。消除：当测量次数足够时，就整体而言，服从一定的规律，通过数据的统计可以计算出误差出现。原因：测量方法不完全，零点未调整，采用今世的计算公式测量者的经验不足。消除：首先要查找误差根源，并设法减少和消除，对于无法消除的恒指系统误差，可以在测
量结果中加以修正。
特性：1消除光栅刻线的不均匀误差2位移的放大特性3移动特性4光强与位置关系。愿意：电磁场的变化，零件的摩擦，间隙，热起伏，空气扰动气压及温度的变化，测量人员的错误感觉。消除：当测量次数足够时，就整体而言，服从一定的规律，通过数据的统计可以计算出误差出现。
原因：测量方法不完全，零点未调整，采用今世的计算公式测量者的经验不足。消除：首先要查找误差根源，并设法减少和消除，对于无法消除的恒指系统误差，可以在测量结果中加以修正。
检测系统：传感器、信号调理电路、显示器、数据处理装置、执行机构。传感器：感受被测量（物理量、化学量、生物量）的大小，并输出相对应的可用输出信号的期间或装置。传感器静态特征：灵敏度、迟滞、线性度、重复性、精度、漂移。金属与半导体电阻应变有何区别：灵敏度系数K受两个因素影响：一个是应变片受力材料几何尺寸的变化，即1+2u；另一个是应变片受力后材料电阻率发生的变化，即(dp/p)/E.金属材料，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2u的值要比(dp/p)/E大得多，而半导体材料的(dp/p)/E项的值1+2u大得多。大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。直流电桥平衡：其相应两臂电阻的比值相等或相对两臂电阻的乘积应相等。R1R4=R2R3或R2/R1=R4/R3
交流电容电桥：相对两臂电阻的乘积应相等及对应电阻电容乘积相等R1C1=R2C2及R1R4=R2R3
零点残余电压：理想情况下，当衔铁位于中心位置时，两个次级组感应电压大小相等、方向相反，差动输出电压为0，但实际情况是差动变压器输出电压往往不等于0。差动变压器在零点位移时的输出电压。它的存在使传感器在输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。N=60f/z
正压向效应：当沿着一定方向收到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且晶体内部产生极化现象，同时在晶体的某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态。
霍尔效应：金属或半导体薄片在磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，称为霍尔效应，该电电动势为霍尔电势。光电效应：内光电效应（光电管、光电倍增管）外光电效应（光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管）
热敏电阻：当电极正常运行时温度较低，晶体管VT截止，继电器J不动作；当电动机过负荷或断相或一相接地时，电动机温度急剧升高，使热敏电阻阻值急剧减小，到一定值后，VT接通，继电器J吸合，使电动机工作回路断开，实现保护作用。根据电动机各种绝缘等级的允许升温值来调节偏流电阻R2值，从而确定晶体管VT的动作点。
热电效应：当两个分态点温度不同时，回路中将产生电动势。这种现象叫热电效应。冷端零摄氏度恒温法补偿导线法补偿电析法和冷端温度修正法。三线制接线：可以消除接线电阻的影响。
不等位电势U。和等位电阻r.。U.不为零的原因 1存在电极的安装位置不对称。
2半导体材料电阻率不均衡或几何尺寸不均匀。3激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。路灯自动控制器
当天黑无光时，控制电路中VT1，VT2均处于截止状态。当白天有光时，控制电路中VT1，VT2均处于导通状态。
当黑天无光照射时，控制电路中VT1,VT2均处于截至状态，线电器K的线圈断电，其常闭触电接通电路中交流接触器KM线圈，从而使接触器的常开主触点闭合，路灯亮。当天亮时，硅电池收到光的照射产生0.2-0.5的电动势，使三极管VT1VT2导通，最终导致接触器点断开，路灯熄灭。
刍议无线传感器网络的应用技术 篇3
关键词：无线传感器；网络；应用技术
近年来，随着距离近、功耗低的无线通信技术的发展，能够通过微小的芯片感知外部环境而发出逻辑命令的片上系统随之出现。而无线传感器网络WSN就是由大量这种具有片上系统感知、运算功能的微型传感器节点所构成的网络。通过这些节点间的相互传递信息、不间断的检测、感知并处理网络覆盖范围内的各种环境或各个对象的数据，从而得到系统而精准的信息并把这些有效信息发送到需求的用户。
一、无线传感器网络的特点
（一）硬件资源和电源容量有限
传感器的节点注重小体积、低功耗的功能实现，必然会在计算性能、程序容量和内存大小等方面远远小于正常规格的计算机，因此在节点的操作系统设计中，不易设计过于繁复的层级。同时，电池是网络节点的主要能量来源，但是这里的电池一般都是低容量的，如果在一些应用领域中存在特殊的使用情况，可能没有办法给电池及时充电或者替换新电池，电池的能量使用没了以后这个节点也会随之失效，这个特性就决定了传感器的设计中在每个环节都要重视节能的特性。
（二）节点密集分布
无线传感器通过节点间不断的自身调节以更好的状态适应外部环境，保证工作的稳定性与高效性。可以提高区域内对信息的抽样效率，能够明显提高监测的准确度，并能有效减轻单一传感器节点监测精准度的负担。另外，通过节点的紧密排布，在固定空间内会产生很多多余的节点，这些多余的节点有利于增强系统的容错性能，从而减轻了单一传感器在稳定度方面的要求。节点的紧密排布也有利于合理的调整休眠期，是增加了网络的使用寿命的有效手段。
（三）自组织网络
选择自组织工作方式是由无线传感器的自身特性所决定的。一是无线传感器的应用环境中很少有固定化的网络设施支持；二是传感器的节点的部署方式通常都没有规律可言，节点间的位置关系以及互为相邻的关系是不能提前预知的；三是传感器的节点由于电池的能量小容易被快速消耗而失去作用，并且收到外界环境的影响也可能会失效。其中的部分节点为了补充那些不起作用的节点并且为了增加检测的精密度而被填补进来，加之节点可能转移或者处于休眠调度机制中，因此网络总是处在实时的变动过程。
二、无线传感器网络的应用
（一）军事应用
军事方面的需要才促使了无线传感器的产生，无线传感器的自身设计理念是非常适合在军事上的应用的。无线传感器在军事领域的应用主要是收集情报、追踪敌人、监视敌情、分类目标。无线传感器的内置部件都是低成本低功耗的节点，并且自行组织力和容错能力也都很强，即便在局部节点收到刻意的破坏后，也不会引起整体的系统故障，基于这两点特性才能够保障无线传感器网络可以在战场上这种环境恶劣的条件下的正常工作，提供精准无误的数据传输以最大限度的减少伤亡。无线传感器除了在战争时期的应用，在如今世界局势比较稳定的情况下也能发挥着重要的国土安全保卫功能和边境的监控职能。
（二）环境科学
在进行环境科学的研究过程中可知，单纯依靠传统的采集方式来获得数据是非常困难的，而通过无线传感网络广泛的布置节点，并依靠节点之间的相互配合与协调共同作用，进行自动化的配置、管理、调度的流程来跟踪鸟类和昆虫的迁移活动并记录它们的生活习性。传感器网络还可以实现对土壤状态的检测，通过传感器来监测降水量、分析河水的水位以及土壤的水分，相类似的也可以运用到对森林火情的预报、天气情况的预报，对农业耕种中病虫害问题、土壤的酸碱度以及肥料是否充分等问题的监测等。
（三）医疗健康
无线传感器网络中分布着数量巨大的类似的或者不相同的传感器节点，它们紧密的排布在监测区域内。利用无线传感器微小的特点则可以在医学领域发挥其重要的作用。医生可以利用传感器来进行对病人血压和心率等指标的监测，而且通过传感器网络，医生可以及时的掌握病人病情的动态情况，并加以恰当的处理。也可以通过传感器网络进行持久连续性的收集医学实验对象的各项生理指标的信息，是对传统数据信息收集的创新改革，为医学的研究提供了基础的数据。另外，在医药管理方面无线传感器也有着其特殊的用途，无线传感器为促进远程医疗的进展提供了更为有效的实现手段。
三、结语
无线传感器网络在通讯、节能和网络控制等方面有着比较系统的解决方案，因此为其真正投放到实际领域打下了坚实的基础。而且无线传感器网络自身具有的低耗节能的优势，有利于其可以在一定区域内大面积的散布，具有广泛的应用价值。（作者单位：海南师范大学）
参考文献：
[1] 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（01）.
[2] 杨卓静，孙宏志，任晨虹.無线传感器网络应用技术综述[J].中国科技信息，2010（13）.
无线传感器网络技术环境应用进展 篇4
今天互联网作为现代化社会的代表也有着十分重要的作用, 各行各业都开始了网络的使用从而达到方便实际的操作的目的。而无线传感器网络技术作为一种使用比较普遍的网络技术在网络系统中占据着十分重要的作用, 无线传感器网络技术也对环境应用有着重大的影响, 从根本上决定着环境应用的进展。
1 无线传感器网络技术的概述
无线传感器网络技术就是指将传感器技术、自动控制技术、数据网络传输技术以及储存、处理合为一体的现代新型网络信息技术。无线传感器网络技术是由存储器、处理器、传感器、无线通讯等电子设施共同组合而成的, 这些电子设施对于整个无线传感器网络技术而言都是十分重要的, 如果缺失了任何一个部件, 那么无线传感器网络技术就无法正常的运行, 从而给无线传感器网络技术的环境应用带来极大的影响。在无线传感器网络技术对于环境的应用中一般分为两个部分, 分别是无线传感器网络和有线传感器网络两个部分。无线传感器网络技术传感器都具有网络传感器节点, 网络传感器节点就是小型计算机和无线发送装置的集合体。每个网络传感器节点都可以对于周围的环境或者对象进行观察与监测, 从而可以取得相关监测对象的图像、声音和气体等物理量和化学量。随着社会的发展, 电子设备的广泛使用人们可以直接用手机或者电脑的无线设备直接控制无线传感器网络技术并且获得相应的数据。
网络传感器节点并不是单一存在的独立体。如果将一个网络传感器放置在野外, 这个传感器就会自己搜寻附近与自己属性相同的网络传感器节点, 实现两个或者几个网络传感器的资源共享以及指令和数据传输的功能。但是无线传感器网络技术存在着许多限制, 限制一般都来自于所观察的环境条件。如果所观察的地点环境条件比较的复杂, 那么无线传感器网络技术的网络设计就会变得复杂, 网络节点的个数也会相应的增加。
2 无线传感器网络技术的环境应用进展
2.1 全球变化和生态研究应用进展
随着社会的发展, 一些原来价格比较高的电子设备也在不断的降价, 性价比变得越来越高。这就为无线传感器网络技术的应用提供了可靠的保证。人们对于无线传感器网络技术的使用小到数米的植物大到整个地球, 可以说整个地球上的任何环境都可以使用无线传感器网络技术进行观测。对于生态系统的物理和生物过程人们使用地面以上的传感器系统和地下土壤传感器进行测量;而对于地下水的测量和养分动态的测量使用的是水下和河岸带传感器。
2.2 土壤环境应用进展
就目前的研究现状而言, 人们对于土壤根系的发展过程并没有足够多的了解与认识。正确合理的使用无线传感器网络技术可以对土壤内部的交互作用和呼吸作用增加一定的了解, 使得人们对于土壤有着更加全面的认识。无线传感器网络技术也可以准确的了解到土壤自氧和异氧呼吸的时间动态, 使得人们对于土壤有着更深程度的认知。就目前而言, 使用的一系列土壤传感器主要进行监测的量有二氧化碳通量, 土壤的纹理、湿度等。这些量的测量都对于土地研究有着十分重要的作用, 是研究中必不可少的数据。然而无线传感器网络技术不可以直接看到土壤以下的具体结构, 在进行无线传感器网络技术应用的时候又要求对于土壤的影响尽可能的小, 这时就需要使用探地雷达之类的设备对土壤以下的岩石、植物进行探测, 这样可以有效的避免无线传感器网络技术的使用对于周围土壤环境的破坏, 更好的保护了环境。
2.3 空气环境的应用进展
自从前几天北京上海等地出现了雾霾现象之后, 人们对于空气环境质量也越来越关心, 不少城市都加大了对于环境质量的监测与管理, 安装了空气质量监测装置, 这样就可以及时的发现对于空气质量进行破坏的污染源点, 从而采取有效合理的保护措施。但是使用布点的方式虽说对于城市空气环境进行了一定的检测, 但是这些布点毕竟只是片面的, 不可能对于整个城市都进行合理的检测, 并且在布点工作进行时也可能因为操作的失误从而导致整个监测结果的偏差。因此, 现在更多的城市选择无线传感器网络技术对于城市空气环境的监测与管理。相对于布点监测来讲, 无线传感器网络技术价格上存在着很大的优势。另外, 无线传感器网络技术在监测范围上也比布点监测更加的广泛和全面, 进行实际监测工作的时候也极大的减少了工作人员的工作难度, 提高了工作效率。
3 无线传感器网络技术的未来挑战
3.1 数据采集与管理的挑战
随着社会的不断发展, 人们将更多的使用无线传感器网络技术进行对于环境的监测, 那么无线传感器网络技术就需要更大的存储空间和处理空间以便人们对于环境进行实时的监测和管理。同时还需要对于采集的数据的准确性进行加强, 使设备在采集的过程中不会出现错误。另外, 对于数据的传输也要进行一定的保护。
3.2 能源供给的挑战
在使用无线传感器网络技术时, 传感器消耗的电能是十分大。而作为无线传感器网络技术的主要组成部分, 传感器又是不可或缺的。因此, 在未来的发展之中, 如何使得传感器可以在使用极少电量的情况下正常工作成为了一个必须要面对的挑战。
3.3 无线通讯标准的挑战
在目前的市场上, 传感器由于生产厂家的不同所使用的网络标准也不相同, 从而造成了无线传感器网络技术的硬件平台和操作系统的不一致, 这就给无线传感器网络技术的实际操作上带来了很大的困难。因此, 如何使得传感器在短时间内建立起一个统一的无线通讯标准是十分重要的, 也是一个未来不得不面对的挑战。
4 结束语
无线传感器网络技术作为对于环境应用的主要技术之一, 对于人类监测环境做出了巨大的贡献, 推动了社会环境事业的进展。本文主要对无线传感器网络技术在环境应用上进行了简要的分析, 希望可以对有关部门有所帮助, 共建环境优美的地球村。
摘要：随着时代的发展, 无线传感器网络技术也迅速的被人们熟知与使用, 已经成为了现在的一门主要应用技术。无线传感器网络技术的前身是遥感技术, 也就是说无线传感器网络技术是由遥感技术发展而来的。本文主要对无线传感器技术在环境应用上的进展展开了简要的论述, 希望可以对无线传感器网络技术在环境应用上起到促进的作用, 推动相关事业的发展。
关键词：无线传感器,网络技术,环境
参考文献
[1]宫鹏.无线传感器网络技术环境应用进展[J].遥感学报, 2010, (02) :387-388.
[2]朱文平, 张耀南, 罗立辉.生态水文中无线传感器网络应用研究[J].冰川冻土, 2011, (03) :121-122.
无线传感器网络实验报告 篇5
实验报告
2015 5--2016 6 学年第 一 学期
开 课 单 位
海洋信息工程学院
适用年级、专业
课 程 名 称
无线传感器网络
主 讲 教 师
王晓莹
课 程 序 号
1510344
课 程 代 码
BS1620009X0
实 验 名 称
ns2 实验环境配置及应用
实 验 学 时学时
学
号
姓
名
一、
实验目的1)掌握虚拟机的安装方法。
2)熟悉 Ubuntu 系统的基本操作方法。
3)掌握 ns2 环境配置。
4)掌握 tcl 语言的基本语句及编程规则。
5)了解使用 ns2 进行网络仿真的过程。
二、
实验环境
1)系统：Windows 10 专业版 64 位 2)内存：8G 3)软件：VMware Workstation 12 Pro 三、实验内容
((一 一))安装虚拟机（简述安装步骤）
a)在 VMware 官网（https://#allinone 复制到根目录，解压到当前位置 tar xvfz ns-allinone-2.35.tar.gz
在根目录下打开 ns-allinone-2.35 文件夹，在里面找到 ns-2.35 打开找 linkstate文 件 夹，打 开 里 面 的 ls.h 文 件，将 第 137 行 的 void eraseAll(){ erase(baseMap::begin(), baseMap::end());} 改成 void eraseAll(){ this->erase(baseMap::begin(), baseMap::end());}
运行 cd./ns-allinone-2.35 运行./install #进行安装
d)设置环 境变量：
终端中输入 cd，返回根目录，然后
sudo gedit.bashrc 在文件末尾加入：
export PATH=“$PATH:/home/kevin/ns-allinone-2.35/bin:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tcl8.5.10/unix:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tk8.5.10/unix” export LD_LIBRARY_PATH=“$LD_LIBRARY_PATH:/home/kevin/ns-allinone-2.35ns-allinone-2.35/otcl-1.14:/home/kevin/ns-allinone-2.35/lib” export TCL_LIBRARY=“$TCL_LIBRARY:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tcl8.5.10/library” 保存退出
e)验证 完成后在新终端窗口 输入 ns 出现%
测试：
ns./ns-allinone-2.35/ns-2.35/tcl/ex/simple.tcl
输入 exit 退出 ns2
((四 四))l tcl 语言基本使用（举例说明）
a)创建 test01.tcl 文件，编辑 test01.tcl 文件,在终端输入 touch test01.tcl #创建文件 gedit test01.tcl #编辑文件 b)在 test01.tcl 中输入“九九乘法表”TCL 语言
c)运行 test01.tcl，结果如图：
((五 五))网络仿真（可以选示例，也可以自己参考资料设计仿真）
((六 六))遇到的问题及解决方法
1.Ns2 验证：安装完成后在新终端窗口 输入 ns 不出现 %
使用 sudo apt-get install ns2 安装后新窗口输入 ns 出现 %
2.TCL 语言测试：找不到 tk.tcl
ns./ns-allinone-2.35/ns-2.35/tcl/ex/simple.tcl 提示找不到 tk.tcl，因为没安装 nam，输入命令 sudo apt-get install nam 安装成功，再验证就可以了。
四、
实验总结
传感器网络技术论文 篇6
【关键词】 信息技术 多信道通信技术 无线传感器 问题 措施
随着科学的进步和发展，无线传感器开始深入人们的日常生活当中，并且通过和计算机网络的配合，使人们生活的许多方面都很便捷，这也无形的推动了无线传感器网络的广泛应用。
一、无线传感器的概述
无线传感器主要的构成是由许多微型的传感器节点，这些节点的造价很便宜。它的工作原理就是通过这些传感器节点对感知的对象进行数据的采集，然后将采集的数据通过网络传输给电脑，供人们进行分析并采取措施，一般的无线通信技术主要包括红外线、蓝牙、HomeRF、IEEE80。
二、无线传感器的特点
2.1无线节点数量多、分布比较随机
无线传感器的节点是非常多的，况且每个传感器的节点的能量也是有限的，所以无线节点对感知对象的范围也是有一定要求的，不能太远。所以在用无线传感器对感知对象进行数据的采集时，就必须靠大量的无线传感器节点来实现。除此之外，传感器的每个节点的位置也是比较随机的，正因为这种节点的随机性，就会造成当节点之间有障碍物时，节点之间的无线通信就很容易受到干扰，最终影响到无线传感器对对象数据的采集工作。
2.2无线传感器网络拓扑结构极易发生改变
为了使无线传感器有节能的功能，无线传感器的节点可以在工作和休眠两种状态进行切换。在许多的现实无线传感器的应用当中，传感器的节点处在休眠的状态，当被采集对象的环境发生变化时，传感器的网络拓扑结构就很容易发生改变，最终影响到采集、传输工作。
三、无线传感器网络中的多信道MAC协议问题
多信道的MAC协议可以让无线传感器的节点分布在不同的信道中。这在很大程度上解决了节点在单个信道协议中竞争比较大的问题，当然，因为无线传感器的节点的分布是比较随机的，当大量的节点同时存在MAC协议中的同一信道中，就会造成更严重的节点竞争问题。除了节点存在竞争的问题，节点还会出现消失的问题，也就是说传感器节点在对数据进行传输时要摆脱原来的信道，无形的节点原来所在的信道就消失了。
此外，在节点通信的过程中，节点之间的竞争也会出现不公平现象，比如当两个节点在同一信道时发生重复，就会造成两个节点的竞争，然而这种竞争是不公平的，往往是周期较早的节点胜出。
四、无线传感器网络的多信道广播
无线传感器网络的多信道中的MAC的协议有非常多的优点，比如：它的吞吐量是非常大的，并且通信过程中信号非常稳定，不容易受到干扰，还有就是其在通信的时候消耗的能量是比较小的。正是因为这些优点使得多信道MAC协议别迅速的应用到许多的领域。但是，多信道MAC协议也有缺点，例如：广播支持上面的问题。
4.1广播通信存在的一些问题
广播通信是大家所熟知的一种得到非常广泛应用的通信形式，它也广泛的应用到了无线传感器网络中。当无线通信是单信道的时候，就会使得无线传感器的节点因为处在同一个信道中，再加上无线电波的广播的特点最终实现广播的传达和接收工作。然而当无线通信是多信道的时候，因为节点的节能特点导致各个节点的工作时间不一样，这也就造成了许多的传感器节点是休眠的，这样的情况就会导致信息不能正常的进行传送，广播通信也会受到影响。
所以为了解决这些问题，可以通过提出相应的解决方法进行解决。①为了使广播通信的覆盖率得到提升，而且不会造成因此而带来的高耗能，可以对节点进行转接；②对于节点的转播问题，可以通过对其引起的广播冗余问题进行研究解决来改善；③在对于广播的通信延迟问题而出现的网络故障就应该对传感器节点的转播次数进行相应的控制。
4.2分布式树形广播协议
这种协议可以很好的解决前面所提到的问题，它主要对广播训练包进行发送，在其对广播训练包发送的同时加上无线传感器形成广播树形，然后在经过这些广播数对节点广播包进行传送，这样一来就会使得广播通信的覆盖率和效率得到很大程度的提升，通信的延迟情况也不会出现了。这种协议可以适应多变的环境，而且拓展性非常强，除此之外，它还可以防止因为无线网络出现问题造成的节点结构形变问题，最终使得通信功能能够正常使用。
参 考 文 献
[1]张德升.李金宝.郭龙江等.基于多信道预约的传感器网络 MAC 协议研究[J].通信学报.2011，32（4）：126～137
[2]汪志伟 .曹建福.郑辑光等.一种面向分簇无线传感器网络的多信道跨层协议[J].西安交通大学学报.2013.47（6）：61～67
传感器网络技术论文 篇7
煤炭开采主要是地下作业,井下处理灾害的能力受限并且矿井环境复杂多变,因此有效监控煤矿环境参数并有效预警是保障煤矿安全生产的有力措施。我国矿井重大事故中70%以上是瓦斯事故,所以矿井环境参数监测的重点是瓦斯浓度检测,除此之外还包括煤尘浓度,CO,NO,SO2,H2S,NH3有害或易燃气体浓度,风速,风压等参数的监测。由于煤炭井下各种大型电气设备产生较恶劣的电磁噪声污染,并且煤矿环境下要求各电气设备符合本质安全防爆特性,所以矿井环境监测智能设备之间的通信网络必须具有强抗干扰能力、具有本质安全防爆特性。目前工控场合广泛使用的网络是现场总线式网络,本文研究采用矿用屏蔽双绞线作为传输媒介的HART协议网络[1]。
1 传感器网络总体设计
根据煤炭开采井下作业的地理分布特点,煤矿环境参数监测传感器网络三层拓扑结构如图1所示。地面中心计算机是系统结构的最顶层,完成煤矿环境参数的最终汇集、分析、预警工作。中心计算机通过工业高速以太网连接井下各个开采通道的监测计算机。位于拓扑结构中间层的监测计算机通过HART协议总线网络连接自己所在开采矿道的传感器节点。各类智能型传感器节点位于拓扑结构的最底层,完成包括瓦斯浓度、煤尘浓度、CO浓度等环境参数的监测工作[2]。
可寻址传感器数据通路HART协议(Highway Addressable Remote Transducer)是具有代表性和普遍性的一种既支持新型智能仪表的数字信号又兼容传统的模拟信号的过渡期协议。如图1所示的电流环路采用矿用屏蔽双绞线作为介质,信号传输距离可以达到2 000 m。拓扑结构第三层的传感器将环境参数实时测量后通过HART协议总线网络反馈给第二层的井下监测计算机,经过初步加工处理后通过工业以太网传递给第一层的地面中心计算机完成数据汇总、分析和煤矿安全预警计算。
本文主要研究传感器网络采用的HART协议总线网络设计方法。HART协议参考了ISO/OSI七层模型,采用它的简化三层模型结构,包括第一层物理层,第二层数据链路层和第七层应用层。物理层规定了信号的传输方法,信号电平;数据链路层规定HART协议帧的格式;应用层规定HART命令集。在图1中描述的HART网络结构位于监测计算机侧的HART接口结构和位于传感器侧的接口结构是类似的,下文对位于监测计算机侧的HART接口结构进行详细设计。
2 物理层设计
煤矿井下监测计算机HART协议通信系统由主机和从机两部分组成。主机是由监测计算机实现,主要任务是完成人机界面接口,即选择HART功能命令和显示HART应答数据。从机是由嵌入式微处理器实现,完成对HART调制解调器的操作,实现发送命令由数字信号调制成音频信号和接收的组态响应由音频信号解调成数字信号。主机与从机之间通过USB总线通信。从机的电路由USB通信模块、嵌入式微处理器模块、HART调制解调器模块、显示模块组成。
2.1 USB通信模块设计
USB串行通信模块采用PL2303芯片,用于实现USB和标准RS 232串行端口之间的转换。PL2303模块外围电路的晶体振荡器频率是12 MHz。RXD和TXD分别是异步串行接口的接收和发送引脚,用来完成与嵌入式处理器的通信。DP和DM引脚分别连接USB母座接口的D+引脚和D-引脚,完成与主控机监测计算机的通信。
2.2 嵌入式微处理器模块设计
HART接口控制核心采用Xilinx公司推出的低功耗、高性能的Zynq-7000全可编程系列芯片XC7Z20-1CLG400。芯片由双核ARM Cortex-A9 CPU和FPGA可编程逻辑组成。此芯片既继承了ARM处理器优异的软件编程能力,也继承了FPGA强大的硬件可编程能力[3]。
首先,芯片ARM系统提供的GPIO端口工作在MIO模式,完成控制HART调制解调模块发送和接收状态的切换;ARM系统提供的两个UART控制器,其中一个完成与调制解调模块的数据通信,另一个完成与USB模块的通信。其次,芯片FPGA可编程逻辑实现自定义的硬件VGA的IP核,提供HART接口的数据显示功能。
2.3 HART调制解调器模块设计
在HART模块选用A5191HRT芯片,该芯片适用于符合HART协议现场仪表和主控设备的CMOS调制解调器。HART模块使用较少的外围元件就可以满足HART协议物理层的规定,实现调制模块、解调模块、接收滤波模块、载波检测模块和发送信号整形模块。HART模块采用半双工的1 200 b/s频移键控FSK调制方式。
如图2所示,HART模块由A5191HRT U1、电压跟随器U2和电子开关U3组成,U2电压跟随器用来提高A5191HRT的OTXA引脚输出音频信号的负载能力;HART模块的接收信道和发送信道共用图中的HART节点,由于发送信道的输入阻抗低,因此在HART模块接收音频信号时使用电子开关U3增加发送信道的输入阻抗[4]。
当芯片U1的INRTS引脚处于高电平、电子开关U3断开时,模块处于接收状态从而信号被解调,OCD载波检测信号引脚通知微处理器有解调数字信号生成,微处理器从ORXD引脚读入数字信号。当INRTS引脚处于低电平、电子开关U3闭合时,模块处于发送状态,微处理器将待转化信号从ITXD引脚送入HART模块。
3 数据链路层设计
在数据链路层具有完整逻辑意义的几个基本数据单位组成的数据帧按照数据流向可分为:由主控设备PC机传向现场从设备传感器的主从数据帧或命令帧,由传感器反馈给PC机的主从数据帧或应答帧。主从数据帧格式包括先导字符、分界符字节、地址字段、命令字段、计数字段、数据字段、校验字段。
4 应用层设计
HART网络系统顶层属于应用层设计,由运行在井下监测计算机上Visual Basic语言设计的应用软件实现。这个应用软件由两个功能模块组成,包括连接传感器节点控制模块和读取传感器当前各项工作参数模块。
在连接传感器控制模块中实现了两项功能:完成检测计算机与本地HART接口的连接;发送HART协议0号命令读取传感器设备类型代码、版本、设备标识码。检测计算机与本地HART接口的连接使用Visual Basic语言中的MSComm控件进行设计,代码如下:
发送的HART协议0号命令帧格式:先导字符5个&HFF、分界符字节&H02、地址字段&H80、命令字段&H00、计数字段&H00、校验字段[5]。
5 结语
本文设计了完整的煤矿环境参数监测传感器网络系统,其中HART协议传感器系统已经取得实用新型专利CN204790453U。开发生产的HART接口物理设备在带有HART协议智能阀门定位器的用户现场已稳定运行大约两年的时间。系统通信数据准确,工作稳定可靠。
参考文献
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[2]马纳吉,马安昌.基于DSP的煤矿数字监测系统的设计[J].煤炭技术,2015,34(8):265-266.
[3]莫灼宇.煤矿井下环境参数远程监控系统中嵌入式Web Server的应用[J].煤炭技术,2014,33(2):163-165.
[4]李丹,许薇.一种便携式HART分析仪平台:中国,CN204790453U[P].2015-11-18.
[5]赵亮.煤矿在用安全监控在线达标监测系统设计[J].煤炭技术,2015,34(8):213-215.
传感器网络技术论文 篇8
智能地雷是具有广域、自动寻找目标的第三代地雷,与传统地雷相比,它结合了传感器探测技术、无源定位技术、自寻的技术,通过传感器采集的信号区分目标类型,并对目标进行精确定位后主动实施攻击,即能够主动、准确地探测跟踪目标并实施攻击。国外从二十世纪六、七十年代投入大量的人力物力进行研究,如:美国AHM 反直升机地雷、法国的Mazac声控反坦克地雷。随着无线传感器网络在军事领域的应用,为自动布设的智能地雷系统组网提供了技术基础。
无线传感器网络节点可以通过飞机布撒或人工布置 等方式,大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络,以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息。对无线传感器网络来说,其网络体系由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术三部分组成。本文重点研究的是自动布设的智能地雷组成的网络化智能雷场系统的方案和传感器网络的构建、自定位、自组织等关键技术。
1 系统工作原理
智能地雷用于反击武装直升机和坦克这些进攻性武器,可以人工布设,同时也借助于飞机或火箭进行自动布撒,从而封锁士兵无法深入战区军事项目。自动布撒地雷日益成为布设的发展趋势,不仅可以快速布设,而且可以对雷场的布设进行控制。另外就是智能化程度更高,自动布设后,自动组成智能网络,自动探测、识别并实现对目标的攻击与毁伤,具有协同作战的能力。操作人员与地雷之间,地雷与地雷之间可进行通信,以实现对雷场的计划、管理和使用,从而大幅度提高雷场的效能。
智能地雷系统主要包括传感探测系统、通信/定位系统、主控系统、战斗部导向系统、战斗部等部分组成,如图1所示。
系统的工作过程如下:当地雷利用火箭或飞机空投自动布撒到所需地域,触地后接通地雷电源,首先通信/定位分系统开始工作,由于是自动布设,每组内部地雷节点的位置不能预先精确设定,节点之间的相互邻居关系预先也不知道。因此首先要构建无线传感器网络,建立网络同步,发现网络拓扑,进行网络节点定位等,自动形成无线网络系统。通过先进的联网技术,雷场的地雷在十秒级时间建立一个无线传感器网络与时间同步,同时通过自含的测时定位机制确定各地雷相对位置及其坐标系,进入“值守”状态;当有目标“入侵”激励时,各节点微音器地震头按同步顺序发送本节点采集的地面空中目标信号,并接收场内其它地雷采集的数据,实现整个雷场地雷状态信息和传感器信息交换,对目标进行检测、测向定位并分类识别及航迹跟踪,做出决策判断,引导地雷战斗部随动瞄准并打击。同时自动监测网络自身“健康”状态与对破坏地雷的行人/车辆发起攻击。
探测与识别系统采用了高技术传感器,具有全天候工作能力。当前应用最多的是声、震动、红外、激光、雷达技术以及声震动、声红外复合体制等,对反直升机地雷可以通过声传感器、震动传感器和信号处理器探寻直升机螺旋桨叶片的独特声响,并能分辨直升机的类型,实现对目标的探测、识别。同时分析和提取侦听的目标声音、地震辐射信号的时域、频域特征,并与本地存贮的各类目标特征库数据比较,对目标的属性和类型进行识别分类,区分敌我目标。在目标识别的基础上,基于随机分布式传感器网络的测向定位机制与简单快速算法,即在节点自定位和网络拓扑结构己知条件下,依据算法简单的目标定位机制,选择优化算法,首先实现目标当前瞬间的定位,然后将相继瞬间测定的目标位置集成并与目标动态模型进行拟合(即称为跟踪),预报目标未来位置等,要求对目标定位跟踪满足火控要求的定位精度和响应速度(即实时性),完成定位跟踪任务。
战斗部根据目标的定位选择对应的攻击方位,同时随动系统能够及时可靠地响应,战斗部及时随动到目标所对应的方位,实现对目标的最佳方位攻击。当攻击坦克目标时,一般采用末敏弹技术进行二次爆炸。对直升机目标作战,采用自锻破片或预制破片束直接攻击目标,从而阻止直升机目标超低空飞行,迫使其进入防空火力范围。
2 雷场的组网技术
2.1 网络拓扑结构发现/构建流程
网络拓扑结构发现/构建流程采用WLAN的CSMA/CA协议,采用侦听CSMA信道,使用RTS/CTS握手来避免冲突(CA),其流程图如图2所示。
当地雷布设就位,触地后接通地雷电源,通信/定位分系统首先进入接收状态,侦听有无其他地雷发射的信号。当收到信号时首先进行抗干扰处理,排除虚假信号。如果是虚假信号,重新进入接收侦听的过程;如果经判断是其它地雷发射的真实信号,则进入接收/同步过程。自动将自己的时钟同步到发射地雷的时钟上,并发出应答信号,请求分配时隙。当握手成功后,启动测距/定位程序。
如果没有侦听到其他地雷发射的信号,该地雷发射RTS信号,争用信道,并进行冲突检测,如果检测到与其它地雷的发射冲突,进入接收/侦听状态,重复上述过程。如果不存在冲突,并收到了应答CTS信号,表示握手成功,进入测距/定位程序。构建相对坐标系,形成系统的拓扑结构。
在建立地雷网络的拓扑结构的过程上,各地雷自然建立了时间同步系统,依次按序号选择时隙作为自己的发射时隙。地雷场的各个地雷组网使用时分制,网内的各个用户都分到发射时隙,它利用这些时隙播发或中继信息,网内所有用户都在其不发射的时隙进行收听。然后通信/定位分系统进入值守状态,同时启动传感器分系统开机值守。当有目标出现时,各传感器计算出目标的方位和距离,按时隙交换传感器采集的信息,并进行协同处理,选择距离目标最近的地雷,引导地雷战斗部随动瞄准并打击目标。
2.2 网络的定位技术
由于地雷的布设是随机进行的,在建立全网拓扑结构中一个关键的问题是解决地雷节点的测距和定位,通过距离和方位的测定,才能确定各个地雷的相对位置,构建其网络拓扑结构(几何布局),形成定位坐标系。定位的方法分为地雷节点是否需要定向2种情况来考虑。
2.2.1 地雷节点不需要定向时的测距定位方案
地雷节点不需要定向时,此时只需要测定地雷之间的距离r,可采用在地雷节点处安装一个天线,采用双频f1、f2,距离r=Nλ1+φ1=Nλ2+φ2,通过测量φ1,φ2,确定
2.2.2 地雷节点需要定向时的测距定位方案
当地雷节点需要定向时,定位方案采用干涉仪测向的原理,通过测量单元天线之间的相位差,进行方位的测量。利用4通道干涉仪既可以确定信号在天线面的到达角,也可以确定信号在俯仰上的到达角。每个地雷上安装4个单元天线,由4个单元天线建立了2条基线,一个代表一个天线对。图3给出了这种天线布局的几何结构图。R表示天线阵的半径,信号s(t)到达的方位角为ϕ、在相对天线阵平面的垂直面信号到达角(天顶角)为α,信号频率为f=c/λ,天线阵元数N=4,设R<λ/4。
信号从单元天线“0”到单元天线“2”之间传输的相位差为:
信号从单元天线“1”到单元天线“3”传输的相位差是:
经推导得:
按照上述干涉仪测向的方法,可测定各个地雷的方位角和到达角,即可确定地雷的方向。
再利用双曲线相交定位的方法便可确定地雷之间的距离,从而确定各自位置和定位坐标系。
定位技术采用在2个或多个位置测量到达时间或到达时间差,用来计算辐射源的位置。定位系统通常并不在信号频率工作,信号频率一般被变换到中频,相位和时间测量在转换过的中频信号上进行。忽略噪声和其它误差影响,变换后的中频信号和射频信号包含同样的信息,仅仅是在载频上降低了。
3 结束语
在自动布设的智能雷场中,地雷场内的各个地雷节点应具有自组网的能力。本文利用无线传感器网络组网技术,通过自含的测时定位机制,进行各地雷的网络拓扑关系建立和相对位置测量,确定各地雷相对坐标系,构建了地雷自组织网络。然后按同步顺序场内各地雷交换采集的数据,通过分析传感器采集到的数据,完成目标的检测、测向定位和分类识别,得到准确的目标方位,为战斗部提供精确的制导。通过多传感器协同,确定距离目标较近的地雷进行攻击,并引导该地雷战斗部随动瞄准,最终完成打击目标的任务。
摘要：智能地雷是现代新概念弹药,其关键技术是声/震传感器阵列探测及组网通信技术。本文根据自动布设的智能地雷系统的作战使用方式,详细描述了智能地雷的工作原理和工作过程,细划地雷系统的组成部分及其功能。并基于无线传感器网络技术(WSN)提出了一种网络化智能雷场系统方案及其无线传感器网络构建、自定位、自组织等关键技术的解决方案,据此可构建地雷场的自组织网络。该方案具有通信定位组网一体化设计,集成度高、工程实现简洁的特点。
关键词：智能地雷,无线传感器网络,时间同步,无源定位
参考文献
[1]ROLADER G.Self-healting Minefield,Bellingham[M].WA:SPIE,2004:13-24.
[2]胡来招.无源定位[M].北京:国防工业出版社,2004:80-94.
[3]谢俊杰.毫米波探测技术在智能地雷中的应用[J].制导与引信,2006,27(2):56-60.
无线传感器网络安全技术 篇9
1 无线传感器网络概述
无线传感器网络是一种以大量的外部传感器作为末梢的分布传感网络, 这些传感器可以以无线的方式进行外部通信。由于网络灵活性非常高, 而且三次元涵盖面极广, 所以被认为在军事上有很大的发展潜力, 近些年来更进一步进行了大量的民用应用研究。但民间的技术力毕竟与军方有一定的差距, 所以无线传感器网络在民用领域的应用推广面临了一系列的困难, 安全技术问题正是其中一例。
2 无线传感器网络在安全上的技术问题
2.1 安全机制缺失问题
虽然无线传感器网络近些年的民用发展很快, 但从总体水平来看仍远不及普通网络, 在诸多方面都存在着一定的局限性, 比如后文将要说明的节点能量、通信稳定性等。在这种情况下, 很难系统性地构建完整的安全防护机制, 因此目前的安全措施大多是分散的、阶段性的, 只针对无线传感器网络中的个别节点, 所以不仅漏洞很多, 而且有效性也难以保障, 安全隐患扩散的几率相当高。
2.2 节点能量限制问题
无线传感器的网络节点通常具有小型化、广域化特征, 所以一旦部署完毕, 不仅难以更换, 而且充电也很困难。可另一方面, 无线网络设备中有相当一部分属于高能耗设备, 对能量的需求量非常大, 这样一来容量小、充电困难的网络节点很难满足长效的能量需求。这种能量限制不仅会阻碍无线传感器网络通讯功能的进一步发展, 而且会对安全技术的应用造成一定的负面影响。因为目前常用的安全算法中, 有相当一部分会消耗大量的能量, 在节点能量的限制下, 这些安全算法无法使用, 需要研究新的节能型安全算法。
2.3 节点组织随机问题
无线传感器网络的构成基础是大量成规模的传感器, 这些传感器的布置往往存在很强的自发性, 而不是根据系统化、规范化的章程制度加以布置, 在这种情况下, 节点组织在布置上的随机性无法避免。这种随机性令安全技术在应用上面临很大的困难, 因为节点位置随机, 所以无法进行先期预知, 先期安全防护自然无法实现, 导致了节点安全防护的滞后性。
2.4 节点物理安全问题
由于节点较小, 所以在无线传感器网络中时常会产生被俘节点, 这是一种物理安全问题。为了保证网络整体的运作效率, 当被俘节点产生时, 有必要迅速对其进行检测和拆除, 否则被俘节点造成的安全隐患有进一步扩大化的可能。但目前来看, 我们仍缺乏第一时间发现和拆除被俘节点的有效手段, 而且拆除被俘节点这个行为本身也有可能令安全隐患发生扩散。
2.5 通信稳定低下问题
使用无线传感器网络实现的通信属于一种无线通信, 所以本身就具有无线通信固有的诸多通信不稳定特征, 比如无线信道不稳、节点并发冲突等。此外, 这种特殊的网络还具有自身独有的一些通信稳定性问题, 例如, 由于该类网络中多条路由同时存在, 所以延迟性很强, 在传输信息时, 个别信息被拦截或者泄漏的可能性很高, 在这种情况下, 网络通信的安全性与稳定性都受到很大的负面影响。
3 无线传感器网络在安全上的技术措施
3.1 通过密码技术保障网络安全
在无线传感器网络的安全保障措施中, 密码技术是较为传统也较为常规的一种。这种技术通过建立密钥来构成网络安全机制, 通常情况下代码和数据的长度越长, 防护等级越高, 但这两项参数的长度增加会导致处理时间延长、能耗增大, 进而令无线传感器网络的运作能效降低, 所以在实际应用时要注意网络的基础条件, 平衡安全防护能力和实际应用性。
3.2 通过安全路由保障网络安全
通常情况下, 路由只追求效率和能耗两大指标, 对安全防护方面的要求比较低, 在普通网络中, 路由安全问题相对较少, 但无线传感器网络由于具有多路由延迟, 所以路由安全风险非常高。为此, 安全路由技术被作为一种网络安全保障措施引入, 具体来说, 就是应用多种安全路由协议对多路径下的路由风险进行防范或者危害限制。
3.3 通过密钥管理保障网络安全
密钥管理是另一种网络安全保障技术, 严格来说, 这种安全技术是从属于密码技术的, 是对密码技术中所创立的密钥采取的安全管理措施。需要注意的是, 虽然普通网络已经有了较为完善的密钥管理技术, 但是在网络拓扑严重不稳定的无线传感器网络中, 这种传统技术的应用适性很低, 所以目前使用的大多是针对无线传感器网络特征开发的特殊密钥管理技术, 比如预共享密钥模型等。
3.4 通过入侵检测保障网络安全
以密码技术为基础构建的安全防护机制有一定的缺陷, 具体来说, 虽然可以对外来节点入侵加以识别, 但对被捕获节点的入侵识别是做不到的。为此, 相关人士研究了入侵监测技术, 尝试通过SEF机制来识别网络中的虚假数据, 用邻接节点评价机制来识别恶意节点。这两种入侵检测技术可以通过密码以外的技术进行被俘节点的检测, 但相对的需要消耗更多的能量, 所以在应用上仍待完善。
3.5 通过数据融合保障网络安全
无线传感器网络中的数据大多是融合后使用的, 但由于聚合数据中有可能存在虚假数据, 所以最终融合值的安全性难以保障, 在这种情况下我们需要安全融合措施。具体来说, 一方面要借助上文所述的入侵检测技术分析和识别恶意节点, 另一方面要订立安全评估用的数学框架, 以对数据融合过程进行安全评价, 规避恶意数据的干扰。
4 结语
总体来说, 无线传感器网络目前的安全技术研究比较繁杂, 各种技术理论和安全应用策略层出不穷, 这些安全技术的应用适性和应用条件各有差异, 在实际应用时应结合网络的实际情况选择适性最高的技术进行应用发展。需要注意的是, 从目前的技术水平来看, 无线传感器网络的硬件功能不够完善, 这是目前导致各项安全问题与应用能效低下的最根本原因。文章所提出的诸多措施虽然能在现有技术层面上提高无线传感器网络的安全性, 但能效依然是比较有限的, 只要硬件功能不改善, 各项安全隐患就依然存在。因此, 尽快针对无线传感器网络的硬件进行优化, 开发出高强度、高容量、低能耗的网络元件, 才是提高网络安全水平与运作能效的根本性措施。
参考文献
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[3]陆四维.WIMax网络及其部署规划分析[J].电信快报, 2008 (9) .
[4]沈玉龙.无线传感器网络数据传输机安全技术研究[J].西安电子科技大学, 2010 (12) .
无线传感器网络路由技术研究 篇10
无线传感器网络是一种新型网络技术, 在环境检测、医疗系统以及智能探测等领域具有广泛的应用前景, 它是由大量分布的节点组成的多跳网, 每个节点具有一个或多个传感器, 嵌入式的处理器, 低功耗的射频收发设备, 以及供应能量的电池, 与传统无线网络的最大区别在于其网内各个节点共同协作来执行一个任务。
针对无线传感器网络, 一个好的MAC协议, 需要考虑到以下的因素。首先是能量效率, 传感器节点是靠电池供应能量的, 而无线传感器网络有可能工作在比较偏远, 甚至危险的环境中, 通常是很难给传感器节点替换电池或是给它们的电池充电的;其次是可扩展性, 针对网络规模、节点浓度、拓扑结构的变化, 网络应该是可自适应的。
1 无线传感器网络体系结构及其对路由技术的要求
无线传感器网络体系结构如图1所示。它由三个主要部分组成:传感节点, 终端节点和观察对象。传感节点散布在观察区域内采集与观察对象相关的数据, 并将协同处理后的数据传送到Sink。Sink可以通过Internet或通信卫星实现传感器网络与任务管理节点通信。
评价一个无线传感器网络的路由设计是否成功, 往往采用如下的性能标准:
(1) 能源有效性/生命周期:能源有效性是传感器网络设计中要考虑的重要因素。尽可能降低能源消耗, 从而延长网络生命周期, 是我们设计的首要目标。
(2) 可靠性/容错性:传感节点容易因为能源耗尽或环境干扰而失效。部分传感节点的失效不应影响整个网络的任务。
(3) 可扩展性:在一些应用中可能需要成百上千的传感节点, 路由设计应能满足大量节点协作。
(4) 时延性:传感器网络的延迟时间是指观察者发出请求到收到应答信息所需时间。我们必须尽可能减少时延。
2 现有路由技术的分类
路由技术可以大致分为四类:洪泛式路由协议, 层次式路由协议, 以数据为中心的路由协议, 以及基于位置信息的路由协议。
(1) 洪泛式路由协议:这种协议是一种古老的协议。它不需要维护网络的拓扑结构和路由计算, 接收到消息的节点以广播形式转发数据包给所有的邻节点。对于自组织的传感器网络, 洪泛式路由是一种较直接的实现方法, 但容易带来消息的“内爆” (implosion) 和“重叠” (overlap) , 而且它没有考虑能源方面的限制, 具有“资源盲点” (resource blindness) 的缺点。
(2) 层次式路由协议:它的基本思想是将传感节点分簇, 簇内通讯由簇头节点来完成, 簇头节点进行数据聚集和合成减少传输信息量, 最后簇头节点把聚集的数据传送给终端节点。这种方式能满足传感器网络的可扩展性, 有效的维持传感节点的能量消耗, 从而延长网络生命周期。
(3) 以数据为中心的路由协议:它提出对传感器网络中的数据用特定的描述方式命名, 数据传送基于数据查询并依赖数据命名, 所有的数据通信都限制局部范围内。这种方式的通信不再依赖特定的节点, 而是依赖于网络中的数据, 从而减少了网络中大量传送的重复冗余数据, 降低了不必要的开销, 从而延长网络生命周期。
(4) 基于位置信息的路由协议:它利用节点的位置信息, 把查询或者数据转发给需要的地域, 从而缩减数据的传送范围。实际上许多传感器网络的路由协议都假设节点的位置信息为已知, 所以可以方便的利用节点的位置信息将节点分为不同的域 (region) 。基于域进行数据传送能缩减传送范围缓和中间节点, 从而延长网络生命周期。
3 典型路由协议的分析
目前, 无线传感器网络的研究基本上都是以节能为首要优化目标的。要想达到节能的目的, 最直接的想法就是对候选路径的能耗做出估计, 并根据一定的策略选择最佳路由。如图2所示, 可选的链路参数有两个:节点上的数字表示其剩余能量, 而链路上的数字表示传输单位报文所消耗的能量。
有了这两个参数, 我们就可以对路径的能耗特性做出多种不同的度量, 对应这些度量, 采用不同的策略就可以得到不同类型的能量敏感路由方法。
最大剩余能量路径优先:选取所包含节点的剩余能量之和最大的路径。该方法的优点是尽量利用剩余能量高的节点中继数据, 有利于网络能耗均衡。
最小功耗路径优先:选取所包含的链路功耗之和最小的路径。其优点是单位报文的传输耗能最小。
剩余能量最小节点、能量最高路径优先:选取所包含的剩余能量最小节点能量最高的路径。这是对最大剩余能量优先方法的改进, 它考虑的对象是路径上剩余能量最小的节点。该方法的优点是尽可能不选取存在能量瓶颈的路径, 以避免处在瓶颈位置的节点生存时间过短。
以上三种方法的共同点是对路径进行能耗属性的度量, 进而根据不同的策略选择最优路由。
4 结束语
本文对近年来针对于无线传感器网络提出的路由技术进行了研究, 并根据它们的实现方法将它们分为四个主要类别:洪泛式路由协议, 层次式路由协议, 以数据为中心的路由协议, 以及基于位置信息的路由协议。
目前无线传感器网络路由技术都假定传感节点和终端节点是静态的, 但是在战场环境侦查等应用中可能需要节点可移动, 因此新的路由算法需要在考虑能源有效性的前提下提供对节点移动的支持。
在一些应用中, 需要将传感节点收集的信息传送到任务管理节点, 又或者需要将任务管理节点对数据的查询信息传送到传感节点, 因此将传感器网络和外部网络 (Internet) 结合在一起的路由技术也是未来研究的新方向。
摘要：本文介绍了无线传感器网络的体系结构及其相关问题, 对近年来针对无线传感器网络提出的路由技术进行了研究, 对其中几种典型路由技术进行了分析, 最后展望了无线传感器网络路由技术未来的研究方向。
关键词：无线传感器网络,路由技术,网络体系结构
参考文献
[1]Lakshminarayanan Subramanian.Randy H.Katz.An architec-ture for building self-configurable system.Mobile and Ad Hoc Networking and Computing.2000.MobiHOC. 2000 First Annual Workshop on.11 Aug.2000.
多传感器信息融合技术探析 篇11
关键词：多传感器系统；信息融合；功能模型；发展趋势
中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2012) 01-0000-02
Analysis of Multi-sensor Information Fusion Technology
Tan Lin
(Military Command Information of the Department of Shandong Province,Jinan250099,China)
Abstract:Multi-sensor information fusion is a multidisciplinary involving signal processing,information theory,artificial intelligence,fuzzy mathematics theory has been widely used in military and civilian fields.This paper introduces the concept of multi-sensor information fusion,describes the functional model of multi-sensor information fusion,methods and applications,and their development trends are analyzed.
Keywords:Multi-sensor system;Information fusion;Functional model;Development trends
一、概念
多传感器信息融合，又称多源信息融合，是用于包含多个或多类传感器或信息源的系统的一种信息处理方法。目前，关于多传感器信息融合的定义有多种描述方式，其中，应用比较典型且应用比较广泛的是Walz和JDL的定义。Walz将其定义为通过对多个传感器产生的数据或信息进行检测、组合估计、关联等多级操作，从而得到关于观测环境或目标的精确状态、身份估计以及完整、及时的态势评估的过程。JDL将其定义为对多源数据或信息进行关联组合，以估计或预测观测环境或目标相关状态的过程。无论怎样定义，基本原理都是充分利用多源系统中各信息源所提供的信息的不同特征，按照某种优化准则，将这些互补冗余的信息进行重新组合、关联，从而产生对观测目标或环境的一致性解释和描述。多传感器信息融合通过对各种分离的观测信息进行优化组合，从而导出更多的有效信息，以达到利用多个信源协同工作的优势来系统整体效能的最终目的。
二、功能模型和主要方法
（一）功能模型
根据输入信息的抽象层次，多传感器信息融合可以分为信源、预处理、检测级融合、位置级融合、目标识别融合（特征级融合）、状态级融合（态势估计）、威胁估计和精细处理。如下图所示。
1.信源主要有红外、雷达、ESM、声纳、敌我识别器、通信情报、电子情报、侦察情报等。
2.信源预处理，是指根据信息特征和属性、传感器种类、观测时间等各种基本信息，对多源信息进行分选、误差补偿、过程分配、像素级或信号级数据关联等。主要目的是降低系统需要处理的数据量，避免系统过载，提高系统性能。
3.检测级融合是第一级融合，属于信号处理级的融合。它根据预先设定的检测准则形成最优化检测门限，从而产生最终的检测输出。其结构主要有五种：分散式结构、树状结构、串行结构、并行结构和带反馈的并行结构。
4.位置级融合是第二级融合，它通过综合来自多传感器的关于同一观测目标的时间和空间等信息，建立该观测目标的航迹，并得出观测目标的行进速度和位置等信息，主要包括空间融合、时间融合和时空融合。具体过程主要有数据校准、数据关联、目标跟踪、状态估计、航迹关联、估计融合等。其结构主要有集中式结构、分布式结构、混合式结构和多级式结构。
5.目标识别融合，也叫属性分类或身份估计，属于第三级融合，是指通过组合来自多个传感器的关于观测目标的识别属性或数据，得到关于观测目标身份的联合估计。根据融合时所应用的关于观测目标的信息层次，该级融合可以分为数据级融合、特征级融合和决策级融合三种方法。
6.态势估计，属于第四级融合，他通过对战斗力量部署及其变化情况进行评价，估计敌方兵力结构和部署特点，推断敌方意图，并最终形成战场综合态势图，从而为最优决策提供依据。主要包括：提取进行行为估计要考虑的各要素，为态势推理做准备；分析并确定事件发生的深层次原因；根据以往时刻发生的事件，预测将来时刻可能发生的事件；形成战场态势分析报告和综合态势图，为指挥员提供辅助决策信息。
7.威胁估计，属于第五级融合，它是基于当前态势，包括敌方杀伤能力、行为企图、机动能力和运行模式等各种先验知识，估计出对未来一段时间内敌方威胁、我方薄弱点以及战争行动发生的程度或严重性，并作出相应指示与告警。主要包括：估计潜在事件；判断威胁时机；估计/聚类作战能力；进行多视图评估；预测敌方意图等。
8.精细处理，属于第六级融合，主要包括传感器管理、信源要求、融合控制要求、性能评估和任务管理等。
9.数据库处理，主要包括两种数据库：融合数据库和支持数据库。前者主要包括目标位置数据库、身份数据库、威胁估计数据库、态势估计数据库等，后者主要包括观测数据库、环境数据库、档案任务数据库、技术数据库、算法数据库、条令数据库等。
（二）主要方法
多传感器信息融合的目标是通过对各信源的观测信息进行优化组合，以期得到对观测环境或目标的一致性描述和解释。因此，信息融合面临的一个最基本的问题就是如何处理来自各传感器的信息的多样性、复杂性和不确定性。目前，能够应用于多传感器数据融合的方法可以分为为随机类方法和人工智能方法两大类。随机类方法主要有统计决策理论、D-S证据推理、产生式规则、多贝叶斯估计法、Kalman滤波等；而人工智能类方法主加权平均法、要包括专家系统、人工神经网络、模糊逻辑理论、粗糙集理论等。其中，加权平均法和Kalman滤波融合方法主要应用于动态环境中的低层次数据融合，统计决策理论、贝叶斯估计法、D-S证据推理、模糊逻辑理论主要应用于静态环境中的高层次数据融合，粗糙集理论、产生式规则方法适用于动态或静态环境中的高层次数据融合，而人工神经网络则可以应用于动态或静态环境中的各层次数据融合。
由于各类方法具有互补性，因此，在实际应用中，通常将多种方法组合运用，如粗糙集神经网络方法、模糊神经网络方法等，以提高融合的精度和效率。
三、主要应用和发展趋势
信息融合理论和技术最早起源并应用于军事领域，随后随着该理论和技术的推广，信息融合已被广泛应用于民事和军事领域中。民事应用主要包括：工业过程监视、工业机器人、智能制造系统、遥感、患者照顾系统、船舶避碰与交通管制系统、空中交通管制、智能驾驶系统、网络入侵监测系统、火灾报警、数字旅游、金融信息融合等。军事应用包括从单兵作战、单平台武器系统到战术和战略指挥、控制、通信、监视和侦察等广阔领域，具体应用范围包括：采用多元的自主武器系统和自备式运载器；采用单一武器平台或分布式多源网络系统的广域监视系统；采用多个传感器进行截获、跟踪和指令制导的火控系统；情报收集系统；敌情指示和预警系统；军事力量的指挥和控制站；弹导导弹防御中的BMC3I系统；协同作战能力、网络中心战、C4ISR、地面/海面/空中单一态势图等复杂系统中的应用。
尽管多传感器信息融合技术已经取得了很大的发展，但仍有很多应用需要进一步研究和探索，主要有以下几个方面：（1）复杂环境下信息融合，主要包括复杂环境下的分布检测融合研究、复杂电磁环境下的目标跟踪算法研究、复杂目标运动环境下的多源融合跟踪研究等；（2）无线传感器组网信息融合研究，主要包括机会信息融合问题、传感器优化管理问题等；（3）信号融合理论研究，主要包括稳定信号特征提取和建立、数据融合和信号融合的联和优化问题以及信号的关联性和一致性问题等；（4）图像融合研究，主要包括图像融合评价体系的构建、基于遥感图像融合的三维成像技术研究、图像融合系统的实时处理等；（5）其他内容，如空间信息融合、面向通用知识的融合、信息融合中的智能数据库技术和精细化处理研究等。
参考文献：
[1]何友,王国宏,关欣.信息融合理论及应用[M].北京:电子工业出版社,2010,3
[2]何友,薛培信,王国宏.一种新的信息融合功能模型[J].海军航空工程学院学报,2008,5
[3]丁锋,姜秋喜,张楠.多传感器数据融合发展评述及展望[J].舰船电子对抗,2007,6
[4]杨露菁,耿伯英.多传感器数据融合手册[M].北京:电子工业出版社,2008,5
无线传感器网络相关技术研究 篇12
近年来,随着微机电技术、无线通信技术和数字信息处理技术的飞速发展,集成了感知、计算、通信能力,具有低成本、低功耗、多功能、体积小和短距离无线通信等特点的传感器节点变成现实,由数量不等的无线传感器节点构建的网络,被称为无线传感器网络(WSN)。WSN可以协同工作,实时或长期监测被监测区域内的各种对象数据,并对这些数据进行分布式预处理后传递给最终用户,从而为用户提供直观的观察效果,因此可将其广泛配置于各种不同领域的应用中,如军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等,将对人类生活带来深远的影响,这也使得无线传感器网络技术成为目前在国际范围内备受关注,非常活跃的研究热点领域。
2 无线传感器网络概述
2.1 无线传感器网络的定义
无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点,如图1所示,各节点通过协议自组成一个分布式网络,再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。无线传感器网络操作系统Tiny0S141的研制者,Jason Hill博士把WSN定义为:Sensing+CPU+Radio=Thousands of potential application。
2.2 无线传感器网络的特点
WSN与传统传感器和测控系统相比具有明显的优势。它采用点对点或点对多点的无线连接,大大减少了电缆成本,在传感器节点端即合并了模拟信号/数字信号转换、数字信号处理和网络通信功能,节点具有自检功能,系统性能与可靠性明显提升而成本明显缩减。无线传感器网络具有多种特点。
1)硬件资源有限。WSN节点采用嵌入式处理器和存储器,计算能力和存储能力十分有限。所以,需要解决如何在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理的难题。
2)电源容量有限。为了测量真实世界的具体值,各个节点会密集地分布于待测区域内,每个节点都要储备可供长期使用的能量,或者自己从外汲取能量(太阳能)。
3)无中心。在无线传感器网络中,所有节点构成一个对等式网络,没有预先指定的中心,节点可以随时加入或离开网络,任何节点的故障不会影响整个网络的运行,具有很强的抗毁性。各节点通过分布式算法来相互协调,在无人值守的情况下,节点就能自动组织起一个测量网络。
4)自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施,节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为,节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。
5)多跳路由。WSN节点通信能力有限,覆盖范围只有几十到几百米,节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信,则需要通过中间节点进行路由。WSN中的多跳路由是由普通网络节点完成的。
6)动态拓扑。WSN是一个动态的网络,一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障,退出网络运行,也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化,因此网络应该具有动态拓扑组织功能。
7)节点数量众多,分布密集。WSN节点数量大、分布范围广,难于维护甚至不可维护。因此传感器网络的软、硬件要求有好的健壮性和容错性。
8)传输能力的有限性。无线传感器网络通过无线电波进行数据传输,省去了布线的烦恼,但是相对于有线网络,低带宽是它的缺陷。同时,还存在信号之间相互干扰,信号自身不断衰减的问题。
9)安全性的问题。无线信道、有限的能量,分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此,安全性在网络的设计中至关重要。
3 无线传感器网络关键技术分析
3.1 组网模式
在确定采用无线传感器网络技术进行应用系统设计后,首先面临的问题是采用何种组网模式,主要的组网模式有几下几种。
1)扁平组网模式。所有节点的角色相同,通过相互协作完成数据的交流和汇聚。
2)基于分簇的层次型组网模式。节点分为普通传感节点和用于数据汇聚的簇头节点,传感节点将数据先发送到簇头节点,然后由簇头节点汇聚到后台。
3)网状网(Mesh)模式。Mesh模式在传感器节点形成的网络上增加一层固定无线网络,用来收集传感节点数据,另一方面实现节点之间的信息通信,以及网内融合处理。
4)移动汇聚模式。移动汇聚模式是指使用移动终端收集目标区域的传感数据,并转发到后端服务器。移动汇聚可以提高网络的容量,但数据的传递延迟与移动汇聚节点的轨迹相关,如何控制移动终端轨迹和速率是该模式研究的重要内容。
3.2 拓扑控制
WSN技术中,拓扑控制的目的在于实现网络的连通的同时保证信息的能量高效、可靠的传输。目前主要的拓扑控制技术分为时间控制、空间控制和逻辑控制三种。时间控制通过控制每个节点睡眠、工作的占空比,节点间睡眠起始时间的调度,让节点交替工作,网络拓扑在有限的拓扑结构间切换;空间控制通过控制节点发送功率改变节点的连通区域,使网络呈现不同的连通形态,从而获得控制能耗、提高网络容量的效果;逻辑控制则是通过邻居表将不“理想的”节点排除在外,从而形成更稳固、可靠和强健的拓扑。
3.3 媒体访问控制和链路控制
媒体访问控制(MAC)和链路控制解决无线网络中普遍存在的冲突和丢失问题,根据网络中数据流状态控制临近节点,乃至网络中所有节点的信道访问方式和顺序,达到高效利用网络容量,减低能耗的目的。要实现拓扑控制中的时间和空间控制,WSN MAC层的运行效率直接反应整个网络的能量效率。
复杂环境的短距离无线射频,在其覆盖范围内的过渡临界区宽度与通信距离的比例,较长距离要大得多,更多链路将呈现复杂的不稳定特性,需要在MAC控制中更充分地考虑链路特性。同时,链路特征也是在数据转发和汇聚中需要考虑的重要因素。
3.4 路由、数据转发及跨层设计
WSN网络中的数据流向与Internet相反,在WSN网络中,终端设备是向网络提供信息因此,WSN网络层协议设计有自己的独特要求。由于在WSN网络中对能量效率的苛刻要求,研究人员通常利用MAC层的跨层服务信息来进行转发节点、数据流向的选择。另外,网络在任务发布过程中一般要将任务信息传送给所有的节点,因此设计能量高效的数据分发协议也是在网络层技术研究的重点。网络编码技术是提高网络数据转发效率的一项技术,在分布式存储网络架构中,一份数据往往有不同的代理对其感兴趣,网络编码技术通过有效减少网络中数据包的转发次数,来提高网络容量和效率。
3.5 Qo S保障和可靠性设计
Qo S保障和可靠性设计技术是传感器网络走向可用的关键技术之一。Qo S保障技术包括通信层控制和服务层控制。传感器网络大量的节点如果没有质量控制,将很难完成实时监测环境变化的任务。可靠性设计技术目的则是保证节点和网络在恶劣工作条件下长时间工作。节点计算和通信模块的失效直接导致节点脱离网络,而传感模块的失效则可能导致数据出现岐变,造成网络的误警。如何通过数据检测失效节点也是关键技术研究内容之一。
3.6 移动控制模型
随着WSN组织结构从固定模式向半移动乃至全移动转换,节点的移动控制模型变得越来越重要,当汇聚节点沿着网络边缘移动收集可以最大限度地提高网络生命周期。多种汇聚点移动策略,可根据每轮数据汇聚情况,估计下一轮能够最大延长网络生命期的汇聚点位置。针对事件发生频度自适应移动节点的位置,可使感知节点更多地聚集在使事件经常发生的地方,也可分担事件汇报任务,延长网络寿命。
4 总结
无线传感器网络被认为是影响人类未来生活的重要技术之一,就目前的技术水平来说,让无线传感器网正常运行并大量投入使用,虽然还面临着通信、成本、能量供应和网络结构等很多的问题。但毫无疑问的是无线传感器网络应用前景是非常诱人的,这一新兴技术给人们提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径,同时也给人们提出了很多新的技术上的挑战。
参考文献
[1]孙利民.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.
[2]李晓延.浅谈无线传感器网络[J].今日电子,2006(9):57-59.