无线传感网络

无线传感网络 专业实训 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 姓名:刘星 学号:0093529 专业:电子信息工程 无线传感网络 摘 要: 无线传感网络是计算机、信息处理、嵌入式计算通信和传感技术想融合的产物， 是一种全新 的信息获取和处理技术，它集成了传感器、微机电系统和网络三大技术。 关键词: 无线传感器网络;结构;技术;应用 Wire sensor network Abstract: Wireless sensor network is the product of computer, information processing, embedded computing, communications and the integration of sensor technology, is a new technology for getting and dealing with information, which is integrated with technologies of sensors, Micro-electro-mechanical systems and network. This paper gives the definition of WSN, introduces the development of it in the world and in our nation. Then, it gives the details of the structure and the main technologies of WSN. Last, applications of WSN in some field are introduced. Keywords: WSN; structure; technology; application 1 引言 随着微机电系统、片上系统(SOC,System on Chip)、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速 发展，孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)，并以其低功耗、低成本、分 布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内 大量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。 无线传感器网络是一种特殊的Ad-hoc网络。可应用于布线和电源供给困难的区域、人员 不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域)和一些临时场合(如发生自然 灾害时，固定通信网络被破坏)等。它不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性强等特 点，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域，引起了人们广泛关注 [12] 论研究成果也很多。近年来，国内一些科研院所和高校也开展了无线传感器网络理论和应 用的研究。美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感 器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。 更小、更廉价的低功耗计算设备冲破了传统台式计算机和高性能服务器的 “后PC时代”， 设计模式;网络化的普及带来的计算处理能力是难以估量的;微机电系统 (micro-electro-mechanism system，简称MEMS)的迅速发展奠定了设计和实现片上系统 (system on chip，简称SOC)的基础。以上3方面的高度集成又孕育出了许多新的信息获取和 处理模式，传感器网络就是其中一例。 随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网 络，借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和 地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、 速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象。在通信方式上，虽然可以采用有线、无线、红外 和光等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用，为明确 起见，一般称作无线传感器网络。但也不绝对，Berkeley的Smart Dust因为可以像尘埃一样 悬浮在空中，有效地避免了障碍物的遮挡，因此采用光作为通信介质。 无线传感器网络与传统的无线网络(如WLAN和蜂窝移动电话网络)有着不同的设计目标， 后者在高度移 1 。无线传感器网络 典型工作方式如下:使用飞行器将大量传感器节点(数量从几百到几千个)抛撒到感兴趣区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳路由到达网关。网关(一些文献也称为Sink node)是一个特殊的节点，可以通过Internet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信。也可以利用无人机飞越网络上空，通过网关采集数据。 目前无线传感器网络尚处于研究阶段，为了加快其实用化进程，国外建设了很多演示系统，相关的理 [1] 专业实训论文:无线传感网络 动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，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。从理论上讲，太阳能电池能持久地补给能源，但工程实践中生产这种微型化的电池还有相当的难度。在无线传感器网络的研究初期，人们一度认为成熟的Internet技术加上Ad-hoc路由机制对传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明:传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求。前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。为了适应广泛的应用程序，传统网络的设计遵循着“端到端”的边缘论思想，强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发，对于传感器网络，这未必是一种合理的选择。一些为自组织的Ad-hoc网络设计的协议和算法未必适合传感器网络的特点和应用的要求。节点标识(如地址等)的作用在传感器网络中就显得不是十分重要，因为应用程序不怎么关心单节点上的信息;中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存也显得很有必要。在密集性的传感器网络中，相邻节点间的距离非常短，低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为传感器网络的研究提出了新的技术问题。 器与控制节点的组网，同时具有一定的移动能力和 动态调整能力[12]。 无线传感器网络是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力;无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本;无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落，必将成为下一代互联网的重要组成部分。 2.2 无线传感网络的发展历程 1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向美国国防部远景研究 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 局(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。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境 监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。 第一代传感器网络出现在20世纪70年代，使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络;第二代传感器网络，具有获取多种信息信号的综合能力，采用串，并接口(如RS-232、RS-485)与传感控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络;第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和本世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络;第四代传感器网络正在研究开发，目前成形并大量投入使用的产品还没有出现，用大量的具有多功能多信息信号 2 无线传感网络的概念及现状 2.1 无线传感的概念 无线传感网络(WSN，wireless sensor networks)综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，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，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。WSN以最少的成本和最大的灵活性，连接任何有通信需求的终端设备，采集数据，发送指令。无线传感器网络是把一定数量的传感器或执行单元设备任意分布，在有限时间内，从某一个传感器获知其他传感器的信息。作为无线自组双向通信网络，传感网络能 以最大的灵活性自动完成不规则分布的各种传感 2 专业实训论文:无线传感网络 获取能力的传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。 式, 要么并非多跳通信或者不能构建大规模通信网, 这些网络以提供高水平的服务质量( QoS Quality of Service) 和宽带宽为主要目的。相比较而言WSN 的节点规模则可以多达几千个, 降低能耗是其首要关注问题, 为保证网络的有效性和延长网络寿命, 甚至可以牺牲一些QoS和带宽利用率。 WSN 技术正处在起步阶段, 它的研究内容包括传感器节点配置、网络体系结构、层次划分、时间同步、目标追踪与节点定位、网络拓扑控制与能量利用率、数据为中心的处理和路由、网络的容量与生命周期、冲突信号避免、网络的容错性以及安全性等几个方面。WSN 的研究明显不同于现有的网络体系, 突出表现在以下几点:一、WSN 受到严格的能量限制;二、传感器节点绝大多数是静态的;三、 传感器节点布局的随意性;四、WSN 的设计是针对特定目的,应用领域有限。 WSN 的网络构成: 微机电系统、片上处理系统( System On Chip,简称SOC) 和无线通讯等技术的飞速发展为新一代无线传感器网络技术的发展提供了基础。网络中的节点大致可分为三类: 一般节点采集测试信息; sink( 数据汇集) 节点收集一般节点中的数据并进行存储、处理、上传; 网关节点实现sink 节点与处理中心或其它外部网络的连接。作为网络底层硬件基础的测试节点模型如图1所示, 主要由数据采集、处理、传输和电源四个部分组成。前端由传感器进行监测区域内待测对象的信息采集; 微控单元实现数据的分析处理、存储等功能; 无线传输模块负责短距离节点间互连。WSN 中主要由传感器节点和sink 点构成( 在此sink 点兼有了网关 节点功能) 。 目前国外一些政府、院校和工业等部门针对不同应用需求的研究工作正在紧锣密鼓地开展, 如WINS、S mart Dust、Pico Radio、Mote等传感器节点实例; 国内的一些研究也是近两年在院校中才起步, 大部分工作是应用NS-2、GloMoSim 等软件对设计的网络协议性能进行仿真比较, 在硬件实体设计上还没有新的技术展示。由于传感器网络是一门新兴技术, 国内与国际水平的差距并不很大, 及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究,对整个国家的社会、经济都有重大的战略意义,伴随着能耗等关键问题的解决, 无线传感器网络技术必将广泛应用于军事、工业、民用等众多领域。 2.3 无线传感网络的前沿研究 无线传感器网络是一门新兴的科学技术, 正如当今世界人们利用互联网可以获得大量文字、图像、声音等数字信息, 将数量巨大的传感器组建成网络可使探测感知技术延伸到更广阔的领域。传感器网络是集成传感器、微机电系统( Micro Electro Mechanism System, 简称MEMS) 和网络三大技术而形成的一种全新的信息获取和处理技术, 随着无线通讯技术的飞速发展与广泛应用, 传感测试技术正朝着多功能化、微型化、智能化、网络化、无线化的方向发展。无线传感器网络将成为传感器技术发展的一个趋势。 在无线通讯 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 层出不穷的网络世界, 对无线网络进行划分并建立宏观分类体系将有助于对该领域增强认识, 开展深入研究。目前无线网络可分为两类:其一为有基础设施网, 需要有线连接的固定基站来直接对网络中每一节点进行组织协调, 无线局域网和传统的蜂窝网都属于该类; 另一类为无基础设施网, 即无线Ad hoc 网络, 其中节点采用分布式运行并具有相对独立的路由维护功能。 无线Ad hoc 网络源于七十年代美国军方分组无线网, 随后IEEE 在建立802. 11 标准时, 将分组无线网改称为Ad hoc 网络, 意为“仅为特定目的、情况或场合的”,这类网络的突出特性是具备自组织能力。根据网络中节点是否可移动, 无线Ad ho c 网络又可分为两类: 一类为移动Ad hoc 网络( Mobile Ad hoc Network, 简称MANET ) , 1997 年IETF 成立了MANET 工作组, 旨在对该类型网络的路由算法进行研究和开发; 另一类为无线传感器网络(Wireless Sensor Network, 简称WSN) , 网络拓扑结构固定或变化缓慢, 此类网络试图通过在远控区域布撒大量传感器, 然后由各传感器节点( 简称节点) 自行协调来迅速组建通讯网, 在能量利用率优先考虑原则下进行工作任务划分以获取监视区域信息。 WSN 的突出特性体现在当旧节点失效或新节点加入时网络能够采用自组织方式重新组建, 以调整全局的探测精度, 充分发挥资源优势, 即网络中的各节点除具备数据采集功能外还兼有实现数据转发和多跳的路由功能。 当前众多的无线网络技术, 如Wi-Fi、RFID( 射频识别) 、Blue Teeth 和蜂窝网等, 要么不是自组织方 3 [5] 2.4 国内现状 专业实训论文:无线传感网络 无线传感网络技术是典型的具有交叉学科性质的军民两用战略高技术，可以广泛应用于GF军事、国家安全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域。无线传感器网络(WSNs)是由许许多多功能相同或不同的无线传感器节点组成，每一个传感器节点由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、DC/AC能量转换器)等组成。近期微电子机械加工(MEMS)技术的发展为传感器的微型化提供了可能，微处理技术的发 展促进了传感器的智能化，通过MEMS技术和射频(RF)通信技术的融合促进了无线传感器及其网络的诞生。传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化，正经历着一个从传统传感器(Dumb Sensor)?智能传感器(Smart Sensor)?嵌入式Web传感器的内涵不断丰富的发展过程。 我国现代意义的无线传感网及其应用研究几乎与发达国家同步启动，1999年首次正式出现于中国科学院《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，作为该领域提出的五个重大项目之一。随着知识创新工程试点工作的深入，2001年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感网的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所、中科大等十余个校所，初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展，从2002年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。截至2008年底，中国国家自然基金共支持面上项目111项、重点项目3项;国家“863”重点项目发展计划共支持面上项目30余项，国家重点基础研究发展计划“973”也设立2项与传感器网络直接相关的项目;国家发改委“中国下一代互联网工程项目(CNGI)”也对传感器网络项目进行了连续资助。“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。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3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络研究直接相关。最值得一提的是，中国工业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业 4 化”是专门针对传感器网络技术而设立的。该专项的设立将大大推进WSN网络技术在应用领域的快速发展。2004年9月相关成果在北京进行了大规模外场演示，部分成果已在实际工程系统中使用。国内的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究热潮。清华大学、中国科技大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、南开大学、北京邮电大学、东北大学、西北工业大学、西南交通大学、沈阳理工大学和上海交通大学等单位纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础研究工作。一些企业如中兴通讯公司等单位也加入无线传感器网络研究的行列。 传感网在民用方面，涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、智能家居、环境监控等领域。国内从事传感网应用的大企业目前为数不多，小企业呈现蓬勃发展的势头。北京鼎天软件有限公司，主要从事城市公共安全应急指挥系统建设，已经承担扬州电子政务和扬州应急指挥系统。上海电器科学研究院主要从事智能交通方面的工程，已经承担上海市内、外环智能交通工程。嘉兴中科无线传感网科技有限公司在数字航道、城市应急系统、机场监控等方面有较好的技术背景，相关项目工程正在进行中。沈阳东软、北大青鸟、亿阳信通等企业也传感网应用方面有所涉足，目前主要在电子政务方面，正在向公共安全应急指挥系统进发。 2.5 国际现状 国际上比较有代表性和影响力的无线传感网络实用和研发项目有遥控战场传感器系统(Remote Battlefield Sensor System，简称REMBASS --伦巴斯)、网络中心战(NCW)及灵巧传感器网络(SSW))、智能尘(smart dust)、Intel®Mote、Smart-Its项目、SensIT、SeaWeb、行为习性监控(Habitat Monitoring)项目、英国国家网格等。尤其是今年最新试制成功的低成本美军“狼群”地面无线传感器网络标志着电子战领域技战术的最新突破。俄亥俄州正在开发“沙地直线”(A Line intheSand)无线传感器网络系统。这个系统能够散射电子绊网(tripwires)到任何地方，以侦测运动的高金属含量目标。民用方面，美日等发达国家在 对该技术不断研发的基础上在多领域进行了应用。 英特尔与加利福尼亚州大学伯克利分校正领导着微尘技术的研究工作。他们成功创建了瓶盖大小的全 专业实训论文:无线传感网络 功能传感器，可以执行计算、检测与通信等功能。2002年，英特尔研究实验室研究人员将处方药瓶大小的32个传感器连进互联网，以读出缅因州“大鸭岛”上的气候，评价一种海燕巢的条件。而2003年第二季度，他们换用150个安有D型微型电池的第二代传感器，来评估这些鸟巢的条件。他们的目的是让世界各国研究人员实现无入侵式及无破坏式的、对敏感野生动物及其栖居地的监测。该公司开发出了用于家庭护理的无线传感器网络系统。根据演示，试制系统通过在鞋、家具，以及家用电器中嵌入半导体传感器，帮助老年人、阿尔茨海默氏病患者，以及残障人士的家庭生活。该系统利用无线通信将各传感器联网，可高效传递必要的信息，从而方便病人接受护理，还可以减轻护理人员的负担。该无线传感器网络系统是英特尔公司在阿尔茨海默氏病患者家庭的合作下，历时一年研究完成的，2004年下半年开始试用。 日立制作所与YRP泛在网络化研究所2004年11月24日宣布开发出了全球体积最小的传感器网络终端。该终端为安装电池的有源无线终端，可以搭载温度、亮度、红外线、加速度等各种传感器。设想应用于大楼与家庭的无线传感器以及安全管理方面。 三菱电机日前开发成功了一种设想用于传感器网络的小型低耗电无线模块。能够使用特定小功率无线构筑对等(Ad-hoc)网络。目标是取代目前利用专线构筑的家用安全网络，计划2005年,2006年达到实用水平。具体而言，与红外线传感器配合，检测是否有人、与加速度传感器配合，检测窗玻璃和家具的振动、与磁传感器配合，检测门的开关，等等。 在旧金山，200个联网微尘已被部署在金门大桥。这些微尘用于确定大桥从一边到另一边的摆动距离—可以精确到在强风中为几英尺。当微尘检测出移动距离时，它将把该信息通过微型计算机网络传递出去。信息最后到达一台更强大的计算机进行数据分析。任何与当前天气情况不吻合的异常读数都可能预示着大桥存在隐患。 2.6 发展现状 WSN网络是面向应用的，贴近客观物理世界的网络系统，其产生和发展一直都与应用相联系。多年来经过不同领域研究人员的演绎，WSN技术在军事领域、精细农业、安全监控、环保监测、建筑领域、医疗监护、工业监控、智能交通、物流管理、 5自由空间探索、智能家居等领域的应用得到了充分的肯定和展示。[2] 2005年，美国军方成功测试了由美国Crossbow产品组建的枪声定位系统，为救护、反恐提供有力手段。美国科学应用国际公司采用无线传感器网络，构筑了一个电子周边防御系统，为美国军方提供军事防御和情报信息。 中国，中科院微系统所主导的团队积极开展基于WSN的电子围栏技术的边境防御系统的研发和试点，已取得了阶段性的成果。 在环境监控和精细农业方面，WSN系统最为广泛。2002年，英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园，这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。杭州齐格科技有限公司与浙江农科院合作研发了远程农作管理决策服务平台，该平台利用了无线传感器技术实现对农田温室大棚温度、湿度、露点、光照等环境信息的监测。 在民用安全监控方面，英国的一家博物馆利用无线传感器网络设计了一个报警系统，他们将节点放在珍贵文物或艺术品的底部或背面，通过侦测灯光的亮度改变和振动情况，来判断展览品的安全状态。中科院计算所在故宫博物院实施的文物安全监控系统也是WSN技术在民用安防领域中的典 型应用。 现代建筑的发展不仅要求为人们提供更加舒适、安全的房屋和桥梁，而且希望建筑本身能够对自身的健康状况进行评估。WSN技术在建筑结构健康监控方面将发挥重要作用。2004年，哈工大在深圳地王大厦实施部署了监测环境噪声和震动加速度响应测试的WSN网络系统。 在医疗监控方面，美国英特尔公司目前正在研制家庭护理的无线传感器网络系统，作为美国“应对老龄化社会技术项目”的一项重要内容。另外，在对特殊医院(精神类或残障类)中病人的位置监控方面，WSN也有巨大应用潜力。 在工业监控方面，美国英特尔公司为俄勒冈的一家芯片制造厂安装了200台无线传感器，用来监控部分工厂设备的振动情况，并在测量结果超出规定时提供监测报告。西安成峰公司与陕西天和集团合作开发了矿井环境监测系统和矿工井下区段定位系统。 在智能交通方面，美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”，预计到2025年全面投入使 专业实训论文:无线传感网络 用。该系统综合运用大量传感器网络，配合GPS系统、区域网络系统等资源，实现对交通车辆的优化调度，并为个体交通推荐实时的、最佳的行车路线服务。目前在美国的宾夕法尼亚州的匹兹堡市已经建有这样的智能交通信息系统。 中科院上海微系统所为首的研究团队正在积极开展WSN在城市交通的应用。中科院软件所在地下停车场基于WSN网络技术实现了细粒度的智能车位管理系统，使得停车信息能够迅速通过发布系统推送给附近的车辆，大大提高率了停车效率。流领域是WSN网络技术是发展最快最成熟的应用领域。尽管在仓储物流领域，RFID技术还没有被普遍采纳，但基于RFID和传感器节点在大粒度商品物流管理中已经得到了广泛的应用。宁波中科万通公司与宁波港合作，实现基于RFID网络的集装箱和集卡车的智能化管理。另外，还使用WSN技术实现了封闭仓库中托盘粒度的货物定位。 WSN网络自由部署、自组织工作模式使其在自然科学探索方面有巨大的应用潜力。2002年，由英特尔的研究小组和加州大学伯克利分校以及巴港大西洋大学的科学家把WSN技术应用于监视大鸭岛海鸟的栖息情况。2005年，澳洲的科学家利用WSN技术来探测北澳大利亚蟾蜍的分布情况。佛罗里达宇航中心计划借助于航天器布撒的传感器节点实现对星球表面大范围、长时期、近距离的监测和探索。 智能家居领域是WSN技术能够大展拳脚的地方。浙江大学计算机系的研究人员开发了一种基于WSN网络的无线水表系统，能够实现水表的自动抄录。复旦大学、电子科技大学等单位研制了基于WSN网络的智能楼宇系统，其典型结构包括了照明控制、警报门禁，以及家电控制的PC系统。各部件自治组网，最终由PC机将信息发布在互联网上。人们可以通过互联网终端对家庭实况进行监控。WSN在应用领域的发展可谓方兴未艾，要想进一步推进该技术的发展，让其更好为社会和人们的生活服务，不仅需要研究人员开展广泛的应用系统研究，更需要国家、地区，以及优质企业在各个层面上的大力推动和支持。 [3] 覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，这条道路是胡志明部队向南方游击队源源不断输送物资的秘密通道，美军曾经绞尽脑汁动用航空兵狂轰滥炸,但效果不大。后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。所谓“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机 立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。 第二阶段:是二十世纪80年代至90年代之间。主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。 因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一 。 第三阶段:21世纪开始至今。也就是本课开始介绍的911事件发生之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。除了应用于情报部门反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室,,橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。由于无线传感网在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，2003年美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一 。在现代意义上的无线传感网研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。在2006年我国发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》中，为信息技术确定了三个前沿方向，其中有两项就与传感器网络直接相关，这就是智能感知和自组网技术。当然，传感器网络的发展也是符合计算设备的演化规律。 3.2 无线传感网络的特点 3.2.1 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义:一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内， 3 无线传感网络的基本理论与技术 3.1 发展历史 第一阶段:最早可以追溯二十世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林 6 专业实训论文:无线传感网络 如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点;另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间 传感器网络的大规模性具有如下优点:通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比;通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求;大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能;大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。 3.2.2 自组织网络 在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器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，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样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，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。 3.2.3 动态性网络 传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变:?环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效;?环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通;?传 感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性;?新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 3.2.4 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种 恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。 3.2.5 应用相关的网络 传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多样，不可穷尽。不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。 不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。所以传感器网络不能像Internet 一样，有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在开发传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。 3.2.6 以数据为中心的网络 目前的互联网是先有计算机终端系统，然后再互联成为网络，终端系统可以脱离网络独立存在。在互联网中，网络设备用网络中惟一的IP地址标识，资源定位和信息传输依赖于终端、路由器、服务器等网络设备的IP地址。如果想访问互联网中的资源，首先要知道存放资源的服务器IP地址。可以说目前的互联网是一个以地址为中心的网络。 传感器网络是任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网络中的节点采用节点编号标识，节点编号是否需要全网惟一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方， 7 专业实训论文:无线传感网络 对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。事实上，在目标移动的过程中，必然是由不同的节点提供目标的位置消息。作“.25”。使用“cm3”，不要写“cc”。 数据。各节点将基站作为一个中间点，相互之间并不传输数据或命令。在各种无线传感器网络中，星状网整体功耗最低，但节点与基站间的传输距离有限，一般只有几十米。网状拓扑结构是多跳(multi2hop)系统，其中所有无线传感器节点都相同，而且直接互相通信(图2(b))。网状网的每个传感器节点都有多条路径到达网关或其它节点，因此它的容故障能力较强。这种多跳系统比星状网的传输距离远得多，但功耗也更大，因为节点必须一直“监听”网络中某些路径上的信息和变化。混合网力求兼具星状网的简洁和低功耗以及网状网的长传输距离和自愈性等优点(图2(c))。在混合网中，路由器和中继器组成网状结构，而传感器节点则在它们周围呈星状分布。中继器扩展了网络传输距离，同时提供了容故障能力。当某个 中继器发生故障或某条无线链路出现干扰时，网络可在其它路由器周围进行自组。 3.3.4 通信协议栈 随着应用和体系结构的不同，无线传感网络的通信协议栈也不尽相同，图4是传感节点使用的最典型的协议模型。该模型既参考了现有通用网络的TCP/IP和OSI模型的架构，同时又包含了传感网络特有的电源管理、移动管理及任务管理。应用层为不同的应用提供了一个相对统一的高层接口;如果需要，传输层可为传感网络保持数据流或保证与Internet连接;网络层主要关心数据的路由;数据链路层协调无线媒质的访问，尽量减少相邻节点广播时的冲突;物理层为系统提供一个简单、稳定的调制、传输和接收系统。除此而外，电源、移动和任务管理负责传感节点能量、移动和任务分配的监测，帮助传感节点协调感测任务，尽量减少整个系统的功耗。 3.3 无线传感网络的结构 3.3.1 通信结构 在传感器网络中，节点任意散落在被监测区域内，除了感测特定的对象，还进行简单的计算并维持互相之间的网络连接。传感器网络具有自组织的功能，单个节点经过初始的通信和协商，形成一个传输信息的多跳网络。每个传感网络装备有一个连接到传输网络的网关，传输网络是由一个单跳链接或一系列的无线网络节点组成的。网关通过这个传输网络把感测数据从传感区域发送到提供远程连接和数据处理的基站，基站再通过Internet联系到远程数据库。最后采集到的数据经过分析、挖掘后通过一个界面提供给终端用户。 3.3.2 节点结构 传感器网络节点的基本组成包括4个基本单元:传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)以及电源。此外，可以选择的其他功能单元包括:定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。电源为传感器提供正常工作所必需的能源。感知单元用于感知、获取外界的信息，并将其转换为数字信号。处理单元负责协调节点各部分的工作，如对感知单元获取的信息进行必要的处理、保存，控制感知单元和电源的工作模式等。通信模块负责与其他传感器或收发者的通信。软件则为传感器提供必要的软件支持，如嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统等。 3.3.3 拓扑结构 无线传感器网络的拓扑结构有3种:星状网、网状网及混合网。每种拓扑结构都有自身的优点和缺点，开发人员必须充分了解这些网络特点以满足不同无线传感器网络的应用要求。基本的星状网拓扑结构是一个单跳(single-hop)系统，网络中所有无线传感器节点都与基站和网关进行双向通信。基站可以是一台PC、PDA、嵌入式网络服务器，或其它与高数据率设备通信的网关，除了向各节点传输数据和命令外，基站还与因特网等更高层系统之间传输 3.4 无线传感网络的核心关键技术 3.4.1 核心关键技术 WSN技术是多学科交叉的研究领域，因而包含众多研究方向，WSN技术具有天生的应用相关性，利用 8 专业实训论文:无线传感网络 通用平台构建的系统都无法达到最优效果。WSN技术的应用定义要求网络中节点设备能够在有限能量(功率)供给下实现对目标的长时间监控，因此网络运行的能量效率是一切技术元素的优化目标。下面从核心关键技术和关键支撑技术两个层面分别介绍应用系统所必须的设计和优化的技术要点。 3.4.2 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。是否有基础设施支持，是否有移动终端参与，汇报频度与延迟等应用需求直接决定了组 网模式3.4.3 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 [10] [10][4] 3.4.6 拓扑控制 组网模式决定了网络的总体拓扑结构，但为了实现WSN网络的低能耗运行，还需要对节点连接关系的时变规律进行细粒度控制。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3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。WSN技术中，拓扑控制的目的在于实现网络的连通(实时连通或者机会连通)的同时保证信息的能量高效、可靠的传输。Kumar S等[5]研究了在睡眠唤醒进行能耗控制的网络中实现k 连通的条件。Chen Ai等[6]研究了栅栏(边界)防护应用中的拓扑覆盖问题。Li X[7]则通过图理论研究无线网络的拓扑控制算法。Wang X、Ye F、Schurgers C和Lu G等学者[8]研究了如何利用连通的骨干网络减少网络活动开销，延长网络生命周期问题。 3.4.7 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的MAC层需要配合完成睡眠机制、时分信道分配和空分复用等功能。Ye W等[9]提出了WSN最经典的基于睡眠的MAC协议——S-MAC;Ahn G-S等[10]研究了在最后两跳内采用时分复用方式缓解由最后两跳冲突引入的“漏斗”效应;Rajendran V等[11]研究了WSN中无竞争访问的高能效方法;Zhai H[12]和Kim Y[13]等则研究了基于多射频、多信道的MAC协议。MAC控制是WSN最为活跃的研究热点，因为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链路特性与长距离完全不同，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要大得多，因而更多链路呈现复杂的不稳定特性。Ganeson D等[14]，Zhao J等[15]通过大量的实验验证了过渡区的存在;Zuniga M等[16] 。 。最经典的定向扩散路由(Direct Diffusion)研究的就是这种网络结构。 3.4.4 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。簇头节点需要完成更多的工作、消耗更多的能量 [10] 。如果使用相同的节点实现分簇，则 要按需更换簇头，避免簇头节点因为过渡消耗能量而死亡。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。Akyildiz L F等[1]总结了无线Mesh网络的应用模式。 3.4.5 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 [10] 。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目标。Kim等[2]提出的SEAD分发协议就是针对这种组网模式。 Bi Y等[3-4]研究了多种Sink的移动汇聚模式，此外，还有其他类型的网络。如当传感节点全部为移动节点，通过与固定的Mesh网络进行数据通信(移动产生的通信机会)，可形成目前另一个研究热点，即机会通信模式。 9 专业实训论文:无线传感网络 分析了过渡区的成因。复杂的链路特征需要在MAC控制中更充分地考虑链路特性，Zhu H等[17]研究了适应链路特性的多链路MAC控制机制。链路特征同时也是在数据转发和汇聚中需要考虑的重要因素。 3.4.8 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Internet网络中，终端设备主要从网络上获取信息;而在WSN网络中，终端设备是向网络提供信息。因此，组网模式决定了网络的拓扑结构，但还需要对节点连接关系的时变规律进行细微的控制，以达到无线传感器网络的低功耗性能，即所谓的拓扑控制。对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。通过拓扑控制自动生成良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。所以，拓扑控制是WSN研究的核心技术[9] 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研究的重点。网络编码技术也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[11] 。 3.4.9 QoS保障和可靠性设计 QoS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。QoS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研究内容之一。 3.4.10 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。Luo J等[18]指出，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;Bi Y等提出了多种汇聚点移动策略，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。Butler Z等针对事件发生频度自适应移动节点的位置，使感知节点更多地聚集在使事件经常发生的地方，从而分担事件汇报任务，延长网络寿命。 3.4.11 网络拓扑控制 之一。最主要的拓扑控制技术有时间控制、空间控制和逻辑控制。时间控制是控制节点的睡眠、工作时间比，以及调节节点间睡眠起始时间，让节点交替工作，完成有限的拓扑结构之间的切换;空间控制是控制节点的发送功率，改变节点的连通区域，使网络呈现不同的连通形态，达到低功耗、网络容量提高的目的;逻辑控制是通过邻居表将不理想的节点排除在外，以达到拓扑的稳固、可靠和强健。 3.4.12 路由协议 传感器网络拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议设计提出了更高的要求。传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议负责将数据分组从源节点通过网 络发送到目的节点，路由协议不仅关心单个节点的能量损耗，更需要将整个网络的能耗均匀的分布到各个节点，只有这样才能延长整个网络的生命周期。同时，传感器网络的路由以数据为中心，网络关心的不是和某个特定节点通信，而是将所有节点采集的数据传输到汇聚节点进行处理。传统无线通讯网络研究的重点放在无线通讯的服务质量(QoS)上，而无线传感器节点是随机分布，电池供电，因此目前无线传感器网络路由协议的研究重点是放在如何提高能量效率上，当前流行的几个无线传感器网络的路由协议如下: 3.4.13 泛洪(Flooding)协议 泛洪(Flooding)协议是一种传统的无线通讯路由协议。该协议规定，每个节点接受来自其他节点的信息，并以广播的形式发送给其他邻居节点。如此继续下去，最后将信息数据发送给目的节点。但这个协议容易引起信息的“内爆”(Implosion)和“重 10 专业实训论文:无线传感网络 叠”(Overlap)，造成资源的浪费。因此在泛洪协议的基础上，提出了闲聊(Gossiping)协议。 3.4.14 Gossiping协议 Gossiping协议是在泛洪协议的基础上进行改进而提出的。它传播信息的途径是通过随机的选择一个邻居节点，获得信息的邻居节点以同样的方式随机的选择下一个节点进行信息的传递。这种方式避免了以广播形式进行信息传播的能量消耗，但其代价是延长了信息的传递时间。虽然Gossiping协议在一定程度上解决了信息的内爆，但是仍然存在信息的重叠现象。[5] 3.4.15 SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation)协议 SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation)协议是一种以数据为中心的自适应路由协议。SPIN协议的目的是:通过节点之间的协商，解决Flooding协议和Gossiping协议的内爆和重叠现象。SPIN协议有3种类型的消息，即ADC、REQ和DATA。ADC用于数据的广播，当某一个节点有数据可以共享时，可以用其进行数据信息广播。 REQ用于请求发送数据，当某一个节点希望接受DATA数据包时，发送REQ数据包。DATA为传感器采集的数据包。在发送一个DATA数据包之前，一个传感器节点首先对外广播ADV数据包，如果某一个节点希望接受要传来的数据信息，则向发送ADV数据包的节点回复REQ数据包，因此，便建立起发送节点和接受节点的联系，发送节点便向接受节点发送DATA数据包。 3.4.16 定向扩散协议 定向扩散协议是一种基于查询的路由机制。整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶段。在兴趣扩散阶段，汇聚节点向传感器节点发送其想要获取的信息种类或内容。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数。每个传感器节点在收到该信息后，将其保存在CACHE中。当整个信息要求传遍整个传感器网络后，便在传感器节点和汇聚节点之间建立起一个梯度场，梯度场的建立是根据成本最小化和能量自适应原则。一旦传感器节点收集到汇聚节点感兴趣的 数据，就会根据建立的梯度场寻求最快路径进行数据传递。 3.4.17 LEACH协议 LEACH协议是一种以最小化传感器网络能量损耗为目标的分层式协议。该协议的主要思想是通过随机选择类头节点，平均分担无线传感器网络的中继通讯业务来达到平均消耗传感器网络中节点能量的目的，进而可以延长网络的生命周期。LEACH协议可以将网络生命周 期延长15%。LEACH协议分为两个阶段:类准备阶段和数据传输阶段。类准备阶段和就绪阶段所持续的时间总和称为一个轮回。在类准备阶段，LEACH协议随机选择一个传感器节点作为类头节点，随机性确保类头与基站之间数据传输的高能耗成本均匀的分摊到所有传感器节点上。[6] 3.4.18 数据融合 传感器网络存在能量约束。减少传输的数据量能够有效地节省能量，因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。由于传感器节点的易失效性，传感器网络业需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。数据融合技术可以与传感器网络的多个协议层次进行结合。在应用层设计中，可以利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果;在网络层中，很多路由协议均结合了数据融合机制，以期减少数据传输量。数据融合技术已经在目标跟踪、目标自动识别等领域得到了广泛的应用 [11] 。数据融合技术在节省能 量、提高信息准确度地同时，要以牺牲其它方面的性能为代价。首先是延时的代价，在数据传送过程中寻找易于进行数据融合的路由、进行数据融合操作、为融合而等待其它数据的到来，这三个方面都可能增加网络的平均延时。其次是鲁棒性的代价，传感器网络相对于传统网络有更高的节点失效率以及数据丢失率，数据融合可以大幅度降低数据的冗余性，但丢失相同的数据量可能损失更多的信息，因此相对而言也降低了网络的鲁棒性。 3.4.19 嵌入式操作系统 传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带非常有限的硬件资源，需要操作系统能够节能高效地使用有限的内存、处理器和通信模块，且能够对各 11 专业实训论文:无线传感网络 种特定对应环境提供最大的支持。在面向WSN的操作系统的支持下，多个应用可以并发地使用系统的有限资源。[7] 传感器节点有两个突出的特点。一个特点是并发性密集，即可能存在多个需要同时执行的逻辑控制，这需要操作系统能够有效地满足这种发生频繁、并发程度高、执行过程比较短的逻辑控制流程;另一个特点是传感器节点模块化程度很高，要求操作系统能够让应用程序方便地对硬件进行控制，且保证在不影响整体开销的情况下，应用程序中的各个部分能够比较方便地进行重新组合。上述这些特点对设计面向WSN的操作系统提出了新的挑战。 3.4.20 应用层技术 传感器网络应用层由各种面向应用的软件系统构成，部署的传感器网络往往执行多种任务。应用层的研究主要是各种传感器网络应用系统的开发和多任务之间的协调，如作战环境侦察与监控系统、军事侦查系统、情报获取系统、战场监测与指挥系统等。传感器网络应用开发环境的研究旨在为应用系统的开发提供有效的软件开发环境和软件工具，需要解决的问题包括传感器网络程序设计语言，传感器网络程序设计方法学，传感器网络软件开发环境和工具，传感器网络软件测试工具的研究，面向应用的系统服务，基于感知数据的理解、决策和举动的理论与技术(如感知数据的决策理论、反馈理论、新的统计算法、模式识别和状态估计技术等)。3.5无线传感网络的关键技术支撑 3.5.1 WSN网络的时间同步技术 时间同步技术是完成实时信息采集的基本要求，也是提高定位精度的关键手段。常用方法 是通过时间同步协议完成节点间的对时，通过滤波技术抑制时钟噪声和漂移。最近，利用耦合振荡器的同步技术实现网络无状态自然同步方法也倍受关注，这是一种高效的、可无限扩展的时间同步新技术。 3.5.2 基于WSN的自定位和目标定位技术 定位跟踪技术包括节点自定位和网络区域内的目标定位跟踪。节点自定位是指确定网络中节点自身位置，这是随机部署组网的基本要求。GPS技术是室外惯常采用的自定位手段，但一方面成本较高，另一方面在有遮挡的地区会失效。传感器网络更多 采用混合定位方法:手动部署少量的锚节点(携带GPS模块)，其他节点根据拓扑和距离关系进行间接位置估计。[8] 目标定位跟踪通过网络中节点之间的配合完成对网络区域中特定目标的定位和跟踪，一般建立在节点自定位的基础上。 3.5.3 分布式数据管理和信息融合 分布式动态实时数据管理是以数据中心为特征的WSN网络的重要技术之一。该技术通过部署或者指定一些节点为代理节点，代理节点根据监测任务收集兴趣数据。监测任务通过分布式数据库的查询语言下达给目标区域的节点 [11] 。在整个体系中，WSN 网络被当作分布式数据库独立存在，实现对客观物理世界的实时和动态的监测。 信息融合技术是指节点根据类型、采集时间、地点、重要程度等信息标度，通过聚类技术将收集到的数据进行本地的融合和压缩，一方面排除信息冗余，减小网络通信开销，节省能量;另一方面可以通过贝叶斯推理技术实现本地的智能决策。 3.5.4 WSN的安全技术 安全通信和认证技术在军事和金融等敏感信息传递应用中有直接需求。传感器网络由于部署环境和传播介质的开放性，很容易受到各种攻击。但受无线传感器网络资源限制，直接应用安全通信、完整性认证、数据新鲜性、广播认证等现有算法存在实现的困难。鉴于此，研究人员一方面探讨在不同组网形式、网络协议设计中可能遭到的各种攻击形式;另一方面设计安全强度可控的简化算法和精巧协议，满足传感器网络的现实需求。 3.5.5 精细控制、深度嵌入的操作系统技术 作为深度嵌入的网络系统，WSN网络对操作系统也有特别的要求，既要能够完成基本体系结构支持的各项功能，又不能过于复杂。从目前发展状况来看，TinyOS是最成功的WSN专用操作系统。但随着芯片低功耗设计技术和能量工程技术水平的提高，更复杂的嵌入式操作系统，如Vxworks、Uclinux和Ucos等，也可能被WSN网络所采用。 3.5.6 能量工程 能量工程包括能量的获取和存储两方面。能量获取主要指将自然环境的能量转换成节点可以利用的电能，如太阳能，振动能量、地热、风能等。2007 12 专业实训论文:无线传感网络 年在无线能量传递方面有了新的研究成果:通过磁场的共振传递技术将使远程能量传递。这项技术将对WSN技术的成熟和发展带来革命性的影响。在能量存储技术方面，高容量电池技术是延长节点寿命，全面提高节点能力的关键性技术。纳米电池技术是目前最有希望的技术之一. 4 无线传感网络的应用 传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理、以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着传感器网络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。 4.1 无线传感网络设计要求 4.1.1 高可靠性 大部分的工业控制应用要求数据的可靠传输率要超过95%。为了实现在工业现场使用无线通信来实现高可靠传输面临以下挑战，ZigBee PRO协议栈采用2.4 GHz物理层都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频)技术(包括数据的调制，激活和休眠射频收发器,信道能量检测,信道接收数据包的链路质量指示,空闲信道评估,收发数据等)具有很强抗干扰能力，而且MAC层和应用层(APS部分)有应答重传功能，另外MAC层的CSMA机制使节点发送之前先监听信道，也可以起到避开干扰的作用。网络层采用了网状网的组网方式，从源节点到达目的节点可以有多条路径，路径的冗余加强了网络的健壮性，如果原先的路径出现了问题，比如受到干扰，或者其中一个中间节点出现故障，ZigBee PRO可以进行路由修复，另选一条合适的路径来保持通信。同时ZigBee PRO最新增加的频率捷变(frequency agility)，也大大加强其作为工业网络使用的可靠性，ZigBee PRO网络受到外界干扰，比如各种工业现场的无线干扰，无法正常工作时，整个ZigBee PRO网络可以自动动态的切换到全部16个频道的一个干净工作信道上(实现FHSS跳频功能)。和其它目前采用DSSS+FHSS的工业无线网络协议比较，ZigBee PRO可靠性和抗干扰性更胜一筹。采用表1无线单片机，都可以支持ZigBee PRO无线网络协议栈。 4.1.2 严格实时性 对于工业闭环控制应用，数据传输延迟应低于1.5倍的传感器采样时间。ZigBee PRO网络针对工业通信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。设备搜索时延典型值为毫秒级别，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms，加上ZIGBEEPRO新的路由算法，大大提高了网络路由效率。在通过多跳接力的方式进行传输的延迟大幅度降低，完全能够保证端到端通信实时性。 4.1.3 低能耗 用于对工业全流程进行泛在感知的无线传感器网络节点由于成本的限制和安装条件限制，通常不采用外接电源的方式，而是靠自身携带的电池供电。由于表一中列出的新型无线单片机和ZIGBEEPRO 无线前端的一系列革命性的新设计,节点的电池寿命应达到3至10年。能够实现使用最少的能源的工业用无线传感器网络。 4.1.4 安全性 随着工业控制系统网络化进程的推进，网络安全和数据安全问题日益突出，一些安全漏洞将给工业控制应用造成巨大的损失。无线通信由于信道的开放特征更容易受到攻击，其安全保障机制将更加复杂。为了工业网络应用设计了高安全模式(High Security Mode)，就是当节点加入网路时，信托中心(Trust Center, TC) 会先配一把万能金钥(Master Key)给新加入的节点，然后，新加入的节点再用这把万能金钥透过SKKE 的流程，与网路中的任何节点建立连结金钥(Link Key)，最后再利用连结金钥加密后产生一把网路共用的网路金钥，网路金钥(NWK Key)放在应用层有效载荷中传送给对方，然后再通过网路传输加密资料。ZigBee PRO安全设计，完全能够实现工业无线网络对安全通讯的主要要求。 4.1.5 兼容性 为了保护用户的原有投资，基于工业无线传感器网络要具有与工厂原有的有线控制系统互连和互操作的能力。采用ZigBee PRO设计的无线网关，能够实现和目前工业以太网，CAN总线，各种工业控制总线的无缝连接，和互联网的IP通讯。ZigBee 13 专业实训论文:无线传感网络 也是全球无线传感器网络的重要标准，是具有很好兼容性的工业无线传感器网络网络协议软件。 4.2 无线传感器网络的热点问题 4.2.1 安全问题 通常，在无线传感器网络中，大量的传感器节点密集分布在一个区域里，消息可能需要经过若干节点才能到达目的地，而且传感器网络具有动态性和多跳结构，要求每个节点都应具有路由功能。由于每个节点都是潜在的路由节点，因此更易受到攻击，使网络不安全。网络层路由协议为整个无线传感器网络提供了关键的路由服务，安全的路由算法会直接影响无线传感器网络的安全性和可用性。安全路由协议一般采用链路层加密和认证、多路径路由、身份认证、双向连接认证和认证广播等机制，有效提高网络抵御外部攻击的能力，增强路由的安全性。 在安全保障方面主要有密钥管理和安全组播两种方式。1)密钥管理:无线传感器网络有诸多限制，例如节点能力限制，使其只能使用对称密钥和Hash技术;电源能力限制，应使其在无限传感器网络中尽量减少通信，因为通信的耗电将大于计算的耗电;传感器网络还应考虑汇聚等减少数据冗余的问题。在部署节点前，将密钥预先配置在节点中，通常，预配置的密钥 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 通过预存的秘密信息计算会话密钥，由于节点存储和能量的限制，预配置密钥管理方案必须考虑节省存储空间和减少通信开销。2)安全组播:无线传感器网络可能设置在敌对环境中，为了防止供给者向网络注入伪造信息，需要在无线传感器网络中实现基于源端认证的安全组播。 4.2.2 能量问题 传感器的节点分布众多，并且需要进行监测、数据处理等活动，而无线传感器网络中的节点一般用电池供电，可使用的电量非常有限，并且对于有成千上万节点的无线传感器网络来说，更换电池非常困难，甚至是不可能的，但是却要求无线传感器网络的生存时间长达数月甚至数年，因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能节约无线传感器网络的电池能量成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题。现在已有一些解决方法，在大多数网络应用中，由于传感器节点监测事件的偶发性，没有必要让所有单元均工作在正常状态下，可采用休眠模 式，能自适应的休眠和唤醒，进行突发工作，节省能量。还可将所有功耗单元有机组合，形成不同状态，让传感器节点能根据需要在不同状态间切换，这样既可以满足系统需要，又节省了能源。还可以动态调节电压以节省能量，根据负载状态动态调节供电电压，形成一个闭环控制系统，节省能量。总之，在满足系统要求的情况下，采用各种方法降低耗电量非常必要。 4.2.3 容错机制 任何一个实用的网络都必须有很好的容错机制，无线传感器网络也是如此。在实际应用中，由于传感器节点经常处于非常恶劣的自然环境中，有时甚至会长时间离线工作。同时，传感器多为嵌入式系统装置，自身出现故障的可能性较高，而且有时节点的电池会没电。此外，传感器网络中节点数量大、分布广的特点也使网络维护十分困难甚至无法维护。为了保障系统性能，传感器网络必须具有很强的容错性能。现在有很多容错机制，例如可采用局部恢复、多径多备份及利用编码理论等，但采用这些措施都要付出一定的代价。可针对不同的应用环境和要求，采用不同的容错机制。 4.2.4 网络结构 无线传感器网络采用自组织无线传感器的成网技术，网络拓扑结构有星形、网状和两种混合方式3种，至于采用哪种结构，取决于数据传输的数目、频率、传输距离、电池的生命期要求及节点变化的水平和灵活性。 在星形结构中，业务流只发生在基站与节点之间，基站负责传输数据和各种命令消息，并负责与更高水平的网络之间的通信。星形结构耗能小，但受限于直传距离。 网状结构是多跳的系统，业务流可发生在各个节点之间，每个节点都能与网络中其他节点建立直接的通信链路。这些链路的建立可基于每个节点具有等价权利的分布式算法，或基于基站拥有优先权的集中式算法，也可是两者的结合。该结构具备很强的健壮性，因为每个节点都有多条链路连接到其他节点或基站，一旦某个节点失败，网络马上会在这个节点周围进 行重配，保持节点之间的连接。由于每个节点都要关心链路变化消息，增加了处理负担，加大了能量消耗。 14 专业实训论文:无线传感网络 星形与网状混合方式既保持了星形结构低耗和简单的优点，又具备网状结构的扩展范围和自修复功能。 设置一些节点以星形方式围绕在路由器或中继器周围，这些路由器或中继器以网状结构组网，这样，路由器扩展了网络的覆盖范围，提供了更强的健壮性。无线传感器的节点可连接到多个路由器，当某路由器失败或某链路失败时，网络就会利用剩余的路由器重新配置，以保持节点之间连接的连续性。该结构为节点提供了极高的灵活性及对网络节点数目快速变化的适应性，并能使扩展网络覆盖带来的能量消耗最小。因此，混合组网是自组织无线传感器网络的合理选择。 4.3 典型应用 4.3.1 军事应用 无线传感网络密集型，随机分布的特点，所以非常适合用于军事方面，包括侦察敌情，监控兵力，装备和物资，判断对方进攻路线，评估军队作战成果，核能，生物，化学攻击的侦查，边防警卫，军用汽车的应用，配合传感器网络随时报告汽车状况等等。WSN技术的军事应用案例可举美国国防部高级研究计划局和美国空军正在合作开发的网络嵌入式系统技术，其实WSN在军事方面的最新应用，利用广泛分布在特定区域，检查站，建筑物等等地方的检测节点，作战人员能够根据对狙击手或者其他隐蔽的攻击点进行监控，利用子弹发射的时间和震动等信息来定位其具体的位置。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行"智能尘埃"传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测:智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从2004年的1000万美元增加到2010年的几十亿美元。传感器网络是由大量随机分布的节点组成，即使一部分传感器网络节点被敌方破坏，剩下的节点依然能够自组织地形成网络。利用传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控，战场的实时监视，目标的定位，战场评估，核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。例如，传感器网络可以通过分析采集到的数据，得到十分准确的目标定位，从而为火控和制导系统提供准确的制导。利用生物和化学传感器，可以准确地探测到生化武器的成分，及时提供情报信息，有助于正确防范和实施有效的反击。 4.3.2 医疗应用 在病人家中建置无线传感器网络。这些传感器能追踪病人的行为模式，一旦侦测到病人日常行动遭遇困难，便会提供必要的视觉与声响提示。如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不便。此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而独特的应用。总之，传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段[15]。同是这项技术也可以通过在老年人或者病患者的鞋上，地毯上，家具上放置无线传感节点，及时获取他们的生活信息，从而能及时的处理问题，保证了老年人和病患者的生活质量，改善其生活。还可以通过在病人身上放置无线传感器来感知病人的体温，呼吸，心跳等等信息，从而减轻了护理的负担。 4.3.3 农业应用 在传统农业中。人们获取农田信息的方式都很有限，主要是通过人工测量，获取过程需要 消耗大量的人力，而通过使用无线传感器网络可以有效降低人力消耗和对农田环境的影响，获取精确的作物环境和作物信息。 目前无线技术在农业中的应用比较广泛, 但大都是具有基站星型拓扑结构的应用, 并不是真正意义上的无线传感器网络。农业一般应用是将大量的传感器节点构成监控网络, 通过各种传感器采集信息, 以帮助农民及时发现问题, 并且准确地确定发生问题的位置, 这样农业将有可能逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式, 从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备 [14] 。 无线传感器网络可应用于温室环境信息采集和控制。 在温室环境里单个温室即可成为无线传感器网络一个测量控制区, 采用不同的传感器节点和具有简单执行机构的节点(风机、低压电机、阀门等工作电流偏低的执行机构) 构成无线网络来测量土壤湿度、土壤成分、pH 值、降水量、温度、空气湿度 15 专业实训论文:无线传感网络 和气压、光照强度、CO2浓度等来获得作物生长的最佳条件, 同时将生物信息获取方法应用于无线传感器节点, 为温室精准调控提供科学依据。最终使温室中传感器、执行机构标准化、数据化, 利用网关实现控制装置的网络化, 从而达到现场组网方便、增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。 无线传感器网络可应用于节水灌溉。 无线传感器网络自动灌溉系统利用传感器感应土壤的水分，并在设定条件下与接收器通信，控制灌溉系统的阀门打开、关闭，从而达到自动节水灌溉的目的。由于传感器网络多跳路由、信息互递、自组网络及网络通信时间同步等特点, 使灌区面积、节点数量不受到限制, 可以灵活增减轮灌组,加上节点具有的土壤、植物、气象等测量采集装置、通信网关的Internet 功能与RS 和GPS 技术结合的灌区动态管理信息采集分析技术、作物需水信息采集与精量控制灌溉技术、专家系统技术等构建高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。可在温室、庭院花园绿地、高速公路中央隔离带、农田井用灌溉区等区域, 实现农业与生态节水技术的定量化、 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 化、模式化、集成化,促进节水农业的快速和健康发展。 2008年，湖南农业大学提出了一种基于无线传感器网络的农田自动节水灌溉构建方案，设计了一种无线传感器网络实现农田土壤湿度信息的实时采集和传输，通过灌溉控制器控制灌溉管网，分区域实时灌溉并调节土壤湿度，实现了精细农业所要求的时空差异性和水资源高效利用。 无线传感器网络还可以应用于环境信息和动植物信息监测。 通过布置多层次的无线传感器网络检测系统, 对牲畜家禽、水产养殖、稀有动物的生活习性、环境、生理状况及种群复杂度进行观测研究, 也可用于对森林环境监测和火灾报警(平时节点被随机密布在森林之中, 平常状态下定期报告环境数据, 当发生火灾时, 节点通过协同合作会在很短的时间内将火源的具体地址、火势大小等信息传送给相关部门)。同时也可以应用在精准农业中, 来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 在十五期间，国家863计划数字农业重大专项实现了农田信息采集技术的突破，推出了一批成本低、 高性能的土壤水分和作物营养信息采集技术产品，基本解决了数字农业信息快速获取技术瓶颈问题。开展了农田水分、养分、作物长势、冠层生理与生态因子、品质、产量和虫害草 害等信息采集关键技术研究，开发了具有自主知识产权的新型土壤水分传感器，研制了土壤和作物养分信息快速采集方法与新型配套仪器设备;在虫害与杂草动态监测系统的研究方面取得了重大进展，开发了基于称重传感器的高精度智能测产系统，解决了智能测产与谷物品质监测系统的精度难题;使我国农业信息快速获取迈出了新的步伐。 现代化温室和工厂化栽培调节和控制环境(控制温度、湿度、光照、喷灌量、通风等)培育各种秧苗，栽培各种果蔬和作物。在这个过程中，需要温度传感器、湿度传感器、PH 值传感器、光传感器、离子传感器、生物传感器、CO2 传感器等检测环境中的温度、相对湿度、PH 值、光照强度、土壤养分、CO2 浓度等物理量参数，通过各种仪器仪表实时显示或作为自动控制的参变量参与到自动控制中，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。 在果蔬和粮食的储藏中，温度传感器发挥着巨大的作用，制冷机根据冷库内温度传感器的实时参数值实施自动控制并且保持该温度的相对稳定。气调库相比冷藏库是更为先进的贮藏保鲜方法，除了温度之外，气调库内的相对湿度(RH)、O2 浓度、CO2 浓度、乙烯(C2H4)浓度等均有相应的控制指标。控制系统采集气调库内的温度传感器、湿度传感器、O2 浓度传感器、CO2 浓度传感器等物理量参数， 通过各种仪器仪表适时显示或作为自动控制的参变量参与到自动控制中，保证有一个适宜的贮藏保鲜环境，达到最佳的保鲜效果。 在作物的生长过程中还可以利用形状传感器、颜色传感器、重量传感器等来监测物的外形、颜色、大小等, 用来确定物的成熟程度, 以便适时采摘和收获; 可以利用二氧化碳传感器进行植物生长的人工环境的监控, 以促进光合作用的进行。例如, 塑料大棚蔬菜种植环境的监测等; 可以利用超声波传感器、音量和音频传感器等进行灭鼠、灭虫等; 可以利用流量传感器及计算机系统自动控制农田水利灌溉 [14] 。 16 专业实训论文:无线传感网络 生物技术、遗传工程等都成为良种培育的重要技术, 在这其中生物传感器发挥了重要的作用。农业科学家通过生物传感器操纵种子的遗传基因, 在玉米种子里找到了防止脱水的基因, 培育出了优良的玉米种子。此外, 监测育种环境还需要温度传感器、湿度传感器、光传感器等; 测量土壤状况需用水分传感器, 吸力传感器、氢离子传感器、温度传感器等; 测量氮磷、钾各种养分需要用各种离子敏传感器。 在动物饲养中也有传感器应用，如有可用来测定畜、禽肉鲜度的传感器。它可以高精度地测定出鸡、鱼、肉等食品变质时发出的臭味成分二甲基胺( DMA ) 的浓度, 其测量的最小浓度可以达到1ppm , 利用这种传感器可以准确地掌握肉类的鲜度, 防止腐败变质。也有用来检测鸡蛋质量的传感器。 4.3.4 环境监测 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。传感器网络也应用于环境监测，生态监控等等，比如在水环境应用中，针对水环境监测和无线传感网络各自的特性，重点研究数据融合和聚集技术，以保证水污染等报警的正确率;研究实时的信息路由技术，是报警信息能尽快的传输给远程服务器;研究多网信息融合问题，是无线传感网络与Internet和已有的其他应用网络进行链接配合[16]。 还有就是一些环境学家利用微型的传感器，通过放置在鸟类的身上，在不影响其正常活动的前提下，来研究筑巢和迁徙等活动。随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。传感器网络为野外随机性的 研究数据获取提供了方便，比如，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、防止森林火灾等。此外，传感器网络也可以应用在精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。传感器网络还有一个重要应用就是生态多样性的描述，能够进行动物栖息的生态监控。 4.3.5 目标跟踪 17DARPA支持的Scnsor IT项目探索如何将WSN技术应用于军事领域，实现所谓“超视距”战场监测。UCB的教授主持的Sensor Web是Sensor IT的一个子项目(原理性地验证了应用WSN进行战场目标跟踪的技术可行性，翼下携带WSN节点的无人机(UAV)飞到目标区域后抛下节点，最终随机布撤落在被监测区域，利用安装在节点上的地震波传感器可以探测到外部日标，如坦克、装甲车等，并根据信号的强弱估算距离，综合多个节点的观测数据，最终定位目标，并绘制出其移动的轨迹。虽然该演示系统在精度等方面还远达不到装备部队用于实战的要求，这种战场侦察模式目前还没有真正应用于实战，但随着美国国防部将其武器系统研制的主要技术目标从精确制导转向目标感知与定位，相信WSN提供的这种新颖的战场侦察模式会受到军方的关注( 4.3.6 智能家居 随着生活节奏的不断加快和经济水平的不断提高，家庭用户对安全感的需求正在逐渐增加，在不少大中城市，人们选择高档公寓和别墅的同时，对家居安防的意识地不断提高 [13] 。除了由房地产商和 建筑工程商设计施工的安防工程和已有的“小区安防，保安人防”模式的基础上，逐渐融入了人们的自主选择与购买。作为智能家居不可或缺的组成部分家庭安防系统也将像家庭房屋装修一样，成为选择购房和购房后必须考虑的一项家庭开支。应运而生的物联智能家居系统，不但能够实现智能家电、智能照明、智能窗帘等控制，便利了生活，提高了品质，还能实现全天候立体式的安防监控，为住户构建立体安防体系，保障了家庭的生命和财产安全 智能家居的前端物联网传感器器，可分为无线门磁、无线窗磁、无线煤气探测器、无线烟感探测器、无线红外探头、无线紧急按钮等[17]。若有人非法入侵便会触发相应的探测器，家庭报警主机会立即将报警信号传送至小区管理中心或用户指定的电话上，以便保安人员迅速处警，同时小区管理中心的报警主机将会纪录下这些信息，已备查阅。 此外，智能家居安防系统具有很强的适应性及兼容性，具有住户室内智能报警、周界自动报警、视频监控、感应卡门禁及内部通讯等不同功能，各种功能利用智能系统网络传输部分以及系统前端家居智能控制器，在设置自己的控制器和管理软件基 专业实训论文:无线传感网络 础上，便可完成各自的控制，同时该系统还为用户提供了对家中的电器设备多种控制方式，无论主人身居何处，都能够及时了解家中电器的使用状况以及对它们进行控制。例如主人出差在外能够通过电话或网络把家中的空调、电动窗帘打开使室 4.3.7 其他应用 在商业方面，自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特点，这些特点决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会。比如，嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与Internet连接在一起将会为我们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境;城市车辆监测和跟踪系统中成功地应用了传感器网络;美国某研究机构正在利用传感器网络技术为足球裁判研制一套辅助系统，以减小足球比赛中越位和进球的误判率，这套设备现在已经研制成功，准备在下一界世界青年足球锦标赛上使用。此外，在灾难拯救、仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具、工厂自动化生产线等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用 在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，还有一些不如:基础设施安全监控、自动交通流量监控、动物跟踪监控、空间探索、森林火情监控、道路照明系统、污水监控、文化遗产保护等方面。相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。 5 展望 由于具有覆盖区域广阔、监测高精度、可远程监控、可快速部署、可自组织和高容错性等特点， 尽管目前无线传感器网络仍处于初步应用阶段，网络安全研究等方面还面临着许多不确定的因素和有待解决的问题，但已经展示出了非凡的应用价值。相信在不久的将来，会对人们的生产生活起到不可估量的作用。在人，物和时间之间实现无缝连接曾经似乎是遥不可及的事情，但现在随着无线传感器网络的出现，这种不可能也会逐步变得可能。现在的互联网世界已不再是简单的网络互连和信息共享，而是真真切切得与我们具体的生活，紧紧联系起来。无线传感器网络技术的出现，使虚拟世界和物理世界之间的沟通成为可能，广泛的无线传感器网络的应用，可能会在未来引发一场应用革命，无线传感器网络的应用还有很多地方值得我们去研究，随着我们工作的深入，势必会发现更多的应用价值，到那个时候，我们的生活又将会是一次大的变革。 参考文献 [1] 肖同松，无线传感网络综述，中国科技信息，2008年 23期 [2] 安振华; 韩旭; 陈浩明。 无线传感网络技术的探讨和研究，电力系统通信，2010年 05期[3] 曹金山; 张泽滨。 无线传感网络安全改进方案研究，现代电子技术，2011年 12期 [4] 徐世武; 王平; 黄晞; 施文灶; 徐雄伟。无线传感网络时间同步研究进展与分析，单片机与嵌入式系统应用，2011年 05期 [5] 杨军，无线传感网络节点定位算法综述，仪器仪表标准化与计量，2012年 01期 [6] 王海涛，无线传感网络中的分簇算法综述，传感器世界，2011年 04期 [7] 刘瑞玲; 李祥林。 无线传感网络研究与应用综述，电脑知识与技术，2010年 12期 [8] 肖迎春,宋荣,梁长垠. 无线传感网络的关键技术及趋势，电子设计应用，2009年 01期 [9] 万时光,马小铁,李凯.星型无线传感器网 络的应用研究[J].通信技术,2009.3(42) [10] 陈硕.无线传感器网络几个关键技术的研 究[J].舰船电子工程,2007,5(27) [11] 李建中、李金宝、石胜飞.传感器网络及 其数据管理的概念、问题与进展[J].软件学报,2003,14(10) [12] 任丰原,黄海宁,林闯.无线传感器网络[J]. 软件学报,2003,14(7) [13] 于海斌,曾鹏,梁韦华.智能传感器网络体系 18 专业实训论文:无线传感网络 [M].北京:科学出版社,2006 [14] 胡勇，基于无线传感网络的大棚花卉种植智能 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