无线传感器网络技术的研究与应用

《自动化与仪器仪表》2010年第3期（总第149期） 89 收稿日期:2010-02-25 作者简介:杨惠(1983-),女,甘肃兰州人,在读研究生,助教, 主要研究方向为污水处理过程的建模、智能控制与优化。 无线传感器网络技术的研究与应用 杨 惠 （甘肃联合大学电子信息工程学院 甘肃兰州，730000） 摘 要：主要介绍了无线传感器网络研究中所涉及到的关键性问题，特别针对当前公交信息采集及传递过程 中的问题进行了详细的探讨，介绍了一种基于测距无线传感器网络的相应解决 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 ，具有较好的应用参考价值。 关键词：无线传感器网络；关键技术；应用；Zig bee Abstract: In the paper, a key technology about Wireless Sensor Networks (WSN) research was introduced. Especially, in view of the current problem in the process witch information of public transportation collected and transmited of was discussed, corresponding solutions based on distance measurement in Wireless Sensor Network was introduced. It are of value to engineering application. Key words: Wireless sensor networks ; Key technology ; Application ; Zigbee 中图分类号：TP212.6 文献标识码：B 文章编号：1001 -9227(2010)03-0089 -03 0 引 言 无线传感器网络技术（Wireless Sensor Network，简 称WSN）被认为是21世纪最重要的技术之一，美国《技术评 论》杂志曾评出对世界产生深远影响的十大新兴技术，无 线传感器网络被列为第一。无线传感器网络是一种由“侦 测”功能发展出来的独立网络模式，它的基本组成单位是 无线传感器节点，这些节点集成了传感器、微处理器、无 线接口和电源管理四个主要模块，它们共同组成了传感器 网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖地理区 域中感知对象的信息，并转发给观察者，依此做出适当的 回应。作为一个全新的研究课题，它综合了传感器技术、 嵌入式技术、分布式信息处理技术和通信技术，在军事、 工业、医疗、交通和民用等诸多方面有着巨大的应用价 值，目前已成为科学领域一个活跃的研究分支，是信息感 知和采集的一场革命。 1 无线传感器网络的特点 无线传感器网络有4大特点。 (1)无线传感器网络包括了大面积的空间分布。比如 在军事应用方面，可以将无线传感器网络部署在战场上跟 踪敌人的军事行动；智能化的终端可以大量地装在宣传 品、子弹和炮弹壳中，在目标地点撒落下去，形成大面积 的监视网络。 (2)能源受限制。网络中每个节点的电源是有限的， 网络大多工作在无人区域或者对人体有伤害的恶劣环境 中，更换电源几乎是不可能的事，这势必要求网络功耗要 小，以延长网络的寿命，而且要尽最大可能地节省电源消 耗。 (3)网络自动配置，自动识别节点。这包括自动组网、 对入网的终端进行身份验证、防止非法用户入侵。相对于 那些布置在预先指定地点的传感器网络而言，无线传感器 网络可以借鉴Ad Hoc（自组织网络）方式来配置，当然前 提要有一套合适的通信 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 来保证网络在无人干预的情 况下自动运行。 (4)网络的自动管理和高度协作性。在无线传感器网 络中，数据处理由节点自身完成，这样做的目的是减少无 线链路中传送的数据量，只有与其他节点相关的信息才 能在链路中传送。以数据为中心的特性是无线传感器网 络的又一个特点，由于节点不是预先计划的，而且节点位 置也不是预先确定的，这样就有一些节点由于发生较多 错误或者不能执行指定任务而被中止运行。为了在网络 中监视目标对象，配置冗余节点是必要的，节点之间可以 通信和协作，共享数据，这样可以保证获得被监视对象比 较全面的数据。 3 无线传感器网络的研究热点 3.1 能量控制 传感器的电源能量极其有限，网络中传感器的节点 由于电源能量问题经常失效或废弃。在传感器网络应用 中，数据传送是网络中能量消耗最大的部分，为节省能 源，可以 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 网络进行短距离数据传送，并降低发送功 率，收发器设置休眠，唤醒状态来节约能源。 3.2 容错机制 传感器网络的特点要求其必须具有很强的容错性能。 针对不同的应用，采用不同的容错机制。如何在传感器发 生故障时，整个网络仍能进行正常的感测工作，并将正确 的资料送回基地台，是容错机制的主要研究目标。 3.3 路由选择 无线传感器网络路由设计的基本特点可以概括为： 能量低、规模大、移动性弱、拓扑易变化、使用数据融合 技术和通信的不对称。因此，无线传感器网络路由面临的 问题和挑战有以下几个方面： （1）传感器网络的低能量特点使节能成为路由协议最 重要的优化目标。 90 （2）传感器网络的规模大，要求其路由协议必须具有 更高的可扩展性。 （3）传感器网络拓扑变化性强，通常的Internet路由 协议不能适应这种快速的拓扑变化。这种变化不像MANET 网络那样是由节点的移动造成的，因此，为MANET设计的 路由协议也不适合传感器网络。 （4）数据融合技术是传感器网络的一大特点，这使得 传感器网络的路由不同于一般网络。 （5）传感器网络中通信不对称，流量分布不均匀，其 表现在：源节点数目众多而目的节点单一；传输方向不对 称，以节点为目的的数据流远远超过以它为源头的控制 流。 传感器节点可以随机或者特定地分布在目标环境当 中，节点之间通过特定的协议自组织起来，以获取周围环 境的信息并且相互协同工作完成特定任务。现有的无线Ad Hoc网络架构是最为接近传感器网络的结构，但现有的无 线Ad Hoc网络路由协议及算法大多无法直接应用在传感 器网络上。目前已经提出的适合传感器网络本身特点的路 由协议方案有基于信息协商的路由算法（SPIN）、低功耗自 适应聚类路由算法（LEACH）和定向扩散（DD）等。 3.4 数据采集与处理 传感器网络与传统网络有着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。以数据为中 心的传感器网络的基本思想是把传感器当作感知数据流 或感知数据源，把传感器网络当作数据空间或感知数据 库，把数据采集和处理作为网络的应用目标。 3.5 网络安全协议问题 传感器网络受到的安全威胁与移动网络所受到的安 全威胁不同，所以现有的网络安全机制不适合此领域，需 要开发针对无线传感器网络的专门协议。一种思想是从维 护路由安全的角度出发，寻找尽可能安全的路由以保证网 络的安全。另一种思想是把重点放在安全协议方面，在此 领域也出现了大量的研究成果。典型的安全问题可以总结 为：信息被非法用户截获；一个节点遭破坏；识别伪节点 以及如何向已有传感器网络添加合法的节点。目前有两种 专用安全协议：SNEP(Sensor Network Encryption Protocol)和UTESLA。SNEP的功能是提供点到接受机之间 数据的鉴权、加密、刷新。 4 无线传感器网络在公交信息采集中的应用 随着我国经济的不断发展，城市交通的压力越来越 大，而作为城市交通的主体，公交客运系统的优化设计显 得极为重要。大力发展智能公交系统，力争实现有效的车 辆控制、管理决策和信息服务是解决交通压力的有效途 径。由于车辆的众多信息与特定的时间和空间相结合才有 实际意义，因此在众多的状态信息中，车辆的位置信息尤 为重要，需要优先考虑获取和搜集。 4.1 国内外公交系统中车辆位置信息获取的主要方法 一是基于射频识别（RFID）的公交信息采集系统。该 系统通过读取车辆上的电子标签获取公交位置信息，能够 实现对公交车在某些节点位置信息的获取，但不能实现公 交的全程实时监控。 二是基于全球卫星定位系统（GPS）的公交信息采集 系统。该系统通过安装在公交车上的GPS接收器，接受4颗 以上GPS卫星的信号进行车辆位置的准确定位。但由于现 代化城市中高楼林立，天空视野相对狭小，因此，无法确 保公交车获得稳定的卫星定位信号。 三是基于GPS/陀螺（/地图）的车载导航系统。该系统 利用车辆上的里程仪结合外配的陀螺实现航位推算，并将 利用间歇的GPS信号与航位推算结果相融合，从而抑制航 位推算系统的误差积累。由于该方法获取车辆信息的成本 相对较高，因此一般配置在某些私人车辆或者特种车辆 上，其应用的普遍性受到一定限制。 上述三种系统大多需要采用全球移动通信系统（GSM） 网络进行车辆信息的传递和汇总，每年都需要向网络运营 商支付高额的网络使用费，系统的总体开销均较大。通过 构建基于无线传感器的大规模公交专用通信网络，可以实 现低成本、迅捷的公交信息采集服务。 4.2 无线传感器网络通信 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 及其定位方法的选择 4.2.1应用于公交系统的无线传感器网络通信标准的选择 公交信息采集系统有特殊的要求，比如适当的传输 距离，有效的定位功能，廉价的系统运行维护费等，因此 需要对无线传感器网络通信标准进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 选择。2000年12 月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组，致力于定义一种供廉 价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、低成本和 低功耗的低速率无线连接技术，并在Zigbee联盟成立了以 后共同定制了802.15.4/Zigbee协议即完整的Zigbee协议 套件。它包括了高层应用规范、应用会聚层、网络层、数 据链路层和物理层，其中IEEE负责定制了物理层和MAC层 的协议，而从网络层到以上的协议则由Zigbee联盟来完 成。Zigbee联盟成立于2002年8月，由英国Invensys公司、 日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半 导体公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司，无线设 备公司和开发商加入，而其成立的初衷也就是为了给传感 器网络和控制系统推出一个标准的解决方案。该协议的突 出特点是网络系统极低成本、极低功耗、易实现、可靠的 数据传输、短距离操作、各层次的安全性等。该标准一出 现就引起了业界的广泛重视，短短一年多时间内便有百余 家集成电路运营商宣布支持IEEE 802.15.4/Zigbee，并且 很快在全球自发成立了若干联盟，现在大多数传感器网络 标准都是建立在该标准的基础之上。 表1 Zig bee与其他无线标准对照表 由表1中各种无线通信标准对比可知，Zigbee优点突 出，巨大的网络规模和较远的传播距离满足了公交车通信 和定位的需求，而且Zigbee工作在工业科学医疗（ISM）波 段，不存在网络使用费的问题，所以十分适用于公交信息 无线传感器网络技术的研究与应用 杨 惠 《自动化与仪器仪表》2010年第3期（总第149期） 91 采集系统。此外，Zigbee技术采用的防碰撞技术（CSMA/CA） 和直序扩频技术（DSSS）有效保证了网络中信息传递的可 靠性；Zigbee网络具有的自组织和开放的特点，也十分符 合信息搜集系统动态性和实时性要求。 4.2.2 无线传感器网络的定位方法 无线传感器网络一般采用5种测距方法：1)测时测距 法(TOA)，包括双向测距和单向测距；2)差分测时测距法 (TDOA)；3)信号强度测距法(SSR)；4)近场区电磁测距法 (NFER)；5)角度测量法(AOA)。为了获得较高的公交车定位 精度，公交信息采集系统中拟采用一种基于TOA的双向测 距技术，原理示意图如图1所示。 图1 双向测距原理示意图 图1中，通过无线信号对主、子节点间双向传递时间 的测定来获取节点间距离。首先，由主节点在某一时刻发 送信号给子节点，通过 秒传播到子节点。然而，由于子 节点在时钟上并非完全同步于主节点，存在一个时间偏 移，记为 秒，一般来说该时间偏移与 不等。子节点 在收到主节点的信号后，延时一定的时间（如：一帧的时 间）再将信号回发给主节点。则主节点可以通过发送和接 受信息的时间差推算出两节点间无线信号的直接传递时 间 ，设光速为c，则两节点间的距离为 。该技术在 英国Jennic公司最新推出的新一代Zigbee芯片JN5148中 得以实现，采用通信距离为300米的JN5148芯片进行户外 测距定位实验，结果表明在其通信范围内的定位误差在20 米以内，满足公交定位的需求。 5 结束语 无线传感器网络是一种新型网络，其广泛的应用需 求促进了对它的研究。无线传感器网络从诞生至今，研究 者们在网络协议、能量优化、提高效率、降低成本等方面 做了深入的研究，取得了较大的进展，为实现传感器网络 的广泛应用奠定了技术基础，而关键技术的进步必将对无 线传感器网络的发展起到决定性的促进作用。 参考文献 1 于海滨,曾 鹏.分布式无线传感器网络协议研究[J].通信学报, 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