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无线传感器网络技术你了解了多少

无线传感器收集是由支配在监测区域内部或相近的大年夜量廉价的、具有通信、感测及谋略能力的微型传感器节点经由过程自组织构成的“智能”测控收集[1][2]。无线传感器收集在军事、农业、情况监测、医疗卫生、工业、智能交通、修建物监测、空间探索等领域有着广阔的利用前景和伟大年夜的利用代价,被觉得是未来改变天下的十大年夜技巧之一、举世未来四大年夜高技巧财产之一。

今朝,国内外浩繁钻研机构都已开展了无线传感器收集技巧及其利用的相关钻研。本文主要针对无线传感器收集技巧在不合领域的利用环境及未来成长趋势和制约身分进行先容。

无线传感器收集概述

传感器节点可以完成情况监测、目标发明、位置识别或节制其他设备的功能;此外还具有路由、转发、交融、存储其他节点信息等功能。

网关认真连接无线传感器收集和外部收集的通信,实现两种收集通信协议之间的转换,发送节制敕令到传感器收集内部节点,以及传送节点的信息到办事器。

办事器用于接管监测区域的数据,用户可远程造访办事器,从而得到监测区域内监测目标的状态以及节点和设备的事情环境。

无线传感器收集平日具有如下主要特征:

(1)自组织。传感器收集系统的节点具有自动组网的功能,节点间能够互相通信和谐事情。

(2)多跳路由。节点受通信间隔、功率节制或节能的限定,当节点无法与网关直接通信时,必要由其他节点转发完成数据的传输,是以收集数据传输路由是多跳的。

(3)动态收集拓扑。在某些特殊的利用中,无线传感器收集是移动的,传感器节点可能会因能量耗损完或其他故障而终止事情,这些身分都邑使收集拓扑发生变更。

(4)节点资本有限。节点微型化请乞降有限的能量导致了节点硬件资本的有限性。

无线传感器收集利用现状

传感器收集的利用与详细的利用情况亲昵相关,是以针对不合的利用领域,存在机能不合的无线传感器收集系统[3]。

军事领域利用

在军事利用领域,使用无线传感器收集能够实现监测敌军区域内的兵力和设置设备摆设、实时监视疆场状况、定位目标物、监测核进击或者生归天学进击等。

美国军方钻研的用于军事侦查的NSOF(Networked Sensors for the Objective Force)系统[4]是美国军方今朝钻研的未来战争系统的一部分,能够网络侦查区域的情报信息并将此信息及时地传送给战术互联网。系统由大年夜约100个静态传感器和用于接入战术互联网的批示节制节点C2(command and control)构成,系统架构如图2所示。

2005年,美国军方采纳Crossbow公司节点构建了枪声定位系统[5],节点支配于目标修建物周围,系统能够有效地自组织构成监测收集,监测突发事故(如枪声、爆炸等)的发生,为救护、反恐供给了有力的赞助。

美国科学利用国际公司采纳无线传感器收集构建了一个电子防御系统[5],为美国军方供给军事防御和情报信息。系统采纳多个微型磁力计传感器节点来探测监测区域中是否有人携带枪支、是否有车辆行驶,同时,系统使用声音传感器节点监测车辆或者人群的移动偏向。

情况监测利用

无线传感器收集利用于情况监测,能够完成传统系统无法完成的义务。情况监测利用领域包括:植物发展情况、动物的活动情况、生化监测、精准农业监测、森林火警监测、洪流监测等。

加州大年夜学伯克利分校使用传感器收集监控大年夜鸭岛(Great Duck Island)的生态情况[6],在岛上支配30个传感器节点,传感器节点采纳Berkeley大年夜学的Mica mote[7]节点,包括监测情况所需的温度、光强、湿度、大年夜气压力等多种传感器。系统采纳分簇的收集布局,传感器节点采集的情况参数传输到簇首(网关),然后经由过程传输收集、基站、Internet收集传输数据到数据库中。用户或治理员可以经由过程Internet远程造访监测区域。

加州大年夜学在南加利福尼亚San Jacinto山建立了可扩展的无线传感器收集系统[8],主要监测局部情况前提下小气候和植物以致动物的生态模式。监测区域(25公顷)分为100多个小区域,每个小区域包孕各类类型的传感器节点,该区域的网关认真传输数据到基站,系统由多个网关,经过传输收集到Internet互联网。

加州大年夜学伯克利分校使用支配于一颗高70m的红杉树上的无线传感器系统来监测其生计情况[9],节点间距2m,监测周围空气温度、湿度、太阳光强(光相助用)等变更。

文献[10]使用无线传感器收集系统监测牧场中牛的活动,目的是防止两头牛互相争斗。系统中节点是动态的,是以要求系统采纳无线通信模式和高数据速度。

在印度西部多山区域监测泥石流支配的无线传感器收集系统[11],目的是在劫难发生前猜测泥石流的发生,采纳大年夜规模、低资源的节点构成收集,每隔预定的光阴发送一次山体状况的最新数据。Intel公司使用Crossbow公司的Mote系列节点在美国俄勒冈州的一个葡萄园中支配了监测其情况微小变更的无线传感器收集[12]。

修建布局监测

无线传感器收集用于监测修建物的康健状况,不仅资源低廉,而且能办理传统监测布线繁杂、线路老化、易受毁坏等问题。

斯坦福大年夜学提出了基于无线传感器收集的修建物监测系统[13],采纳基于分簇布局的两层收集系统。传感器节点由EVK915模块和ADXL210加速率传感器构成,簇首节点由Proxim RangelLAN2无线调制器和EVK915连接而成。

南加州大年夜学的一种监测修建物的无线传感器收集系统NETSHM[14],该系统除了监测修建物的康健状况外,并且能够定位出修建物受损伤的位置。系统支配于Los Angeles的The Four Seasons大年夜楼内。系统采纳分簇布局,采纳Mica-Z系列节点。

医疗卫生利用

加利福尼亚大年夜学提出了基于无线传感器收集的人体康健监测平台CustMed[15],采纳可佩戴的传感器节点,传感器类型包括压力、皮肤反映、伸缩、压电薄膜传感器、温度传感器等。节点采纳加州大年夜学伯克利分校研制、Crossbow公司临盆的dot-mote节点,经由过程放在口袋里的PC机可以方便直不雅地查看人体当前的环境。

纽约Stony Brook大年夜学针对当前社会老龄化的问题提出了监测老年人心理状况的无线传感器收集系统(Health Tracker 2000),除了监测用户的心理信息外,还可以在生命发生危险的环境下及时传递其身段环境和位置信息。节点采纳Crossbow公司的MICA2和MICA2DOT系列节点,采纳温度、脉搏、呼吸、血氧水平等类型传感器。

智能交通利用

图3所示为上海市重点科技研发计划中的智能交通监测系统[17],采纳声音、图像、视频、温度、湿度等传感器,节点支配于十字路口周围,支配于车辆上的节点还包括GPS举世定位设备。重点强调了系统的安然性问题,包括耗能、收集动态安然、收集规模、数据治理交融、数据传输模式等。

1995年,美国交通部提出了到2025年周全投入应用的“国家智能交通系统项目筹划”。该计划使用大年夜规模无线传感器收集,共同GPS定位系统等资本,除了使所有车辆都能维持在高效低耗的最佳运行状态、自动维持车距外,还能保举最佳行使路线,对潜在的故障可以发出警告。

中国科学院沈阳自动化所提出了基于无线传感器收集的高速公路交通监控系统,节点采纳图像传感器,在能见度低、路面结冰等环境下,能够实现对高速路段的有效监控。

除了上述提到的利用领域外,无线传感器收集还可以利用于工业临盆、智能家居、仓库物流治理、空间海洋探索等领域。

无线传感器收集利用的制约身分

无线传感器收集技巧的实际利用历程中,主要存在着以下制约身分:

(1)资源:传感器收集节点的资源是制约其大年夜规模广泛利用的紧张身分,需根据详细利用的要求均衡资源、数据精度及能量供应光阴。

(2)能耗:大年夜部分的利用领域必要收集采纳一次性自力供电系统,是以要求收集事情能耗低,延长收集的生命周期,这是扩大年夜利用的紧张身分。

(3)微型化:在某些领域中,要求节点的体积微型化,对目标本身不孕育发生任何影响,或者不被发明以完成特殊的义务。

(4)定位机能:目标定位的正确度和硬件资本、收集规模、周围情况、锚点个数等身分有关,目标定位技巧是今朝钻研的热点之一。

(5)移动性:在某些特定利用中,节点或网关必要移动,导致在收集快速自组上存在艰苦,该身分也是影响其利用的主要问题之一。

(6)硬件安然:在某些特殊情况利用中,例如海洋、化学污染区、水流中、动物身上等,对节点的硬件要求很高,需防止受外界的破坏、腐蚀等。

影响无线传感器收集实际利用的身分很多,而且也与利用处景有关,必要在未来的钻研中降服这些身分,使收集可以利用到更多的领域。

今朝钻研的热点问题

通信协议

(1)物理层通信协议:钻研传感器收集的传输媒体、频段选择、调制要领等。

(2)数据链路层协议:钻研收集拓扑、信道接入要领,拓扑包括平面布局、分层布局、混杂布局以及Mesh布局,信道接入包括固定分配、随机竞争要领或以上两者的混杂要领。

(3)收集层协议:即路由协议的钻研,路由协议分为平面和集群两种,平面协议节点职位地方平等,简单易扩展,但短缺治理;集群路由即分簇为簇首和簇成员,便于治理和掩护,钻研的热点是集成两种路由要领的优点。

(4)传输层协议:钻研供给收集靠得住的数据传输和差错规复机制。

收集治理

(1)能量治理:钻研在不影响收集机能的根基上,节制节点的能耗、均衡收集的能量耗损以及动态调制射频功率和电压。

(2)安然治理:钻研无线传感器收集的安然问题,包括节点认证、处置惩罚滋扰信息、进击信息等。

利用层支撑技巧

(1)光阴同步:针对收集光阴同步要求较高环境的利用,例如基于TDMA的MAC协讲和特殊敏感光阴监测利用,要求收集光阴同步。

(2)定位技巧:针对节点定位要求较高环境的利用,基于少数已知节点的位置,钻研以起码的硬件资本、最低的资源和能耗定位节点位置的技巧。

硬件资本

(1)微型化:基于特定利用的要求,钻研微型化的节点。

(2)低资源:在不影响节点机能环境下,钻研低落节点硬件的资源。

(3)新型电源:钻研太阳能电源及其他大年夜容量可再生电源,办理制约传感器收集成长利用的能耗问题。

本文主要就无线传感器收集的广泛利用进行了探究,先容了其在各个领域利用的范例实例,总结了当前制约无线传感器收集实际利用的身分及今朝的钻研热点。无线传感器收集终极将成为联系信息天下和客不雅物理天下的接口,从而人类可以经由过程传感器收集获知客不雅物理天下的信息并做出响应的步伐。

滥觞:互联网

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