传感技术及网络（精选11篇）

传感技术及网络 第1篇

无线传感器网络[1]( Wireless Sensors Network,WSN) 是在监测区域范围内通过部署大量传感器节点,并以无线通信方式形成的单跳或多跳的自组织网络系统,以此协同感知、采集和处理监测区域中的被感知对象信息,再第一时间将其发送给观察者。近年来,随着传感器技术、So C片上系统、微机电系统、低功耗无线传输技术的日臻完善,使得无线传感器网络也得到了重点研究及飞速发展。

无线传感器网络能显著提高人类对物理环境的远端监视和控制能力,从而实现信息世界、物理现实与人类社会的互联互通,因此在国防军事、环境监测、智能交通、医疗保健、物流管理、农牧业生产等方面发挥了重要而广泛的作用,并可称为是本世纪最具影响力的21项技术之一[2]。

1 无线传感器网络的特点及结构

1. 1 无线传感器网络的概念与结构

随着技术的发展进步,无线传感器网络的内涵与外延也在不断地扩展深入,同时也拓展出多种实际的应用模式。电信标准化部门( ITU - T) 认为无线传感器网络是由智能传感节点组成的网络,能够以“任何地点、任何时间、任何人、任何物”的形式实施部署。国内传感器网络标准化工作组关于无线传感器网络的定义则可描述为: “利用无线传感器网络节点及其他网络基础设施,对物理世界进行信息采集并对采集的信息进行传输和处理,以及为用户提供服务的网络化信息系统”。

虽然学术界和工业界对无线传感网络还没有形成完全统一的概念,但从理论上已经认定无线传感器网络一般具有信息感知、信息处理、信息传输和信息服务提供等功能,而且通常是由大量廉价传感节点、一个或多个汇聚节点和网关所组成的有机自治整体,其结构实现则如图1所示。

由图1可知,传感节点能自组织地形成无线网络,利用协作方式采集数据,并经多跳方式传输给汇聚节点( Sink) ;汇聚节点对来自多个传感节点的信息进行融合、处理、选择、分发,进一步地传输给网关节点; 而网关节点则可实现无线传感器网络与现有的以太网、无线局域网或移动数据通信网络的良好、全面互通。

1. 2 无线传感器网络的模型

由于基础设施的差异和无线传感器应用类型之多样,使得无线传感器的体系也不尽相同,如美国的两层体系架构,以及欧盟的五层体系架构。而我国则在2005年提出无线传感器网络的三层体系架构,并于2008年国际传感器网络标准化第一次大会上提交了相关的标准提案,其体系架构即如图2所示。

由图2可知,底层无线传感器网络由大量低成本、低功耗的传感节点组成,以此实现静态参数监测和动态目标探测,并且通过多跳等组网方式将各传感节点的监测数据传送到汇聚节点。图2中的中层无线传感器网络主要由汇聚节点、接入节点( AP) 和数据业务流量较大的高端传感器组成,能够实现对来自底层传感节点的数据处理,而且亦能实现与互联网或电信网络的互联互通。而高层无线传感器网络则是利用现有的网络基础设施,借以承载无线传感器网络的相关应用业务。

2 无线传感器网络的技术实现

无线传感器网络的实现方案主要包括网络与通信技术、协同信息处理技术、管理技术三个方面,如图3所示。其中,网络与通信技术实现数据从传感节点到用户端的有效传输;协同信息处理技术实现从复杂信息中获取有效的分析结果,包括信号特征提取、模式识别与分类、协同感知、目标跟踪等; 管理技术则是对分布的传感节点进行管理和协调,并依据功能可将其分为能量管理、拓扑管理、移动管理和任务管理等。

3 无线传感器网络的关键技术及研究现状

多数情况下,无线传感器网络需要大规模地部署于野外环境,其节点的计算资源和存储资源都十分有限,且往往采用开放的无线通信方式,因此在可靠性、安全性等方面都面临严峻挑战。基于此,能量效率、定位技术、时间同步、数据融合和安全技术即均为无线传感器网络设计中需着重考虑的关键技术。下面将对其展开逐一的分析与阐述。

3. 1 能量效率

无线传感节点一般由电池驱动,因而能量配备有限,而且对于大多数的应用场合,进行能量补给几乎是零可能,这就使得能量效率将直接影响着无线传感器网络的生存时间,也必然成为设计时优先考虑的重要约束。目前,无线传感器网络的能量消耗主要散布在信息感应、数据通信和数据处理这三个过程。为了提高能量效率,时下在传感节点上可采用动态电压调节和动态能量管理的功能设计; 在数据通信过程则使用诸如μIP、6Low PAN、Rime等[3]低能耗的通信协议。同时系统还应具有包括休眠内容的能量管理模式,即在不需要工作时可使节点进入休眠状态。

3. 2 定位技术

无线传感器网络主要应用于事件监测,只有事件数据和位置信息相结合才能产生有效的信息,而且路由协议、网络管理等也需要本地节点的位置信息,因此定位技术即成为无线传感器网络稳定、可靠运行的研究基础。但由于测量误差、计算约束,以及各类应用场合对定位技术的鲁棒性、可扩展性、连同定性精度所提出的不同需求,因此相应提出了多种定位方法,如基于测距的Ad Hoc定位技术( AHLo S)[4]、基于时间的TPS[5]定位技术,以及CPE[6]、APIT[7]等基于预留的定位技术等。

3. 3 时间同步

无线传感器节点均配备有本地时钟,节点对事件感知、目标跟踪、数据处理和数据通信等操作都与本地时序信息密切相关,各个节点间就需要相应进行本地时钟信息的高频交互,以达到且保持全局时间的协调一致,并为上层的协同机制提供技术支撑。时间同步时主要需要考虑随机时延的影响,现有的同步协议有传感器网络时间同步协议TPSN[8]、时钟扩散同步协议TDP[9]、基于速度扩散协议RDP[10]等。

3. 4 数据融合

由于传感器节点采用大规模、分布式部署,相邻节点所产生的感知数据往往带有高度的相关性,这就产生一定的冗余数据,因而需要数据融合技术以对相邻节点所采集的大量原始数据进行实时处理,而只将处理后的少量有效结果传输给汇聚节点。经过数据融合可以显著降低传输数据量,节省中间节点的能量和带宽,从而减轻网络负荷,并延长网络寿命。相关方面的研究主要有基于生产树的数据融合,如最短路径树( SPT) 、贪心增长树( GTI) 、E - Span算法[11]等; 基于网络性能考虑的数据融合,如AIDA算法[12]; 以及基于安全的数据融合等[13]。

3. 5 安全技术

无线传感器网络多会部署于开放的物理空间,因而不仅要适应严苛的自然环境,可能还需面对敌方的主动攻击。另外,无线传感器网络中各节点的自身资源也处于严重受限,且节点间通信常常采用广播的无线信号,这就使得无线传感器网络的安全性已然成为亟需解决的重要问题。目前,无线传感器网络在物理层、链路层、网络层方面均已开发有相应的安全防御策略[14]。如在物理层采用各种扩频通信技术;在链路层上采用信道监听与重传机制、纠错编码等; 以及采用SPINS[15]网络安全协议。

4 结束语

无线传感器网络管理技术论文 第2篇

无线传感器网络管理技术论文【1】

摘 要 无线传感器网络(WSN)与计算机网络有着巨大的差异，但是又广泛的应用于现代社会的各行各业。

现有的网络管理技术并不能满足WSN的运行，亟待解决各方面的问题。

本文在介绍WSN管理技术的基础上，集合WSN自身特性，介绍了现有的WSN管理技术需要具备的技术性能。

希望能够为WSN管理技术发展提供一定的启发。

【关键词】无线传感器 网络 管理技术

无线传感器网络(简称传感器网络WSN)由大量的微传感器构成，在传感器安装区域完成信息收集、处理与流通功能，被越来越多的用于交通、医疗、工业自动化等智能领域，近年来随着信息化进程的深入和物联网相关技术的成熟，无线传感器网络技术的技术研究也突飞猛进;和普通计算机网络不同，传感器网络被用于特定的应用中、要求部署巨大数量的微传感器等特征，这就需要传感器网络的管理技术具有高效、灵活、安全的特性，传统计算机网络的管理技术不再适用于传感器网络管理，因此近年来传感器网络管理技术的理论和应用研究不断的取得突破性进展。

1 无线传感器网络管理

无线传感器网络与计算机网络的不同特点使得传感器网络管理技术也具有自身特点，具体表现在轻量级、开放性、自治性、高容忍、可伸缩等方面。

1.1 轻量级

由于无线传感器有很多位传感器构成，其内部电量较少、存储量和通信距离有限。

每个传感器的体积都比较小、电池更换困难、成本和功耗较低、计算和存储能力较弱，这就使得传感器网络管理技术也要具备符合上述特点的轻量级特征。

1.2 开放性

传感器网络有着和计算机网络不同的软、硬件系统和通信协议，同时不同的应用环境、任务需求和任务目标也会使传感器网络有巨大差异;为了保证传感器网络与互联网和移动网络的相互连通，就要保证传感器网络管理技术具有开放性，能够与其他软硬件系统无缝联通。

1.3 自治性

传感器网络在建设和使用的过程中，单独的某个传感器是随机布置在某个位置的，如果人工对其进行运维，会消耗巨大的人力物力，这就需要传感器网络技术满足其自身智能决策的需求，保证传感器形成自适应的分布式网络，无需人工参与即可可靠运行。

1.4 高容忍

无线传感器的应用环境多种多样，其低成本特性导致节点有易损坏、抗干扰弱、稳定性差等问题，这就要求传感器网络管理技术能够识别和容忍这种故障，并且保证网络信息感知和传输的可靠性。

1.5 可伸缩

未来的传感器网络将会覆盖非常的区域，数量差异巨大的传感器节点将会上传巨量的信息，这就要求传感器网络管理技术在应对不同数量的节点和信息时具有良好的可伸缩性能。

2 无线传感器网络管理体系

2.1 配置管理功能

通过配置管理功能获取传感器网络中的数据，并通过数据来控制每个传感器的配置信息和传感器网络内的节点状态及其连接关系等网络状态。

通过配置管理功能可以让网络管理员对传感器网络的控制变得更强;由于无线传感器网络节点的电量、通信、存储等方面能力有限，配置管理就要在网络拓扑控制和重编程技术中实现。

节点通信和感知的基础就是拓扑控制，拓扑控制在WSN管理中有三个方面：拓扑发现、成簇管理和睡眠周期管理。

WSN重编程技术，WSN首次配置完成后对网络进行远程的软件升级、任务下达和功能再配置的过程。

由于WSN的工作环境多样，其性能和功能需求需要动态变化，不能可能事先生成其所有可能需要的运行条件和对应的系统配置，这就要求WSN管理系统具有自我重新编程配置功能。

2.2 故障管理功能

WSN大多需要在无人管理的环境中长时间顺利运行，而传感器的自身质量和性能缺陷导致WSN中随时有可能会有节点出现故障。

如果传感器节点出现故障，将会把采集到的错误信息不断地上传至网络，最终导致网络管理出现问题;还有些故障会导致节点通信受阻，数据传输终端等问题。

目前，WSN故障管理可分为集中式、分布式、基于移动装置和层次式集中结构。

集中式结构中的管理者要得到整个网络的信息才能进行精准的故障管理，这种管理技术消耗了节点的很多能量;分布式管理则有更低的能量消耗，但是会消耗较多的存储空降;层次式则是集中式和分布式的混合结构，兼顾了二者特点;由于基于移动装置的结构使用环境较为特殊，可以预测分布式和层次式的管理结构是未来WSN故障管理的发展方向。

2.3 安全管理功能

安全管理指的是通过安全管理和技术手段，保障WSN资源的保密、完整、可用性等，不会由于设备、通信协议、网络管理或者环境因素受到破坏。

安全管理的基本原则就是通过合适的技术和管理措施来确保网络资源的基本安全，从而满足传感器网络开展的安全需求。

传感器网络不同于传统网络，但又需要参考普通网络的安全管理经验，这就导致WSN网络完全在密码算法、数据完整性、数据保密性、秘钥管理技术、网络认证等方面存在不可忽视的技术难题需要突破。

2.4 性能管理功能

性能管理功能即通过考察WSN运行情况和通信速度等参数来对传感器网络性能进行评估。

性能管理要分析和监视网络及网络提供的功能是否顺利运行，其分析结果会触发网络的自身诊断机制或引导网络开启自我重配置等。

WSN包括数据收集、分析、上传等应用功能的专门网络，其性能管理还会包括以下几个方面：

(1)使用周期管理，即网络部署到网络能力耗尽的时间;

(2)数据传输性能，包括数据传输可靠性、数据传输速度等;

(3)上述性能，才能更好的完成性能管理，促进WSN网络的高效运行。

2.5 计费管理功能

目前，WSN的应用还只是应用于专门领域的闭合网络，对计费系统的需求没有很急迫，但是随着WSN的进一步发展和市场商业化深入，计费问题将会变得极为关键，并且伴随而来的数据安全、真实、可靠等问题也会越来越多。

3 结束语

WSN管理技术和理论还处在初级阶段，但是随着社会需求和相关领域的发展，WSN技术及其相关研究必将成为热点。

在WSN设计的通用性和有效性问题方面、分布式和层次式结构设计、主动网络技术、网络状态和性能的监测与优化等方面都需要进一步深入研究，对新技术进行推广，促进WSN技术的应用和发展。

参考文献

[1]刘丹，钱志鸿，刘影.ZigBee网络树路由改进算法[J].吉林大学学报(工学版)，，40(5)：1392-1396.

[2]皇甫伟，周新运，陈灿峰.基于多层抽样反馈的传感器网络时间同步算法[J].通信学报，2009，30(3)：59-65.

无线传感器网络技术【2】

【摘要】 传感器被越来越多地布置到实际的网络环境中，用于实现某些应用。

无线传感器网络已经成为了科学研究领域最前沿的课题之一，引起了工业界和学术界众多研究者的关注。

通过总结相关方面的工作，综述在不同领域中无线传感器网络的实际应用，并对具体应用的一些重要特性进行分析，在此基础上提出若干值得继续研究的方面。

基于无线传感网络技术的智能农业 第3篇

关键词：智能农业；监控系统；无线传感网络

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 16-0000-01

一、背景分析

传统的农业需要花费大量的劳动力进入到田间地头劳作，浇水施肥，耕地等等。不能更合理化的利用有限的资源创造更大的财富，很多时候反而浪费了资源。智能农业产品通过实时采集温室内温度、土壤温度、CO2浓度、湿度信号以及光照、叶面湿度、露点温度等一系列环境参数，自动开启或者关闭指定设备。可以根据用户的需求，随时进行处理，为农业综合生态信息的自动监测、对环境进行自动控制和智能化的管理提供了科学依据。方便人们对农田里的作物进行科学化管理，在第一时间了解它们的需求，极大的提高了资源利用率。传感技术为传统农业带来了革新与飞跃发展，成为了未来新型农业发展的必然趋势。

二、智能农业监控平台功能需求

为了方便管理人员对传感器传输过来的数据进行实时的监控，分析。具体功能：

（1）实现对农田里温度、湿度、光照、主要生长营养素等的数据采集。

（2）实现对传感器传来的数据进行实时采集、监测、查看。

（3）对超过设定阀值的异常数据进行报警，并能将数据发送到手机，方便远程管理。

（4）对所有采集的数据进行存储，生成曲线图，方便管理和分析。

（5）可以随意调用查看历史数据，并进行分析，根据分析结果实现自动灌溉。

三、无线网络的组成及其实现的核心技术

传感器网络系统通常包括传感器节点、网关/汇聚节点Router和管理节点。

（一）网关节点。负责对各节点传感器数据的采集、处理以及和外网通信，作为数据采集的传感器节点响应相应的网关请求，搜集周围信息，如温度、湿度，光照等；同时还要兼具有路由功能，依据一定的路由协议直接或者通过作为多跳中转的节点中传输到sink节点，再借助临时建立的sink链路把整个区域内所监控的數据传输到远程中心。

（二）传感器节点。采集的监测数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输的过程中监测数据被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网到达管理节点。传感器节点之间通信采用的是基于Zigbee技术的CC2530芯片实现。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的一种短距离的无线通信技术，具有低功耗、低速率、低成本、低复杂度等一系列特点。Zigbee遵循开放系统互连参考模型，协议栈包括物理层、媒质访问控制层、网络层和应用层，支持自组织网络技术。CC2530是TI公司生产的一款基于具有SOC，支持IEEE802.15.4、ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE标准，具有较高的无线接收灵敏度以及抗干扰性能，其传输的距离大于75m，最高传输速率可达250Kbps。

（三）管理节点。用于动态的管理整个无线传感器网络。传感器网络的所有者通过管理节点访问无线传感器网络的资源。

（四）监控系统软件。采用模块化设计，VC++6.0软件编写，采用数据库方式实现数据存储以及读取，并相应的对参数进行控制。系统可分为登陆模块、通信模块、数据显示模块、数据库修改及管理及查询模块、专家决策系统和控制模块（主要用于控制自动灌溉等技术的实现）。

四、参数设置

农业中检测的参数主要有土壤温度、土壤湿度、光照度、CO2、土壤水分、土壤养分以及各种被控对象的开关量等。不同情况下不同，具体如下所示：

（一）温、湿度节点：用于温、湿度监测，温度传感器选用DS18B20，测温范围为-55℃～+125℃，分辨力最高达±0.0625℃，精度±0.5℃，响应时间<1s。湿度传感器的选择频率输出湿度模块HF3226（用湿敏电容HS1101制造），宽量程：10～95%RH，体积小，性能稳定，工作温度范围–40～80℃，精度±5%RH，比例线性的频率输出。

（二）光照度、CO2节点：传感器采用PD-LL，精度：±2%，测量范围0-20000lux。CO2传感器选择TGS4160（固态电化学型气体敏感元件），测量范围：0～5000ppm；加热器电流：250mA；加热器电压：5.0±0.2VDC；加热器功耗：1.25W；温度：-10～+50℃。

（三）土壤温度、养分、水分节点：土壤水分传感器选择AQUA-TEL，测量各种土壤的单位体积含水量，测量范围：0-100%，误差<3%，重复性误差<1%；土壤养分测定包括土壤有机质、pH值、氮、磷、钾pH值以及交换性钙、镁的检测，可采用离子、生物传感器。

五、结束语

无线传感器网络技术融合了传感器技术、计算机技术和网络通信技术。各传感器分工合作，自主组网，网络拓扑动态变化。具有随机部署、分布式结构、自组织、智能型、成本低、环境适应性强等等特点。将无线传感网络技术应用于农业经过近几年的研究已经接近成熟，并且将在以后的飞速发展下为世界带来更多好处。如果对传感器节点加以修改，按照自己的需求重新配置，可将其应用于更多方面，如环境监测、医疗事业、工业自动化等领域。

参考文献：

[1]李慧，刘毅.温室控制技术的发展方向[J].林业机械与木工设备，2004（05）：78-80.

[2]陆志平，秦会斌，王春芳.基于多传感器数据融合的智能火灾预警系统[J].杭州电子科技大学学报，2006（05）：123-125.

[3]于海斌，曾鹏.智能无线传感器网络系统[M].北京：科学出版社.2006.

传感器网络标识技术及标准化 第4篇

关键词：传感器网络,标识,标识符,传感节点,统一标识

1 概述

传感器网络由最初战场监测等军事应用到如今已经被广泛应用于多种民用领域，如救灾、环境、工业、家居等。随着物联网的提出，作为物联网技术的重要组成部分，传感器网络得到了更为迅速的发展。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，将信息传送至用户。

传感器网络结构如图1所示，通常包括传感节点、汇聚节点和管理节点。大量传感节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过无线自组织或其他方式构成网络，传感节点监测的数据沿着其他传感节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星网络到达管理节点，用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

传感节点作为组成传感器网络的重要组成部分，是感知信息在网络中传送的起点，需要唯一、无歧义地标识。随着传感器网络应用领域的不断扩大，应用环境和网络结构日趋复杂，对传感器网络中传感节点的统一标识有迫切需求。

传感节点(以无线为例)是无线传感器网络(WSN)的主要组成部分，硬件一般由传感器、微控制器、无线收发器和能量供应模块四个部分集成为一个整体。传感器部分主要负责信息的采集并将其他如光信号、电信号、化学信号转变为电信号并发送给微控制器;微控制器需要接受传感器的信号并进行相应的处理;无线收发模块负责收发数据，即通信的物理实现;能量供应模块为以上各模块的工作提供能量。如图2所示。

2 传感器网络标识的目的和原则

传感器网络标识的目的是保证传感节点唯一、无二义性并准确地引用，使得传感节点在网络中有确认身份，从而在本地传感器网络甚至广域网络范围内实现对传感节点的引用和标识信息的共享。

标识原则如下：

●唯一性:在指定范围内必须是唯一的;

●全球性:在全球范围内有效;

●独立性：作为一种通用标识符，独立于节点的物理位置、任何具体的应用和应用系统;

●可被注册：标识符要求被非营利性机构注册并发布;

●兼容不同编码方案：能够支持多种编码方案，这是非常重要的，因为现存多种编码方案，以后可能会有新的编码方案，故标识符能够支持多种编码方案是非常重要的。

3 传感节点标识符的设计策略

设计传感节点标识符时，应考虑下列因素：

●唯一性：保证唯一性需要保证标识符有足够的长度，以兼容目前和未来传感网节点标识符的使用需求;

●简单性：标识符的编码设计应该遵循尽可能简单的设计原则;

●可扩展性：标识符设计应考虑未来扩展需求，具有可扩展性;

●可存储性：标识符的长度要能适应节点可以存储，与传感节点的存储空间相适应;

●可传输性：应考虑传感节点标识符在本地网络和全局网络传输特点需求;

●安全性：应考虑标识符标识信息的安全需求。

4 对象标识符（OID)

OID是一种应用范围广泛的标识机制标准，由ITU-T和ISO/IEC国际标准化组织联合制定ISO/IEC9834多部分标准，用于对任何类型的对象、概念或者“事物”进行全球无歧义命名，一旦命名，该名称终生有效。

从OID定义“通信和信息处理世界中的任何事物，它是可标识(可以命名)的，同时它可被注册”可以看出，OID是与对象相关联的用来无歧义地标识对象的全局唯一的值，可保证对象在通信或信息处理中正确地定位和管理。通俗地讲，OID就是网络社会中对象的身份证。OID编码结构为树型结构，其结构如图3所示。在标识对象时，标识符为由从树根到叶子全部路径上的结点顺序组合而成的一个字符串。

国家OID注册中心按照以下标准负责我国“1.2.156”和“2.16.156”下OID的注册管理工作。

GB/T 17969.1-2000《信息技术开放系统互联OSI注册机构操作规程第1部分：一般规程和ASN.1客体标识符树的顶级弧》(对应国际标准ISO/IEC9834.1) ;

GB/T 17969.3《信息技术开放系统互联OSI注册机构操作规程第3部分：ISO和ITU-T联合管理顶级弧下客体标识符的注册》(对应ISO/IEC9834.3) ;

GB/T 26231-2010《信息技术开放系统互连对象标识符(OID)的国家编号体系和注册规程》。

5 传感节点标识符结构

标识符是无歧义标识一个“传感节点”的基本方法。从形式上看它可以是数字型、字符型和数字字符混合型。从功能上看标识符可以分为掩码、意码和混合码。掩码纯粹是为了唯一标识一个对象，号码本身无法分解为任何有意义的信息;意码则对标识号码中每个数字或字符赋予了具体的预先规定的含义。传感网中的标识符可根据传感节点的不同类型、不同功能或不同层次选用不同功能的编码方式。

传感节点标识符可分为两个层次进行标识，一级标识结构如图4所示。

从OID的结构特点来看，OID可非常好地满足传感节点标识符全球唯一性、可扩展性和兼容多种编码方案等需求，因此，图4中“前缀”可用OID表示。

二级标识编码结构如图5所示。

6 结语

目前传感器网络的大规模应用还没有形成，不同传感器网络应用存在不同的标识方案，这些网络之间没有互联互通。

浅谈无线传感器网络技术及其应用 第5篇

关键词：无线传感器网络；现状；热点；应用

中图分类号：TP212.9文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 03-0000-01

Discussing on the Wireless Sensor Network Technology and Application

Wang Zurong,Hu Jinbo

(Institute of Computer Science,Yangtze University,Jingzhou434023,China)

Abstract:Wireless sensor network technology in communications,computer,sensor technology product of the combination of three,is a new information acquisition and processing technology,is a huge influence in the twenty-first century,one of the technology.In this paper,the current international and domestic technology,introduced the status of wireless sensor networks and hotspots,and the future of the wireless sensor network applications are discussed.

Keywords:Wireless sensor network;Status;Hot;Application

一、前言

無线传感器网络（Wireless Sensor Networks），即WSN，就是由大量的具有计算能力和无线通信能力的传感器节点以自组织方式构成的无线网络。其目的是采集和处理网络覆盖地理区域内感知对象的信息，并提供给观察者。与传统无线网络相比，无线传感器网络具有功耗低、造价低、布局灵活性强、监测精度高等特点，因此得到了广泛应用。

二、国内外研究现状、热点

现代意义上的无线传感器网络研究始于二十世纪90年代末。1998年，美国国防部提出“智能尘埃”概念，是无线传感器网络技术研究的始祖，其目的是为了监视敌方的活动而不被察觉。无线传感器网络技术在军事、民用、商业等领域有着广阔的应用前景和独到的技术优势，因此，引起了世界各国的极大关注。目前，美国仍然处于这项研究的最前沿，美国国防高级研究计划署（ARPA），一些知名大学，以及英特尔和微软等大公司，在国家的大力支持下，展开了大量的研究工作。英国、日本和意大利等国家，也对无线传感器网络的研究表现出浓厚的兴趣。而在我国，一些知名大学已展开了一些的相关研究工作，几乎与发达国家处于同步水平线上。纵观现今无线传感器网络研究的热点，可概括为如下几种：

（一）网络拓扑。无线传感器网络有一个好的网络拓扑控制管理机制，对于提高MAC协议和路由协议的效率有很大帮助，而且还能延长网络的寿命。目前在这个方面研究的主要方向是在满足网络连通度和覆盖度的情况下，通过选择路由路径，生成一个能高效率的转发数据的网络拓扑结构。

（二）网络协议。对于无线传感器网络，网络协议的研究是非常具有挑战性的。在无线传感器网络中，传感器的节点有存储能力有限、能量约束很强、通信能力较弱、以及移动性较弱这些特点，因此，在网络协议设计中，我们主要的目标是促进负载的均衡和减少能量的消耗，节点上运行的协议不能太过于复杂，是为了提高网络的生存时间。同时，因为网络中节点的通信距离有限，若要和通信距离以外的节点进行通信需要路由。

（三）网络安全。无线传感器网络除了上面提到的两个方面的问题外，还要考虑到数据的安全性，无线传感器网络处于真实的物理世界中，缺乏专门的维护和服务，因此无线传感器网络的安全受到严峻的考验。一般我们从两个方面来考虑：一方面是从维护路由安全的角度出发，尽可能寻找到安全的路由来保证网络安全。另一方面我们把重点放在如何设计出安全的协议方面。

（四）定位技术。节点定位是指确定每个传感器节点在无线传感器网络中的相对地理位置或绝对地理位置。通过节点定位，我们可以知道传感器节点位置的信息，从而确定信息来源的准确位置。定位的技术主要有两种：基于距离的定位和基于距离无关的定位。其中基于距离的定位对硬件的要求，对精度的要求都比较高。基于距离无关的定位对硬件要求比较小，受环境影响也较小，虽然误差比较大，但其精度已经足够满足多数传感器网络应用的要求，所以这种定位技术也是最近大家研究的重点。

无线传感器的研究热点还有很多，比如时钟同步技术、数据融合技术、容错性技术等都值得我们进一步研究。

三、无线传感器网络技术的应用

无线传感器网络技术在许多领域都有极高的应用价值。最初，它主要应用在军事上，后来，扩展到了医疗、环境和商业等领域。目前，无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：

（一）环境监测、保护。二十一世纪，人们对环境问题的关注度越来越高，需要采集的数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究获取数据提供了方便，而且还避免了传统数据收集方式给环境带来的种种破坏。例如，无线传感器网络可以用来跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化给农作物带来的影响，监测海洋、土壤和大气的成分等。

（二）军事领域。由于无线传感器网络具有密集型和随机分布的特点，使之非常适合运用于军事领域。利用传感器网络能够实现对敌人装备和兵力的监控，目标的准确定位，核武器和生化武器攻击的监测和搜索等功能。例如，我们通过飞机、炮弹将传感器节点撒到敌方内部，或者在公共区域部署无线传感器网络，就能够非常隐秘的收集到战场的信息，从而获取作战的有利信息。

（三）医疗护理。无线传感器网络在医疗研究、护理领域也是大有所为。例如，在住院的病人身上安装上具有特殊用途的传感器节点，医生就能随时了解到病人的情况，进行远程监控，了解他们的身体情况，如血压、脉搏等等，一旦发现有危险，就能在第一时间进行救助。因此，利用无线传感器网络不仅能快速、方便的使病人得到医治，而且还大大的减轻了护理人员的负担。

四、总结

二十一世纪飞速发展，尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，可是它带来的成果却是显而易见的，还有很大的空间值得大家去研究、探索。相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用，造福人类。

参考文献：

[1]美国国防部关键技术计划（1992财年）[R].北京:国防科技信息中心,1993

[2]黄进宏,左菲,曾明.一种基于能量优化的无线传感网络自适应组织结构和协议[J].电讯技术,2002,42,6

无线传感器网络技术发展现状及趋势 第6篇

1、无线传感器网络的概念及其演化历程

无线传感器网络 (WSN) 是由部署在检测区域内大量的传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统, 目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息, 并发送给观察者作进一步处理和应用, 实现了物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。一个WSN主要包括传感器节点、无线传感器网络、远程通信网、管理中心、用户等元素。WSN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。[3]

2、无线传感器网络技术研究现状

无线传感器网络技术是多学科交叉的研究领域, 因而包含众多研究方向, 目前的研究主要集中在如下几方面:

2.1 MAC协议的研究

MAC协议解决无线传感器网络中的通信冲突问题, 控制无线通信模块的运行, MAC层的运行效率直接反应整个网络的能量效率, MAC协议成为WSN最为活跃的研究热点。MAC协议一般采用“侦听/休眠”交替的信道侦听机制, 以减少空闲侦听, 节约能耗。根据协议中为减少数据碰撞和串音现象而采用的不同方法, 可以将MAC协议分为三类: (1) 利用时分复用 (TDMA) 的方式为各节点分配独立固定的信道; (2) 通过频分复用 (FDMA) 或者码分复用 (CDMA) 的方式, 实现无冲突的强制信道分配; (3) 通过竞争机制, 保证节点随机使用信道并且不受其他节点的干扰。[4]

在MAC协议研究中, Ye.W等提出了WSN最经典的基于睡眠的MAC协议S-MAC[5]。Ahn G-S等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[6]。Rajendran V等研究了WSN中无竞争访问的高能效方法[7]。Zhai H和Kim Y等则研究了基于多射频、多信道的MAC协议[8、9]。Zhu H等研究了适应链路特性的多链路MAC控制机制[10]。美国电气电子工程师学会 (IEEE) 制定了主要用于传感器网络中的EEE802.15.4标准, 它定义了协议栈中的MAC层和物理层, 为廉价设备提供了一种极低复杂度、成本和功耗、低数据率的无线互联标准[11]。

2.2 路由协议的研究

路由协议负责将数据分组, 从源节点通过网络转发到目的节点。它主要包括对数据进行编码、寻找源节点和目的节点间的优化路径、将数据分组沿着优化路径正确转发等功能。

近几年, 对传感器网络的路由协议和设计方法的研究不断深入, Gandham S等利用图论中流量优化的方法为采样数据报选择路由[12];Rugin R等将MAC层和路由层协议捆绑, 用跨层优化技术来进一步节省路由功耗[13];Wang X等设计的路由能对随机部署的传感器网络进行自适应调整网络拓扑, 并让冗余节点经常处于睡眠状态[14];戴世瑾, 李乐民提出一种能够根据节点状态自主竞争簇首的分布式高效节能的无线传感器网络数据收集和路由协议HEEDC[15];李凌晶等提出能量有效的可信路由协议 (EERRP) , 它采用一种能量均衡策略, 使网络中的能量均衡消耗, 将网络生命周期最大化。同时, EERRP引入了信誉评价机制, 通过节点在数据传输过程中对其它节点行为的监测以及信誉传播, 使数据在通信过程中能够尽可能地避开问题节点到达目的节点, 达到可信数据传输的目的[16]。

2.3 定位技术

只有结合位置信息, 传感器获取的数据才有实际意义。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件”, 实现对外部目标的定位和追踪。了解传感器节点位置信息可以提高路由效率, 可以使WSN系统智能地选择一些特定的节点来完成任务, 从而大大降低整个系统的能耗, 提高系统的存活时间。

目前主要的定位算法主要有:SPA (self positioning algorithm) 相对定位算法、凸规划定位算法、DV-Hop定位算法、DV-distance定位算法、Euclidean定位算法、DV-coordinate定位算法、DV-Bearing和DV-Radial定位算法等。

2.4 拓扑结构与拓扑控制

无线传感器网络的拓扑结构是指它采用什么样的网络结构来组织节点。根据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, 主要有以下几种拓扑结构:

(1) 扁平结构。

该结构中的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。最经典的定向扩散路由 (Direct Diffusion) 研究的就是这种网络结构。

(2) 基于分簇的层次型结构。

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, 然后南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。

(3) 网状网 (Mesh) 结构

在传感器节点形成的网络上增加一层同定无线网络, 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等总结了无线Mesh网络的应用模式。

(4) 移动汇聚结构。

在这种结构中, 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目标。Kim等提出的SEAD分发协议就是针对这种组网模式。Kim.H和Bi.Y等研究了该种结构。

(5) 机会通信模式。

该结构中的传感节点全部为移动节点, 它们通过与固定的M e s h网络进行数据通信 (移动产生的通信机会) 。

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, 以实现网络的连通 (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[17]。Chen A等研究了栅栏 (边界) 防护应用中的拓扑覆盖问题[18]。Li X则通过图理论研究无线网络的拓扑控制算法[19]。Wang X、Ye F、Schurgers C和Lu G等学者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[20]。

2.5 能量管理

节能是无线传感器网络能量管理的重点, 它几乎贯穿无线传感器网络发展的各个方面。目前, 主要从传感器节点的结构设计和节点休眠与工作管理、MAC协议和路由协议设计、数据处理、节点定位、时间同步都等方面统筹处理无线传感器网络节能问题。如文献[15]、[16]设计了带有能量控制的路由算法和数据收集算法, 以节省资源, 从而延长网络寿命。

无线传感器网络技术及其支撑技术很多, 研究热点也很多, 如网络安全问题、时间同步问题、数据管理和信息融合等, 许多研究者已对此做了相关研究。

3、无线传感器网络技术的发展趋势

多年来经过不同领域研究人员的演绎, W S N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、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。无线传感器网络的深入应用, 以下方面将是无线传感器网络领域的研究热点。

(1) 仿真平台:

目前存在的许多WNS仿真平台, 都具有某些使用的局限性。因此标准仿真技术与工具的研究是WNS领域中的研究热点之一。

(2) 传感器节点的研发:

在不同应用领域, 传感器节点类型不同。研发新型、成本低、功耗低的传感器节点是无线传感器网络技术发展中的一项重要事宜。

(3) 节点定位算法及其评价模型

目前已有许多定位算法, 进一步的定位算法研究主要针对如何利用少数信标节点提供的位置信息和其它节点的通信之间的约束进行低成本、高精度地估算未知节点, 尤其是移动节点的位置。

(4) 跨层设计:

跨层设计的目标能够实现逻辑上不相邻的协议层之间的设计互动与性能平衡, 使无线传感器网络的能量管理、低功耗设计等达到更优。

(5) 网络融合研究:

具有数据采集、预处理和传输功能的无线传感器网络只有与现有互联网、移动通信网等的融合, 才能够使其得以借助这两种传统网络传递信息, 才能利用传感信息实现应用的创新。

(6) 无线传感器网络在成熟产业中的应用研究:

努力与现有系统进行无缝连接是无线传感器网络技术持续发展的重要基石, 是无线传感器网络进一步产业化、市场化的关键。

4、结语

无线传感器网络及其技术方兴未艾, 要想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, 更需要政府的引导、企业的积极参与。无线传感器网络及其技术从机制研究、系统研发, 到应用示范试点, 正在逐渐走向成熟。为了让无线传感器网络更快地进入应用产业, 在努力突破WSN关键技术的同时, 还要更多地将目标转向改善成熟产业中对自动化监测、检验和管理等的应用需求, 努力做到与这些系统的无缝连接。

摘要：无线传感器网络是多学科融合的结果, 其应用领域广泛, 应用前景无限, 受到政府、学术界和工业界越来越广泛的重视。介绍了无线传感器网络的基本概念及其应用结构和体系结构, 总结了无线传感器网络的特点, 简要介绍当前无线传感器网络技术研究热点的最新进展, 并对无线传感器网络及其技术的发展趋势进行了论述。

传感技术及网络 第7篇

1.1安全机制不完善

无线传感器网络主要就是将被监测范围内数量比较庞大、价格比较低廉的微型传感装置按照一定的节点进行安排和部署,然后通过无线网络通信的手段来构成多条具有自发性的网络组织。但是在这个过程中,由于无线传感器网络的安全机制不完善,再加上其会受到能量节点、无线网络通信以及自发性组织的影响,无线网络传感器在应用的过程中会受到一定的局限。因此不能使用比较成熟的安全技术对其进行全方位的保护。同时在设计的过程中,针对无线传感器网络的物理保护也不能达到良好的效果。另外,由于无线传感器网络自身的安全因素很容易发生扩散,如果不及时加以处理就会使整个无线传感网络受到严重的影响和阻碍。

1.2能量有限

当无线传感器网络将微型的传感装置按照一定的节点进行安排和部署以后,对其实施展开、更换或者是替代就会变得很困难。而如果无线传感器网络在没有电流通过的情况下,就不能够对其进行科学合理的充电。但是,无线传感器网络大部分连接的设备都具有高能耗的特点,因此在应用无线传感器网络时,就不能使其发挥出比较长久的效果和作用。这不仅影响到了无线网络通信技术的持续发展和进步,也会使得无线传感器网络发生较为严重的安全问题。因此在实际应用的过程中,必须对低能耗的设施进行改进,并对其进行密切的关注。

1.3随机性的组织

无线传感器网络的结构体系主要是由大量的微型传感装置组成,其自身的保障体制比较缺乏系统化和规范化,因此大部分都为自发性的组织形成。无线传感器网络由于不具备良好的安全保障以及稳定性,因此在节点的安排和部署方面也会表现出一定的随机性。另外,在无线传感器中,其结构体系中的各组成部分以及节点的位置不能有效地确定,因此无线传感器网络安全技术的作用也不能得到有效的发挥和实现。

1.4缺乏可靠的通信

无线传感器网络在应用的过程中,无线网络通信的信息传输通道缺乏一定的稳定性,同时由于大部分的路由通信通道都有比较明显的延迟性,因此不能很好地保证无线网络通信传输的可靠性和安全性。当传输一些比较重要的数据信息时,就很容易遭到拦截,即在传输的过程中会发生泄漏。这种缺乏可靠性和安全性的无线网络通信,就不能有效地确保数据信息传输的安全性和可靠性。

2无线传感器网络安全技术及应用中的影响因素

在无线传感器网络安全技术及应用的过程中,能够破坏其安全性的形式主要有2种:一是拥塞攻击,二是碰撞攻击。第一种破坏形式主要是指:当无线网络通信传输的频率被破坏者明确以后,破坏者就会利用周围较近区域的通信频点来发射无线网络通信电波,从而给通信造成极大的干扰。出现这样情况时,必须采取一定的防御措施加以应对,然后将无线传感器网络中所涉及的节点进行位置转换,从而使得无线通信能够顺利地展开。第二种破坏形式主要是指:破坏者在一个节点上发送通信信息时,其会将另一节点位置上的数据信息一并发送出去,使得原本发送的信息受到碰撞攻击,并且其很容易跟后面的发送的信息叠加在一起,这2种信息不仅不能分离开来,还会对正常的无线网络通信造成影响,从而给人们无线网络通信传输安全性和可靠性造成极大的影响和破坏。针对这一情况,主要采取的方法就是设计一个监听系统,然后运用纠错系统对发生重叠的信息进行搜索和查找,然后将其及时删除,从而有效地保证无线网络通信信息传输的安全性和可靠性。

3无线传感器网络安全技术及应用中的策略分析

3.1路由技术

在无线传感器网络安全技术及应用中,使用路由技术主要是为了节省其节点安排和部署中所涉及的能量,并能最大程度地表现出无线传感器网络体系的具体形式。其工作流程如图1所示。

由于其在传播的区域内数量比较庞大,因此在传输无线网络通信的过程中,常常会受到一定程度的攻击。比如在DD路由技术中,其基本的协议就是运用泛洪来拦截和获取通信中的恶意信息,然后使用无线网路来将数据包传输出去,这不仅会对通信信息的正常传输造成影响或阻碍,同时还会使得通信流程不能顺利地展开和进行。而当使用TESLA路由技术和SNEP技术组合而成的SPINS路由技术以后,就能够有效地缓解泄漏数据信息的现象,同时也能够极大地提高其防御能力,从而使得整个无线传感器网络的安全性和可靠性都得到有效的保障。

3.2密钥技术

在密钥技术的处理和管理过程中,在密钥技术从生成直至结束后的整个阶段中,会产生各种各样的问题,这也是整个加密体系中安全性能最薄弱的阶段,因此其信息泄漏的频率也比其他技术高很多。目前,国内的密钥技术中,主要是对具有对称性质的密钥机制加以处理和管控,其主要内容就包括对信息的预先共享以及非预先共享的形式,同时还包括确定分配形式以及概率分配形式。其中,概率分配形式的原则为,如果密钥技术中的信息共享能够完整地展示出来,就必须根据能够进行准确运算的概率,提出合适的分配形式。而确定分配形式主要是一个能够进行共享的密钥技术,这个密钥主要部署在必须进行互换的信息节点之间,并且这个过程中的所有方式都是具有确定性的。

3.3密码技术

在无线传感器网络应用的过程中,针对一些具有安全隐患的因素,可以通过设置密码加以保护,并且运用先进的密码技术能够在很大程度上确保无线网络通信传输的安全性。在应用密码技术时,主要是将密码技术中所涉及的数据信息的长度不断延伸和扩大,或者是将其中的代码的长度不断地延伸和扩大,从而有效地保证数据信息不会轻易地被泄漏,进而保障无线通信信息传输的可靠性和安全性。但是在密码技术中,由于某些密钥运算具有明显的不对称性,再加上其不仅具有良好的安全保护性能,还能够将密码设定简易化,因此其在人们的生活和工作当中得到了极大的推广和应用。而由于通信装置的类型层出不穷,因此必须应用密码技术加以保护。尽管密码技术具有良好的安全性能,同时又能够节约大量的能量,但是由于其价格非常昂贵,因此密码技术的应用还不是非常广泛。

3.4安全信息融合

无线传感器网络主要是由大量的、复杂的信息数据组成,在这些数据信息当中,有的会被剔除,有的会进行融合,最后根据使用者的需求加以传输和共享。因此在无线网络通信传输数据的过程中,必须高度重视其安全信息的融合。在融合阶段中,需要对各个节点所涉及的数据进行细致的融合,并将融合后的具有实际作用的信息数据进行传输,传输的位置是在基本的供应站上。最后是对其实施综合的评价和监测,从而使得安全信息融合能够得到更好的安全保障和实际意义。

4结语

综上所述,无线传感器网络安全技术不仅非常先进,同时其应用以及推广的速度也非常快,因此必须重视无线传感器网络应用中的安全隐患,从而保证其在应用的过程中不会造成信息泄漏或者其他的损失。

摘要：随着科技的不断进步,无线传感器网络技术得到了极大的推广和应用,并且给人们的生活和工作带来了极大的便利。在应用的过程,要对无线传感器网络安全技术加以研究和探索,从而防止泄漏军事或科技上的重要信息,进而避免发生不可挽回的重大损失。文章对无线传感器网络安全技术及应用实践进行了探索和分析,对其自身存在的安全隐患或者由于外界因素影响下产生的安全问题作了详细的阐述,并对几类具体的安全技术及其策略作了详细的分析和阐述。

关键词：无线传感器,网络安全技术,应用实践,分析

参考文献

[1]黄晓.无线传感器网络应用若干关键问题研究[D].南京:南京邮电大学,2011.

[2]尚兴宏.无线传感器网络若干关键技术的研究[D].南京:南京理工大学,2013.

[3]曾玮妮.无线传感器网络应用层安全关键技术研究[D].长沙:湖南大学,2011.

[4]赵小川.层次型无线传感器网络关键技术研究[D].北京:北京邮电大学,2013.

[5]沈士根.基于博弈论的无线传感器网络安全若干关键问题研究[D].上海:东华大学,2013.

无线传感网络的唤醒技术研究 第8篇

运用唤醒技术的无线传感器系统是由大量低成本低功耗的具有传感计算与通信能力的微小节点构成的资质网络系统, 是能根据环境自主完成各种监测任务的智能系统。由于其具有自组织, 成本低, 构建灵活等特点, 使得在军事, 汽车电子, 工业控制, 环境监测, 医疗卫生, 智能居家等领域有着很好的应用前景。由无线传感器节点构成的无线传感器网络综合了嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术, 能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息, 并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去, 通过无线网络最终发送给观察者。

无线传感器网络大部分是采用电池供电, 工作环境通常比较恶劣。而且数量大, 更换电池非常困难, 所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一。本文就此提出了采用Zigbee技术, 以CC2530为主芯片的唤醒机制。在网络节点有些模块不工作或者处于休眠状态时, 系统就可以将其供电电路断开以节约用电, 当有指令将节点唤醒时, 则接通节点供电电路, 以保证系统的正常工作。这样便可有效节约电能, 延长电池的供电时间和使用寿命, 同时也保证了整个网络系统的工作质量。

2、基于唤醒技术的无线传感网络的总体设计

基于唤醒技术的无线传感器网络主要由125k低频信号天线, 唤醒电路 (核心:低频唤醒接收器MCP2030, AS3932) , 工作器件 (核心:主处理器CC2530或者MSP430) 。

其系统总体框图如 (图1) :

3、传感器电路系统

模拟器测试下, 我们的唤醒技术在传感器电路系统应用中有如下特点:

(1) 拥有多种节能工作模式;

(2) 低功耗;

(3) 三方向磁场信号检测接受;

但是在唤醒技术的应用中仍存在不足:

(1) 节点附带电源, 会使传感节点的使用环境存在局限;

(2) 低频信号的覆盖范围需要300ppm以上才能有实际的唤醒意义, 这意味着信号收发需要更长的天线, 不利于实际使用。

由于单个节点能量有限且易受攻击, 无线传感器网络的节点通常采用高密度布散, 利用冗余提高监测数据的正确性和系统运行的可靠性。大部分传感器感知模型基于布尔感知模型[1], 即只有当目标在传感器节点的感知范围内时, 才能被该传感器的节点所监测到。传感器的感知能力会随着与信号源之间的距离的增大而衰减。

4、基于Zigbee技术的信号收发单元

ZigBee技术是一个具有统一技术标准的短距离无线通信技术[2]。Zigbee技术是一种新型的应用于短距离范围内, 低速率传输的无线通讯技术, 主要具有功耗低, 成本低, 数据传输可靠, 网络容量大, 兼容性好等特点。

本文主要从两个方面考察了Zigbee技术的低功耗特点:

(1) 为了增加ZigBee无线传感器网络的容量及解决传感器网络中重要的能源供给的问题, 对ZigBee传感器网络核心通信部分ZigBee汇节点和传感器节点之间的通信, 采用了基于需求时唤醒的工作模式。这种模式可以大大节省传感器节点的功耗, 减少信息上报时的碰撞概率, 延长网络的寿命。本文将Zigbee技术的工作原理绘制如 (图2) :在传感器节点的检测电路检测到其所在的环境参数发生变化时, 由传感器节点中的ZigBee通信传输模块对信息进行简单处理后, 主动发起连接, 将处理后的信息继续传送。

(2) 工作模式情况下, Zigbee技术本身由于传输速率低, 传输数据量很小, 因此信号的收发时间相对较短, 通信距离短的情况下工作状态的耗电约为30mW, ;在非工作模式时, Zigbee节点由于工作的时间较短、收发的信息功耗较低且采用了休眠模式, 使得Zigbee节点在休眠状态下耗电量仅仅只有1 W[3], Zigbee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右。这就降低了更换电池的难度。

5、基于MCP2030, AS3932的唤醒控制单元

5.1 MCP2030芯片

唤醒控制单元采用的是Microchip公司开发的专门针对低频无线磁场通信的模拟前端器件MCP2030。该器件集成有8个可编程配置寄存器和1个只读状态寄存器, 根据寄存器配置, MCP2030可以输出解调数据、载波时钟和磁场强度RSSI。该器件模拟接收电路具有较强的灵敏度, 可以接收识别1 mVpp信号并解调8%的微弱调制信号。为了得到可靠的磁场信号, MCP2030采用了3组天线和3组接收解调电路。3组天线分别指向互相垂直的X、Y、Z轴, 这样无论接收器如何放置, 总可以得到磁场信号, 从而解决了磁场信号的方向性问题。其结构框图如 (图3) 所示。

MCP2030集成了无线信号数字序列滤波部件, 可以根据需要设定数字序列, 器件只有当接收到特定数字序列时才做出响应, 所以可有效避免其他信号干扰所引起的激活现象。图3所示为无线数字序列符合设定数字序列的情况, 特定的数字序列为“2ms有2ms无”载波信号, 此时LFDATA在监测到特定序列之后输出的ASK调制信号, 如果无线数字序列不符合设定数字序列, LFDATA无输出。

MCP2030具有功耗极低的显著优势, 为便于在自备电源的嵌入式系统中应用, 专门设计优化了3种工作模式, 即休眠模式、待机模式和工作模式。休眠模式由SPI接口命令进行控制[4], 进入休眠之后, 除寄存器、存储器和SPI功能电路之外, 包括RF限幅器在内的所有电路都将关闭, 以使消耗的电流最低 (0.2μA) , 需要用上电复位以及除休眠命令外的任何其他SPI命令将器件从休眠模式唤醒;当天线输入没有LF信号时, 器件将自动处于待机模式, 但器件内部各部分电路已上电并准备接收输入信号, 待机模式下电流消耗的典型值为4μA[5] (3个接收天线工作) ;当在LF天线输入上有LF信号且内部电路随接收的数据而进行切换时, 器件处于低电流工作模式, 该模式下电流消耗仅为13μA[5]。本文所演示的设计方法利用Mcp2030的这些优点, 将能耗降到最低。

5.2 AS3932芯片

奥地利微电子公司推出全新的3通道、低功耗、低频唤醒接收器AS3932, 能以目前业界低功耗提供极佳的灵敏度, 扩展了旗下射频产品系列。通过对功耗、灵敏度和可编程性的全面优化, 支持广泛应用的125kHz频段, 适用于各类应用。AS3932的主要目标应用包括高价值资产跟踪、实时定位系统、操作员识别、接入控制或无钥门禁等。

本文对该芯片的优点特性做了如下总结:

(1) 3个独立的接收通道;

(2) 可检测来自任意方向的唤醒信号;

(3) 模式数据可以在寄存器内编程设定;

(4) 可防止错误唤醒;

(5) 灵活的数据流管理;

其结构图如 (图4) ;

本文设计的产品利用AS3932的低功耗、高效率、高精确度的特点, 用该芯片接收125kHz的唤醒信号, 并唤醒电路, 使其正常工作, 从而实现能源的智能供给。

6、基于CC2530的信号处理单元

CC2530是一款兼容IEEE 802.15.4的片上系统。集成了增强型8051内核。结合, I’I ZSTACK协议栈可方便的组建自己的无线通信网络。

CC2530有四种不同的版本:CC2530-F32/64/128/256。分别带有32/64/128/256KB的闪存空间;它整合了全集成的高效射频收发机及业界标准的增强型8051微控制器, 8 KB的RAM和其他强大的支持功能和外设。

主要特点:

(1) 高达256kB的闪存和20kB的擦除周期, 以支持无线更新和大型应用程序;

(2) 8kB RAM用于更为复杂的应用和Zigbee应用;

(3) 可编程输出功率达+4dBm;

(4) 在掉电模式下, 只有睡眠定时器运行时, 仅有不到1uA的电流损耗;

(5) 具有强大的地址识别和数据包处理引擎。

本文的所提及的设计采用CC2530对来自被唤醒工作节点的信息进行运算处理, 在主芯片中进行信号的分析与处理并且控制实体完成相关任务。由于CC2530功能强大且经济低功耗, 符合本文绿色环保的设计理念。

7、结语

首先对无线传感节点进行深入的研究, 熟悉掌握节点设计的要求, 在节点安装一个唤醒控制电路, 从而使节点有听从信号指令适时休眠或工作的功能。节点通过自组织构成了的网络能够运用于大型化的超市管理、农场智能灌溉, 及道路汽车信息采集等方面, 实现节能效果的同时也具有很强的实用性和稳定性。

摘要：ZigBee无线传感网络在家居、工业、医疗等领域应用的发展暗示着它已经成为一种新的技术趋势。本文提出一种基于ZigBee技术的无线传感器网络:为了快速构建自己的无线通信网络, 以CC2530芯片为核心构建了一个无线传感网络;为了降低每个传感器节点的功耗, 同时延长传感器节点的寿命, 提出传感器节点在低功率监测信道和定时周期性唤醒机制下工作, 在满足网络应用的前提下尽可能地延长网络寿命, 实现能源的智能供给的理念。该理念将各种节能技术在服务的层面上综合考虑, 贯穿于应用解决方案的各个环节, 为传感器网络节能需求发展和应用解决方案提供理论上的支持。

关键词：ZigBee技术,CC2530,Mcp2030,AS3932,无线网络,冗余节点休眠

参考文献

[1]Tian D and Georganas N D.A coverage-preserving nodeschedulingscheme for large wireless sensor network[C].Proc.1st ACM Inter-national Workshop on Wireless Sensor Networks and Applications (WSNA’02) , Atlanta, Geogia, USA, September, 2002:32-41.

[2]LEW IS F L.Wireless SensorNetworks[J].Proceedings of INFOCOM.2003, 3:1710～1723.

[3]张正军, 浅析ZigBee技术.工程技术报, 2006 (4) :6~7

[4]Microchip Technology Inc.MCP2030 Datasheet, 2006.

无线传感器网络技术探析 第9篇

随着传感器技术、微电子技术、嵌入式计算技术和无线通信技术的快速发展和高度集成, 无线传感器网络 (Wireless Sensor Network, 以下简称WSN) 已经成为当前国际上倍受关注的、涉及多学科高度交叉的热点研究领域。WSN是由一系列带有传感、通信、存储和处理功能的电池驱动的传感器节点构成的微型网络[1]。所谓“微型”, 是指相比于传统的无线节点, 传感器节点体积微小, 存储处理等功能有限, 传播距离短, 通常只有10～75m左右, 而且带宽较小, 有效利用最大带宽不足100kb/s。但相比于蓝牙、Adhoc等网络, WSN内节点规模庞大, 可以布置几千甚至上万个节点, 可以实现复杂的大范围感知、检测和定位等任务。

W S N通常采用卫星或无人机等中继方式将基站 (sink) 采集到的数据经由互联网等媒介传输到远端用户以实现检测和管理, 其网络拓扑示意图如图1所示。

2 无线传感器网络特点[2]

无线传感器网络除了具有与其他无线通信网络共同的一些特征外, 主要有以下特点:

(1) 节点数量大, 密度高

为了通过不同的视角获得更加全面、精确的信息, 增强网络的容错性能, 减少监测盲区, 无线传感器网络中传感器节点的数量可能达到成千上万甚至更多。其大规模性主要是由以下两方面原因引起的:一方面是被监测区域的地理面积通常很大, 如:空间探索、森林防火与环境监测等, 需要部署大量的传感器节点才能使信息更趋全面;另一方面由于单个传感器节点的监测范围有限, 再加上它们的布设方式一般是通过飞机撒播或者炮弹发射的方式进行, 因此传感器节点的部署密度高。

(2) 电源能量及硬件资源有限

传感器节点体积微小, 通常由自身携带的电池供电, 能量有限, 而且由于条件的限制, 难以在使用过程中给节点更换电池, 所以传感器节点的能量限制是整个无线传感器网络设计的瓶颈, 它直接决定了网络的工作寿命;另一方面, 传感器节点的计算能力和存储能力都较低, 使得其不能进行复杂的计算和数据存储。因而在设计无线传感器网络的各层协议时, 必须结合上述特点, 才能适用于无线传感器网络。

(3) 网络拓扑结构易变化。WSN中, 出于节能的需要, 传感器节点通常在工作和睡眠状态之间切换, 而且节点随时可能由于各种原因发生故障而失效, 或者添加新的传感器节点到网络中, 这些情况的发生都使得无线传感器网络的拓扑结构在使用中很容易发生变化。此外, 如果节点具备移动能力, 也必定会带来网络的拓扑变化。

(4) 传感器节点具有数据融合能力。在无线传感器网络中, 由于传感器节点数目大, 很多节点会采集到具有相同类型的数据, 因而, 通常要求其中的一些节点具有数据融合能力。数据融合可以减少冗余数据, 从而可以减少再传送数据过程中的能量消耗, 延长网络的寿命。

3 无线传感器网络的关键技术

节省网络能耗和资源是WSN研究的核心问题之一, 而WSN的各种关键技术如路由协议、数据融合技术等也都是基于此进行设计的, 下面逐一对其进行讨论。

3.1 路由技术

路由技术是WSN的核心技术之一。从路由的角度看, WSN既不同于传统的Internet网络和蜂窝移动网, 又不同于Adhoc网络, 它有自己的特点, 如节点能量有限, 不可补充, 不存在全网唯一标识, 节点资源有限, 不能进行过于复杂的计算和数据存储, 这决定了传统网络路由协议对于WSN来讲并不能照搬套用, 必须重新设计。从网络拓扑结构的角度出发, 已提出的WSN路由协议可以分为两类:平面路由协议和分簇路由协议。

3.1.1 平面路由协议[3]

典型的平面路由协议有:SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) , DD (directed diffusion) , SAR (Sequential Assignment Routing) 等。其中SPIN和DD是以数据为中心路由协议的典型代表。SPIN是第一个以数据为中心的自适应路由协议, 它通过协商机制很好地解决了传统的泛洪式 (flooding) 和漫谈式 (gossiping) 协议所带来的信息爆炸和资源浪费等问题。DD则通过属性来描述数据内容, 通过梯度矢量信息来描述特定数据的需求方向, 利用基于反馈信息的迭代优化算法在源节点与目的节点间建立一条最佳路经。仿真结果证明, DD具有很好的节能和可扩展特性。SAR协议是第一个具有QoS意识的路由协议, 它采用基于路由表驱动的多路径方式实现网络的节能和健壮性。为了在每个节点与Sink节点间生成多条路径, 节点需要维护多个树结构, 这对节点的资源有一定的要求。

3.1.2 分簇路由协议

平面路由协议对网络动态变化的反应较慢, 用于建立和维护新拓扑的通信开销较大, 造成了额外的能量浪费, 而由于更新和补充节点等原因导致网络拓扑发生变化又是WSN的主要特点, 分簇路由协议则能较好的解决这一问题。

L E A C H[4] (Low Energy Adaptive Clustering Hierachy Protocol) 是WSN的第一个分簇路由协议, 它的成簇方法贯穿于其后提出的很多层次路由协议中, 如TEEN, PEGASIS[5]等。LEACH的基本思想是通过随机循环地选择簇首节点将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中, 从而达到降低网络能耗、提高网络生存时间的目的。与一般的平面路由协议和静态的基于多簇结构的路由协议相比, L EACH可以将网络整体生存时间延长15%, 后来提出的所有分簇算法都是源于这一思想。

PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems Protocol) 借鉴LEACH算法的分簇思想, 通过贪婪算法形成类似于簇的“链”, 位于链上的节点通过邻近节点发送和接收数据。节点收到邻居节点发送来的数据后, 同自己感知的数据进行融合再发送给链上自己的邻居节点, 距离基站最近的链上的节点成为类似于簇头的领导节点 (leader) , 负责把数据发送给基站节点。和LEACH协议相比, PEGASIS避免了频繁选举簇头带来的通信开销, 使用自身有效的链式数据融合, 减少了数据传输量。但是在PEGASIS协议中, 距离基站节点较远的节点传输的数据要经过很大的延迟才能传到基站节点, 并且链上的领导节点会成为通信的瓶颈。

3.2 数据融合技术

以数据为中心和面向特定应用的特点要求WSN能够脱离传统网络的寻址过程, 快速有效地组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。然而网络节点实现数据采集、计算或传输功能, 都需要消耗能量, 所需消耗的能量和产生的数据量、采样频率、传感器类型以及应用需求等有关。同时, 在短时间内产生的大数据量如果不加处理直接传输, 会造成网络拥塞, 导致网络寿命缩短。所以, 考虑采用能效高的网络通信协议和数据局部处理策略, 如数据融合技术, 是一种可行的解决思路。

所谓数据融合, 是指将来自多个传感器和信息源的数据和信息加以联合、相关和组合, 剔除冗余信息, 获得互补信息, 以便能够较精确地估计出节点的位置和在网络中的地位, 以及对现场情况及其传送数据的重要程度进行适时的完整评价。目前, 尽管关于数据融合技术还没有形成一套完整的理论体系和方法, 但致力于该项技术研究的人数和这一领域文献数量显著增加。

3.3节点定位技术

在很多无线传感器网络应用中, 没有节点位置信息的监测往往毫无意义。当监测到事件发生时, 关心的一个重要问题就是该事件发生的位置, 如森林火灾监测, 天然气管道泄漏监测等。这些事件的发生, 首先需要知道的就是自身的地理位置信息。定位信息除了用来报告事件发生的地点外, 还可用于目标跟踪、目标轨迹预测、协助路由以及网络拓扑管理等方面。

节点定位是WSN系统布设完成后面临的首要问题, 它可表述为依靠有限的位置已知节点, 确定布设区中其它节点的位置。在传感器节点间建立起一定的空间关系。当前对节点定位问题的研究一般都基于以下前提: (1) 有一定比例的节点位置已知或具有GPS定位功能, 这些节点的位置可作为定位参考点; (2) 节点具有测量与邻节点距离的能力; (3) 节点不具有自主移动能力。

3.4 时钟同步技术

时钟同步是无线传感器网络的一项重要支撑技术, 传感器网络自身协议的运行及基于其上的应用, 如:标记数据采集时间、时分多址接入、协同休眠、定位、数据融合等都需要网络中节点的时钟保持同步。

无线传感器网络中节点众多, 节点的能量、带宽、处理能力等相对受限, 这就要求时钟同步算法必须具有扩展性好、低通信开销、低计算复杂度等特性。要达成整网时钟同步, 时钟同步算法还必须提供多跳同步支持。不同应用对同步精度、同步保持时间的长短、同步区域的大小需求各不相同, 如协同休眠等需要全网时钟同步精度一直保持毫秒级;而对于目标跟踪类应用只需要目标临近的局部节点保持微秒级同步精度, 同步持续时间与目标的驻留时间成正比。

4 无线传感器网络的应用

4.1 军事应用

无线传感器网络研究最早起源于军事领域, 通过飞机撒播、特种炮弹发射等手段, 可以将大量便宜的传感器密集地撒布于人员不便于到达的观察区域 (如敌方阵地内) , 可以应用于如下一些场景中:

(1) 监测人员、装备等情况以及单兵系统:通过在人员、装备上附带各种传感器, 可以让各级指挥员比较准确、及时地掌握己方的保存状态。通过在敌方阵地部署各种传感器, 可以了解敌方武器部署情况, 为己方确定进攻目标和进攻方案提供依据。

(2) 监测敌军进攻:在敌军驻地和可能的进攻路线上部署大量传感器, 从而及时发现敌军的进攻行动、争取宝贵的应对时间, 并可根据战况快速调整和部署新的传感器网络。

(3) 评估战果:在进攻前后, 在攻击目标附近部署传感器网络, 从而收集目标被破坏程度的数据。

4.2 环境科学

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。无线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, 跟踪候鸟和昆虫的迁移, 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。这些应用实例包括:对海岛鸟类生活规律的观测、气象现象的观测和天气预报、森林火警、生物群落的微观观测等。

4.3 医疗卫生

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, 利用无线传感器网络, 医生就可以随时了解被监护病人的病情, 进行及时处理, 还可以利用无线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。

4.4 空间探索

探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想, 借助于航天器撒布的无线传感器网络实现对星球表面长时间的监测, 应该是一种经济可行的方案。NASA的JPL (Jet Propulsion Laboratory) 实验室研制的Sensor Webs就是为将来的火星探测进行技术准备的, 已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善。

4.5 建筑和城市管理

各种无线传感器可以灵活方便地布置于建筑物内, 获取室内环境参数, 从而为居室环境控制和危险报警提供依据。通过布置于道路上的速度、识别传感器, 监测交通流量等信息, 为出行者提供信息服务, 发现违章能及时报警和记录。

5 结束语

WSN的应用已经对各行各业产生重大的影响, 而且其发展前景依然十分广泛。对其巨大的应用价值, 世界许多国家的军事部门、工业界和学术界都投入了大量研究和关注, 由于无线传感器网络中, 传感器节点是基于电池驱动的, 因而目前大量研究集中在通过优化各种路由算法和数据融合技术来节省网络能量, 提高网络生存周期, 在下一步的研究工作中, 考虑到无线链路的传输特性及实际应用中对能量异构网络的需求, 链路的可靠性传输、异构网络的路由设计及负载均衡, 会逐渐成为研究的热点话题。

参考文献

[1]Akyildiz I, Su W, Sankarasubramaniam Y, and Cayirci E.A Survey on sensor networks, IEEE communication Magazine, August2002:102-114

[2]宋文等编著.无线传感器网络技术与应用.电子工业出版社.2007.03, p2

[3]吴春婧, 郑明春, 秦继林.无线传感器网络协议研究.计算机技术与发展.2006.08, p28

[4]Heinzelman W R, Chandrakasan A, Balakrishnan H.Energy-efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks.Proceedings of the33rd Hawail International Conference on System Sciences, 2000:1-10

传感技术及网络 第10篇

关键词：羊舍环境监测；预警；传感器网络；3G网络

中图分类号： S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）02-0352-04

收稿日期：2013-07-03

基金项目：江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（13）5060]。

作者简介：梁万杰（1980—），男，河南商丘人，博士，助理研究员，主要从事农业物联网关键技术及其应用。Tel：（025）84391702；E-mail：liangwanjie@sohu.com。

通信作者：戴起伟，硕士，研究员，主要从事农业信息分析与咨询。Tel：（025）84391909；E-mail：dqw00001@126.com。畜牧业是中国农业增效、农民增收的重要产业，近年来取得了长足的进展[1]，畜禽健康养殖也越来越受到人们的重视。畜禽健康养殖是指动物养殖过程的安全、健康以及饲料营养的无公害，达到保护人类安全和维护社会稳定的目的[2]。环境、品种、饲料和疾病构成畜禽健康养殖的四大技术限制因素，其中环境监测是畜禽健康养殖的关键限制因子。品种及饲料的优势都是以适宜的环境为基础而得到充分发挥的，同时舒适的养殖环境也是控制畜禽疾病发生的有效方法。随着畜禽养殖产业的不断发展，对畜禽养殖环境监控系统的要求也越来越高，不但要求监测控制系统能够实现对温度、湿度、光照和氨气浓度等众多畜舍环境因子实时数据的获取，对这些数据进行存储、分析、处理，还要能实现对诸环境因子的控制，操纵相应的控制设备，达到畜禽养殖的现代化、智能化、精准化。

随着计算机技术、传感器技术和网络通信技术的发展，由大量随机分布的，具有实时感知、无线通信和自组织能力的传感器网络得到快速的发展[3-4]，同时也为畜禽健康养殖环境监测和预警提供较好的技术手段[5]。传感器网络采用无线通信技术，可实现分布式部署，能最大程度地减少器件连线，降低系统搭建、维护的费用和难度，同时提高系统的可扩展性[6]。针对畜禽健康养殖对智能化环境监测和预警的需要，本研究以羊舍环境监测和预警为研究对象，设计一套能实现羊舍环境实时监测、数据处理与分析、自动报警等功能的羊舍环境监测及预警系统。实际应用结果表明，该系统运行稳定，能实现环境数据的实时采集与传输，并在环境参数超出设定范围时，采用短信、声光等手段实现报警，从而提高养殖的自动化、智能化和精准化水平。

1羊舍环境监测及预警系统的结构

羊舍环境监测及预警系统的网络结构如图1所示。该系统主要有环境参数传感器、数模转换模块（RTU）、数据传输模块（DTU）、服务器、网络设备、客户终端和高清拼接屏等设备组成。传感器通过有线的方式连接到RTU，经RTU把传感器采集到的模拟数据（每个羊舍内的温度、湿度、光照强度和氨气浓度）转换成数字数据，通过串口通信传输到DTU，DTU通过3G网络把数据传输到监控中心的数据库服务器；系统平台通过WEB服务对外提供服务；用户通过客户端设备（计算机、手机或平板计算机等）访问系统服务， 实现对羊舍环境的管理和报警信息接收。展示平台由高清的工业级显示屏拼接而成，具有可长期运行、稳定性好的特点。展示平台是一个对外展示的窗口，可用于展示每个羊舍的环境参数、视频数据、展示相关成果，也可用于操作控制平台。

2羊舍环境监测及预警系统硬件设计

2.1传感器节点

温湿度传感器受局部环境的影响较大，具有一定的随机性。例如，阳光的直射可能会使温度迅速升高，而当阳光转走时，温度又会迅速降低，不能客观地反映羊舍的温度情况；湿度也会因为局部水汽造成数值快速升高。因此，本研究设计了一个光、温、湿三合一传感器（图2）。设计思路是：设计1个圆形的百叶窗，把温湿度传感器放在百叶窗设备中，在设备的顶部放置光传感设备。百叶窗具有很好的通风功能，其内部和外部具有同样的温湿度。这种设计既不影响采集光照度参数，又能很好地避免因为太阳直射或局部湿度上升造成的温湿度参数失真。从设备的安全性和安装性能上来说，百叶窗可以很好地保护内部的光温湿传感器，同时又易于安装。

2.2传感器网络

该系统的传感器网络采用部分有线加3G网络的方式。传感器节点通过串行接口与模数转换设备连接，模数转换设备可以根据需要连接到无线传输设备上，组成局域网络，最终把数据集中到数据传输模块中，或直接与数据传输模块相连；采集的环境数据最终由数据传输模块经过3G网络传送到远程的上位机，经上位机把数据保存到数据库或对上层应用提供服务。这种环境数据采集和传输网络具有以下优点：（1）在传感器网络到数据远程传输模块之间采用有线的方式，可以有效地防止由于动物的走动对传输信号的干扰，提高信号传输的稳定性；（2）采用3G网络实现远程数据传输，即考虑了环境参数数据量有限，可把通信费用控制在可接受的范围内，同时也提高了系统部署的灵活性以及系统的可扩展性。

3羊舍环境监测及预警系统软件的设计

软件系统对羊舍环境智能监测和报警十分重要，是整个系统的灵魂。软件系统的设计要充分考虑硬件系统的特点和拓扑结构，不仅要满足系统的功能要求，还要满足用户对系统操作的方便性和友好性。本研究提出的软件系统主要分为两部分：数据采集中间件和基于WEB的服务系统。数据采集中间件的主要任务是接收数据传输模块发送过来的数据，并对数据进行分析处理、保存，同时对WEB服务系统提供实时环境数据。服务系统的主要功能是对远程用户提供环境参数查询、统计分析、展示、环境参数阈值设置、报警及其他管理功能。

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3.1数据采集中间件设计

中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源。中间件在分布式软件模块之间建立一个互操作的机制，屏蔽底层分布式环境的复杂性和异构性，为上层的应用软件提供统一的接口，使用户可以灵活、高效地开发和集成复杂的应用系统[7]。本研究设计的数据采集中间件的主要功能是接收从数据传输模块发送过来的环境数据，对数据进行分析、处理和整合，一方面存储到数据库中，另一方面对上层应用提供实时环境数据。具体实现方式是：在中间件初始化阶段启动2个套接字服务，一个用接收远程环境数据传输请求，一个用于处理实时数据请求；当有环境数据传输请求到达时，建立一个套接字连接，并创建一个线程来处理数据传输过程；数据传输处理线程主要完成对传输过来的信息进行分析和处理，把数据保存到数据库，同时更新中间件维护的实时环境数据信息表；当有实时环境数据请求到达时，建立一个套接字连接，同时创建一个线程来处理实时数据请求；实时数据请求处理线程的主要任务是根据请求的传感器节点编号，查询实时环境数据信息表，并把当前的环境数据打包发送给请求客户端。中间件的内部事件处理逻辑如图3所示。

3.2管理系统设计

本研究提出的管理系统是基于B/S架构设计的，该架构的特点是瘦客户端，即客户端不需要特殊的配置，只需安装浏览器，且不受地域和时间的访问限制。软件功能架构采用MVC架构，做到表示层和业务逻辑层分离，使美工摆脱复杂的业务逻辑关系，而只注重界面设计的美工和易操作性；同时业务逻辑编程人员只需注重业务逻辑关系的实现，从而开发出功能完善、执行效率高、运行稳定的软件系统。从功能上来看，主要包括数据管理、设备管理、养殖信息管理、参数阈值管理、报警信息管理等功能模块。数据管理主要提供环境数据查询、温湿光曲线图、氨气曲线图等功能；设备管理主要功能是设备位置、参数的管理；养殖信息管理主要功能包括饲养记录、防疫记录、出栏情况等信息管理和统计分析；参数阈值管理的功能是对不同类型、不同位置的传感器，针对羊的不同生长阶段设置环境参数的上下限阈值，并对此类信息进行维护和管理；报警信息管理的功能是，当某一环境参数超出设定的阈值时产生1条报警信息，并通过短信、声光的方式通知羊舍管理人员，管理人员根据实际情况对报警信息进行处理。

4羊舍环境监测及预警系统实现与应用

系统软件的实现包括数据采集中间件和管理系统两部分。中间件部分采用Java语言实现，Java语言提供有套接字网络连接接口、进程管理类以及数据库连接和操作软件包，采用这些软件包可以很快捷地实现中间件设计的所有功能。管理系统实现方面采用Tomcat服务器作为WEB服务器，数据库采用Mysql数据库，采用J2EE系统解决方案来实现羊舍环境监测与预警系统。Tomcat和Mysql均为开源的WEB系统解决方案，其功能完善，技术成熟，用户界面友好。J2EE架构是应用较广泛的WEB系统解决方案，采用EJB组件实现业务逻辑层开发，可以提高代码的重复利用率，从而提高系统的开发效率，同时采用Struts架构实现表示层与业务逻辑层的分离，使表示层只需注意界面美工和操作功能的实现；表示层主要用JSP、Javascript等技术实现。其系统界面如图4所示。

本研究在江苏省农业科学院六合动物科学基地的养羊场安装、配置了此监测及预警系统。经过一段时间的运行和调试，系统运行稳定，并按一定的周期采集到了羊舍的环境参数数据。在环境参数超出设定的阈值时，能及时通过短信、声光等方式通知羊场管理人员，使管理人员能及时地对现场情况进行处理。对羊场工作人员的应用体验调查结果表明，此系统用户界面友好，应用方便快捷，有效提高了羊场管理的效率和自动化水平。图5是羊舍温湿光曲线截图。

5结论

本研究根据羊场环境监测及预警的需求提出了一套系统软硬件设计和实现方案，在传感器网络方面采用部分有线加3G网络的设计方案，此方案设计较成熟、运行较稳定，且又能保证系统安装的方便性和系统的可扩展性。在传感器方面设计了光、温、湿三合一集成方案，并加入了百叶窗的设计，有效地避免了太阳光直射等造成的失真情况。在软件方面分别提出了数据采集中间件以及管理系统设计和实现方案，中间件的设计可以有效分离硬件和软件系统，提高软件系统的兼容性、可移植性和可扩展性。经过实际应用及用户操作体验调查，结果表明，系统用户界面友好，应用方便快捷，系统运行稳定，能准确地采集环境参数数据且能可靠地传输数据，在环境参数超出设定的阈值时能及时报警，有效提高羊场的管理效率和自动化水平。但系统只是完成了环境的监测和预警，下一步需要进一步完善环境监测指标，加入环境调节和自动控制功能。

参考文献：

[1]陆明洲，沈明霞，丁永前，等. 畜牧信息智能监测研究进展[J]. 中国农业科学，2012，45（14）：2939-2947.

[2]王雷雨，孙瑞志，曹振丽. 畜禽健康养殖中环境监测及预警系统研究[J]. 农机化研究，2012，34（10）：199-203.

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[4]孙其博，刘杰，黎羴，等. 物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J]. 北京邮电大学学报，2010，33（3）：1-9.

[5]戴起伟，曹静，凡燕，等. 面向现代设施农业应用的物联网技术模式设计[J]. 江苏农业学报，2012，28（5）：1173-1180.

[6]刁智华，陈立平，吴刚，等. 设施环境无线监控系统的设计与实现[J]. 农业工程学报，2008，24（7）：146-150.

[7]黄海平，王汝传，王翠. 基于移动Agent的无线传感器网络中间件[J]. 南京大学学报：自然科学版，2008，44（2）：157-163.

无线传感器网络关键技术分析 第11篇

1 无线传感器网络概述

1.1 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 H i l l博士把W S N定义为:Sensing+CPU+Radio=Thousands of potential application

1.2 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以下特点:

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。

2 无线传感器网络关键技术分析

2.1 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。

2.2 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。

2.3 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。

2.4 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。

2.5 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。

2.6 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。

3 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.