索阅 100例 首 页| 资 讯| 下 载| 论 坛| 博 客| Webinar| 高 校| 专 刊| 会展| EETV| 百科| 问答| 电路图| 工程师手册| Datasheet

EEPW首页 > 百科 > 无线传感网络

无线传感网络


贡献者:dolphin    浏览:2419次    创建时间:2014-06-11

无线传感网络  无线传感网络WSN(WirelessSensorNetwork)是一种自组织网络,通过大量低成本、资源受限的传感节点设备协同工作实现某一特定任务。 它是计算、通信和传感器三项技术相结合的产物,是一种全新的信息获取和处理技术。是当前国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步,推动了现代无线传感网络的产生和发展。

  1、 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,无线传感网络可以借鉴ad hoc方式来配置,当然前提是要有一套合适的通信协议保证网络在无人干预情况下自动运行。

  2、 无线传感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,智能化的终端可以被大量地装在宣传品、子弹或炮弹壳中,在目标地点撒落下去,形成大面积的监视网络。

  3、 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,而且要尽最大可能的节省电源消耗。

  4、 网络的自动管理和高度协作性

  在无线传感网络中,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在链路中传送。以数据为中心的特性是无线传感网络的又一个特点,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。

  5、与移动ad hoc网络的区别

  无线传感网络作为一种分布式传感器网络,和移动ad hoc网络有相似点,但又有很多不同。移动ad hoc网络可以用于没有无线基础设施存在或出于费用和安全方面的考虑不方便设置无线基础设施的场合,而传感器很多时候被布置在近地环境中,地波吸收现象不能被忽视,并且高密度布置的传感器网络中的多用户接口也造成了很高的误比特率。作为移动通信的两种基本组网模式之一,移动ad hoc网络中的传输模型是典型的多对多式,而传感器网中的传输模型更偏向于分层次模型(多对一传输)。一般来说,无线传感网络的节点比典型的移动终端或手持设备有更多的资源受限要求,但对于计算的要求则是可有可无的,当需要执行计算任务时,如果通信成本比计算成本低,计算任务就被送到中心节点去执行。

  1. 网络协议

  由于传感器网络节点的硬件资源有限和拓扑结构的动态变化,网络协议不能太复杂但又要高效。目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定检测信息的传输路径,目前提出了多种类型的协议,如多个能量感知的路由协议,定向扩散和谣传路由等基于查询的路由协议,GEAR和GEM等基于地理位置的路由协议,SPEED和ReInForM等支持的QoS的路由协议。数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构,控制传感器节点的通信过程和工作模式。目前提出了S-MAC、T-MAC和Sift等基于竞争的MAC协议,DEANA、TRAMA、DMAC和周期性调度等时分复用的MAC协议等。

  2.网络拓扑控制

  传感器网络拓扑控制目前主要的研究问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下,通过功率控制和骨干网节点选择,删除节点之间不必要的无线通信链路,生产一个高效的数据转发的网络拓扑结构。拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓扑结构形成两个方面。功率控制方面目前已经提出了COMPOW,LINT/LILTCBTC,LMST,RNG,DRNG和DLSS等算法,层次型拓扑控制目前提出了TopDisc,GAF,LEACH和HEED等算法。

  3.定位技术

  位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分,没有位置信息的检测消息通常毫无意义。确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。目前的定位技术有基于距离的定位,如基于TOA的定位、基于AOA的定位、基于RSSI的定位等;和与距离无关的定位算法,如质心算法、DV-Hop算法、APIT算法等等。

  4.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其有限的内存、处理器和通信模块,且能够对各种特定应用提供最大的支持。在面向无线传感器网络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。美国加州大学伯克利分校研发了TinyOS操作系统,在科研机构的研究中得到了比较广泛的使用,但目前仍然存在不足之处。

  5.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。由于节点的易失效性,传感器网络也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。但融合技术会牺牲其他方面的性能,如延迟和鲁棒性的代价。

  6.时间同步

  时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。Jeremy ElsON和Kay Romer在2002年8月的HotNets-I国际会议上首次提出并阐述了无线传感器网络中的时间同步机制的研究课题,在传感器网络研究领域引起了关注。目前已提出了多个时间同步机制,其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被认为是三个基本的同步机制。

  1. 军事应用

  在军事领域,传感器网络将会成为C4ISRT系统不可或缺的一部分。C4ISRT系统的目标是利用先进的高科技技术,为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统,受到了军事发达国家的普遍重视。因为传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的,自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃,这一点是传统的传感器技术所无法比拟的,也正是这一点,使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中,包括监控我军兵力、装备和物资,监视冲突区,侦察敌方地形和布防,定位攻击目标,评估损失,侦察和探测核、生物和化学攻击。在战场,指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器装备和军用物资供给的情况,铺设的传感器将采集相应的信息,并通过汇聚节点将数据送至指挥所,再转发到指挥部,最后融合来自各战场的数据形成我军完备的战区态势图。在战争中,对冲突区和军事要地的监视也是至关重要的,通过铺设传感器网络,以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防;当然,也可以直接将传感器节点撒向敌方阵地,在敌方还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息。传感器网络也可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息。在生物和化学战中,利用传感器网络及时、准确地探测爆炸中心将会为我军提供宝贵的反应时间,从而最大可能地减小伤亡。传感器网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中。

  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。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。ALERT系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分,并依此预测爆发山洪的可能性。类似地,传感器网络对森林火灾准确、及时地预报也应该是有帮助的。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。

  3. 医疗健康

  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。

  4.空间探索

  探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想,借助于航天器布撒的传感器网络节点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。

  5. 其他商业应用

  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;德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。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。

  无线传感网络有着十分广泛的应用前景,它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值,在未来还将在许多新兴领域体现其优越性,如家用、保健、交通等领域。由此可见,将来无线传感网络将无处不在,将完全融入我们的生活。比如微型传感器网最终可能将家用电器、个人电脑和其他日常用品同互联网相连,实现远距离跟踪,家庭采用无线传感网络负责安全调控、节电等。无线传感网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络,其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。

  普遍网络化孕育的传感网络是一种新的信息获取和处理技术。在特殊领域,它有着传统技术不可比拟的优势,同时也必将开辟出不少新颖而有价值的商业应用。但是,我们还应该清楚的认识到,无线传感网络才刚刚开始发展,它的技术、应用都还还远谈不上成熟,国内企业应该抓住商机,加大投入力度,推动整个行业的发展。



如果您认为本词条还有待完善,需要补充新内容或修改错误内容,请编辑词条     查看历史版本

开放分类
    

参考资料

贡献者
dolphin    


本词条在以下词条中被提及:

关于本词条的评论共:(0条)
匿名不能发帖!请先 [ 登陆 ]