传感与控制无线传感器网络关键技术及现状解析.docx
- 文档编号:16977944
- 上传时间:2023-07-20
- 格式:DOCX
- 页数:14
- 大小:179.86KB
传感与控制无线传感器网络关键技术及现状解析.docx
《传感与控制无线传感器网络关键技术及现状解析.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《传感与控制无线传感器网络关键技术及现状解析.docx(14页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
传感与控制无线传感器网络关键技术及现状解析
8
2008年第8期
adv@.cn(广告专用
无线传感器网络研究综述※
■苏北航务管理处 余向阳
摘 要
无线传感器网络是当前信息领域的一个研究热点。
本文总结无线传感器网络的发展历史和研究现状,分
析无线传感器网络的地位和作用,对当前国内外的最新研究现状进行概述,列举当前无线传感器网络研究的关键技术,最后指出无线传感器网络技术发展所面对的挑战以及无线传感器网络的发展趋势。
关键词
无线传感器网络路由协议拓扑控制
定位技术
引 言
无线传感器网络(WSN能力的微小传感器节点,控网络。
:
大规模、无线、自组织、无基础设施支持的网络,其中节点是同构的,成本较低、体积较小,大部分节点不移动,被随意散布在工作区域,要求网络系统有尽可能长的工作时间。
一个典型的无线传感器网络的系统架构包括分布式无线传感器节点(群、接收发送器汇聚节点、
互联网或通信卫星和任务管理节点等,如图1所示。
图1 无线传感器网络的系统架构
无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关
注,世界各国的科研机构和科研人员对无线传感器网络的研究投入了极大的热情。
它综合了现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科,是新兴的交叉研究领域。
1 无线传感器网络研究历程与现状
无线传感器网络具有重要的科研价值和广泛的应用
,被公认为是将无线传感网络的研,但发展很快。
1.1 无线传感器网络的研究历史
WSN的基本思想起源于20世纪70年代。
1978年,DARPA在卡耐基2梅隆大学成立了分布式传感器网络工
作组;1980年,DARPA的分布式传感器网络项目(DSN开启了传感器网络研究的先河;20世纪80~90年代,研究主要在军事领域,成为网络中心战的关键技术,拉开了无线传感器网络研究的序幕;20世纪90年代中后期,
WSN引起了学术界、军界和工业界的广泛关注,发展了现
代意义的无线传感器网络技术。
1.2 国外无线传感器网络的研究现状
(1美 国
美国军方最先开始无线传感器网络技术的研究,包括
CEC、REMBASS、TRSS、SensorIT、WINS、SmartDust、
SeaWeb、μAMPS、NEST等研究项目。
美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元,帮助大学进行无线传感器网络技术的研发。
美国国家自然基金委员会(NSF也开设了大量与其
相关的项目。
NSF于2003年制定了WSN研究计划,每年拨款3400万美元支持相关研究项目,并在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心。
2005年对网络技术和系统的研究计划中,主要研究下一代高可靠、安全的可扩展的网络、可编程的无线网络及传感器系统的网络特性,资助金额达4000万美元。
此外,美国交通部、能源部、美国国家航空航天局也相继启动了相关的研究项目。
美国所有著名院校几乎都有研究小组在从事WSN相关技术的研究,
加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利
paper@.cn(投稿专用
2008年第8期
Microcontrollers&EmbeddedSystems
9
等国家的研究机构也加入了WSN的研究。
加州大学洛杉矶分校、加州大学伯克利分校、麻省理工学院、康奈尔大学、哈佛大学、卡耐基2梅隆大学等在WSN研究领域成绩较为突出。
国际相关学术会议中对WSN的研讨增多,检索论文数目逐年以较大幅度增加。
美国的Crossbow、DustNetwork、Ember、Chips、In2tel、Freescale等公司也开展了WSN的研究工作。
(2其他国家加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了WSN的研究。
欧盟第6个框架计划将“信息社会技术”作为优先发展领域之一。
其中多处涉及对WSN的研究。
启动了EYES等研究计划。
日本总务省在2004年3月成立了“泛在传感器网络”调查研究会。
韩国信息通信部制订了信息技术“839”战略,其中“3”是指IT产业的三大基础设施,即宽带融合网络、器网络、下一代互联网协议。
企业界,欧盟的Philips、FranceTelecom、NEC、OKI、Sky2leynetworks、世康、WSN的研究。
1.3 国内无线传感器网络的研究现状
首次正式启动出现于1999年中国科学院《知识创新工程点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中,该领域的五大重点项目之一。
2001年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心,旨在引领中科院WSN的相关工作。
国家自然科学基金已经审批了与WSN相关的一个重点课题和多项课题。
2004年,将一项无线传感器网络项目(面上传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论列为重点研究项目。
2005年,将网络传感器中的基础理论和关键技术列入计划。
2006年将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究项目。
国家发改委下一代互联网(CNGI示范工程中,也部署了WSN相关的课题。
在一份我国未来20年预见技术的调查报告中,信息领域157项技术课题中有7项与传感器网络直接相关。
2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术定义了3个前沿方向,其中2个与WSN的研究直接相关,即智能感知技术和自组织网络技术。
我国2010年远景规划和“十五”计划中,将WSN列为重点发展的产业之一。
2 无线传感器网络的地位和作用
2.1 无线传感器网络的地位
2003年2月份,美国的《技术评论》杂志评选出对人
类生活产生深远影响的十大新兴技术中,WSN被列为其中之一。
美国的《商业周刊》在2003年8月份的技术评论中,将WSN定位为21世纪高技术领域中的四大支柱型产业之一。
美国《今日防务》杂志认为WSN的应用和发展,将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。
2004年,《IEEESpectrum》杂志发表一期专题———传感器国度,专门论述WSN的发展与可能的广泛应用。
WSN的地位可从3个方面具体分析。
(1第4代传感器网络
可将传感器网络的发展划分为4个阶段。
一般地将简单点到点信号传输功能的传统传感器所组成的测控系统称为第1代传感器网络;第2代为由智能传感器和现场控制站组成的测控网络;感器网络代传感器网络,其应用Bell定律,每十年会有一类新的计算设备诞生。
它们是巨型机、小型机、工作站、PC、PDA、
WSN节点等、生物芯片。
(WSN被认为是新一代的计算
设备
(3普适计算的一个重要途径
普适计算是与信息空间发展相适应的一种计算模式。
1991年,MarkWeiser提出了“普适计算(PervasiveCom2puting”的思想,即把计算机嵌入到环境或日常生活中
去,让计算机从人们视线中消失,使人们能够随时随地且透明地获得数字化的服务。
WSN是普适计算的一个重要途径,是普适计算发展的趋势。
在WSN环境中,在任何时间、任何地点都能够与外界信息更方便地交流,人们可以自由地穿行于物理世界和信息空间中,实现物理世界与信息世界的融合。
2.2 无线传感器网络的应用
(1军事应用
无线传感器网络的相关研究最早起源于军事领域。
由于其具有可快速部署、自组织、隐蔽性强和高容错性的特点,因此能够实现对敌军地形和兵力布防及装备的侦察、战场的实时监视、定位攻击目标、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测以及搜索等功能。
(2环境应用
WSN可以用于气象和地理研究,自然和人为灾害(如
洪水和火灾的监测,监视农作物灌溉及土壤、空气变更的情况、牲畜和家禽的环境状况,以及大面积的地表检测和跟踪珍稀鸟类、动物和昆虫,进行濒危种群的研究等。
美国的ALERT计划中,研究人员开发了数种传感器来分别监测降雨量、河水水位和土壤水分,并依此预测暴
10
2008年第8期
adv@.cn(广告专用
发山洪的可能性。
2002年,美国加州大学伯克利分校In2tel实验室和大西洋学院联合,在大鸭岛上部署了用来监测岛上海鸟生活习性的无线传感器网络。
哈佛大学MateWel的研究小组用WSN对活火山VolcanTungurahua进行观测。
2005年,澳洲的科学家利用传感器网络探测北澳大利亚的蟾蜍分布情况。
挪威科学家利用WSN监测冰河的变化情况,目的在于通过分析冰河环境的变化来推断地球气候的变化。
Intel在俄勒冈州的一个葡萄园内,利用WSN测量葡萄园气候的细微变化。
(3医疗应用
WSN可以用于检测人体的生理数据和健康状况,对医院药品进行管理以及用于远程医疗等医疗领域。
在SSIM项目中,100个微型传感器被植入病人眼中,帮助盲人获得了一定程度的视觉。
科学家还创建了一个“智能医疗之家”,即一个5间房的公寓住宅,使用无线传感器网络来测量居住者的重要生命体征(血压、吸、睡觉姿势以及每天24,(4家庭应用
嵌入家具和家电中的传感器和执行单元组成的无线网络与Internet连接在一起,能够为人们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境。
用户可以方便地对家电进行远程监控,如在下班前遥控家里的电饭锅、微波炉、电话机、录像机、电脑等家电,按照自己的意愿完成相应的煮饭、烧菜、查收电话留言、选择电视节目以及下载网络资料等工作。
在家居环境控制方面,将传感器节点放在家庭里不同的房间,可以对各个房问的环境温度进行局部控制。
此外,利用无线传感器网络还可以监测幼儿的早期教育环境,跟踪儿童的活动范围,让研究人员、父母或是老师全面地了解和指导儿童的学习过程。
(5工业应用
WSN可以用于车辆的跟踪、机械故障的诊断、工业生产的监控、建筑物状态的监测等。
将WSN和RFID技术融合,是实现智能交通系统的绝好途径。
在一些危险的工作环境,如煤矿、石油钻井、核电厂等,利用无线传感器网络可探测工作现场的一些重要信息。
机械故障诊断方面,Intel公司曾在芯片制造设备上安装过200个传感器节点,用来监控设备的振动情况,并在测量结果超出规定时提供监测报告。
美国贝克特营建集团公司已在伦敦地铁系统中采用了无线传感器网络进行监测。
采用WSN,可以让大楼、桥梁及其他建筑物感知并汇报自身的状态信息。
英国的一家博物馆利用无线传感器网络设计了一个警告系统。
(6其他应用
在太空探索方面,WSN可以实现对星球表面长期的监测。
美国国家航空与航天局(NASA的JPL实验室的SensorWebs计划,就是为将来的火星探测进行技术准备的。
德国某研究机构正在利用WSN为足球裁判研制一套辅助系统,以降低足球比赛中越位和进球的误判率。
在商务方面,WSN可用于物流和供应链的管理。
WSN在大型工程项目、防范大型灾害方面也有着良好的应用前景,海啸预警等。
3,计算机、通信、自动控制、人工智能等多学目前的研究涉及通信、组网、管理、分布式信息处理等多个方面。
具体而言,无线传感器网络的关键技术有路由协议、MAC协议、拓扑控制、定位技术、时间同步、安全技术和数据融合等。
(1路由协议
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。
它主要包括两方面的功能:
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。
路由协议可有不同的分类方法,包括平面路由和层次路由;主动路由、按需路由和混合路由;基于位置的路由和非基于位置的路由;基于Qos的路由和不基于Qos的路由;基于数据融合的路由和非基于数据融合的路由;能量感知路由协议和非能量感知路由协议;查询驱动和非查询驱动路由;单路径和多路径路由;安全路由与非安全路由。
(2MAC协议
在无线传感器网络中,介质访问控制(MAC协议决定无线信道的使用方式,在传感器节点之间分配有限的无线通信资源,用来构建传感器网络系统的底层基础结构。
MAC协议处于传感器网络协议的底层部分,对传感器网络的性能有较大影响,是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。
(3拓扑控制
传感器网络的拓扑控制技术主要研究的问题是:
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,剔除节点之间不必要的通信链路,形成一个数据转发的优化网络结构。
具体地讲,传感器网络中的拓扑控制按照研究方向可以分为两类:
节点功率控制和层次型拓扑结构组织。
paper@.cn(投稿专用
2008年第8期
Microcontrollers&EmbeddedSystems
11
(4定位技术对于大多数应用,不知道传感器位置而感知的数据是没有意义的。
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;另外,了解传感器节点位置信息还可以提高路由效率,为网络提供命名空间,向部署者报告网络的覆盖质量,实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自配置。
(5时间同步技术
在无线传感器网络系统中,单个节点的能力非常有限,整个系统所要实现的功能需要网络内所有节点相互配合共同完成。
时间同步在无线传感器网络系统中起着非常重要的作用,国内外的研究者已经提出了多种无线传感器网络的时间同步算法。
(6安全技术
与其他无线网络一样,安全问题是无线传感器网络的一个重要问题。
由于采用的是无线传输信道,存在窃听、恶意路由、,应用当中,,军事上在敌控区监视对方军事部署的无线传感器网络等,安全问题显得尤为重要。
(7数据融合技术
由于大多数无线传感器网络应用都是由大量传感器节点构成的,共同完成信息收集、目标监视和感知环境的任务。
在信息采集的过程中,采用各个节点单独传输数据到汇聚节点的方法显然是不合适的。
通过数据融合技术,能将多份数据或信息进行处理,组合出更高效、更符合用户需求的数据。
4 无线传感器网络所面临的挑战和发展趋势
4.1 无线传感器网络所面临的挑战
无线传感器网络不同于传统数据网络的特点,对无线传感器网络的设计与实现提出了新的挑战,主要体现在5个方面:
低能耗、实时性、低成本、安全和抗干扰、协作。
4.2 无线传感器网络的发展趋势
由以上这些挑战,根据无线传感器网络的研究现状,无线传感器网络技术的发展趋势主要有4个方面。
(1灵活、自适应的网络协议体系
无线传感器网络广泛地应用于军事、环境、医疗、家庭、工业等领域。
其网络协议、算法的设计和实现与具体的应用场景有着紧密的关联。
在环境监测中,需要使用静
止、低速的无线传感器网络;军事应用中,需要使用移动的、实时性强的无线传感器网络;智能交通领域,还需要将
RFID技术和无线传感器网络技术融合起来使用。
这些面
向不同应用背景的无线传感器网络所使用的路由机制、数据传输模式、实时性要求以及组网机制等都有着很大的差异,因而网络性能各有不同。
(2跨层设计
无线传感器网络有着分层的体系结构,因此在设计时也大都是分层进行的。
各层的设计相互独立且具有一定局限性,因而各层的优化设计并不能保证整个网络的设计最优。
针对此问题,一些研究者提出了跨层设计的概念。
能量管理机;但要使整个,还应采用跨层设计的思想。
标准规范
ZigBee是一种新兴的无线网络通信规范,主要用于近
距离无线连接。
ZigBee的基础是IEEE无线个域网工作组所制定的IEEE802.15.4技术标准。
IEEE802.15.4标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10m左右的低速连接,可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等消费与商业应用领域。
ZigBee当然不仅只是IEEE802.
15.4的名字。
IEEE802.15.4仅处理低级MAC层和物
理层协议;ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化,还开发了安全层,以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识,而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。
(4与其他网络的融合
无线传感器网络和现有网络的融合将带来新的应用。
例如,无线传感器网络与互联网、移动通信网的融合,一方面使无线传感器网络得以借助这两种传统网络传递信息,另一方面可以利用传感信息实现应用的创新。
结 语
无线传感器网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、航空航天、环境监测、交通管理、医疗救护、制造业、反恐抗灾等领域。
特别是在未来军事领域中,由于传感网络可以快速部署在敌对地区并收集相关情报,同时又无需人为干预,所以可以极大地减少人员的伤亡,是现代化电子信息战的重要体现。
因此,传感器网络在未来具有良好的应用前景,它将掀起新的产业浪潮。
编者注:
本文为期刊缩略版,全文见本刊网站www.
mesnet.com.cn。
12
2008年第8期
adv@.cn(广告专用
短距离无线数据低功耗传输协议研究
■东南大学 王琢玉 方晨 刘昊
摘 要针对短距离无线数据传输设备因高功耗而限制了工业应用这一问题,本文基于Freescale公司的
MC13213硬件平台,对其低功耗的数据传输协议进行了研究,采用信标同步机制极大地降低了无线数据传输设备的功耗。
关键词
低功耗
无线数据传输
信标
时间同步 MC13213
短距离无线数据传输是一种线缆替代技术,在当前很多领域(如工业生产、医疗监护、科学研究等泛的应用。
它的出现,有线布线的问题,Freescale公司的MC13213输协议进行了研究,在保证数据可靠传输的同时,极大地降低了设备的功耗。
1 主要芯片介绍
MC13213是Freescale公司推出的一款SoC芯片,它
主要由微处理器和射频模块两部分组成。
微处理器采用
8位的HCS08内核,集成了1个SPI(SerialPeripheralIn2
terface接口、1个8路的8/10位A/D转换器、2个TPM(Timer/PWM模块、2个SCI(SerialCommunicationIn2
terface接口、2个I2C和1个8路的KBI(KeyboardInter2
rupt接口。
射频模块的工作频段是2.4GHz,通过SPI总
线与处理器通信。
其主要特点有:
◆采用2.4GHz频段,其设计构架符合IEEE802.15.4协议;
◆接收灵敏度<-92dBm,发送功率为-28.7~
dBm;
15(共16个可选工作信道;
◆(directsequencespreadspec2
trum的二进制编码方式,增强了抗干扰能力;
◆采用O2QPSK数字相移键控调制技术,大大降低
了数据传输的误码率;
◆采用免冲突的载波检测多址接入(CSMA2CA机制,避免了数据传输过程中的冲突。
2 硬件系统设计
如图1所示,整个系统硬件结构由4部分组成:
RS232/485总线接口单元、数据处理单元、射频收发单元
和电源管理单元。
图1 短距离无线数据传输模块硬件结构图
参考文献
[1]于海斌,等.智能无线传感器网络[M].北京:
科学出版社,2006.[2]王殊,等.无线传感器网络的理论及应用[M].北京:
北京航
空航天大学出版社,2007.
[3]王雪.无线传感网络测量系统[M].北京:
机械工业出版社,
2007.
[4]孙利民,等.无线传感器网络[M].北京:
清华大学出版社,2005.[5]李晓维.无线传感器网络技术[M].北京:
北京理工大学出版
社,2007.
[6]宋文等.无线传感器网络技术与应用[M].北京:
电子工业出
版社,2007.
[7]汪文勇.无线传感器网络的研究与应用[J].电子科技大学学
报,2005.
[8]崔莉,等.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与发展,
2005(1.
(收稿日期:
2008203226
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 传感 控制 无线 传感器 网络 关键技术 现状 解析
![提示](https://static.bingdoc.com/images/bang_tan.gif)