无线传感器网络技术综述毕业论文.doc

无线传感器网络技术综述 摘 要： 能够发展成为一种全新的信息获取和处理技术，无线传感器网络是当今社会的研究和应用热点，涉及到现代传感器、微电子、无线通信、嵌入式计算、分布式信息处理、计算机技术等多个学科领域。文章从无线传感器的概念出发, 在介绍其原理、传感器节点和网络体系结构的基础上，阐述了无线传感器网络在军事、医疗保健、环境监测、工农业、空间探索、交通管理及智能建筑与家居等多方面的应用。关键词： 无线传感器网络；传感器节点；网络体系结构；定位引 言：无线传感网络( WSN, wireless sensor networks) 是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、自动控制技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等， 能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息， 这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端， 从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连，将信息采集、传输和处理集于一体，实现了传感器、通信和计算机等技术的融合。无线传感器网络已成为当今热门的研究领域之一，并广泛的应用于当今社会的各个领域。1 无线传感器网络技术的概述11 无线传感器网络的技术原理无线传感器网络( wireless sensor network，WSN) 是由大量的密集部署在监控区域的智能传感器节点构成的一种网络应用系统。WSN由具备记忆能力的存储器、处理器、传感器、无线通讯和电池等硬件组成。图 1 无线传感器网络示意图WSN（如图 1 所示）每个节点需要具备的核心技术内容归纳为 3 部分； 系统、 通讯、服务。每个网络节点是一个系统。系统主要由硬件平台(类似一个计算机)、操作系统和存储方案组成。通讯部分主要是指为完成一项应用任务所需要的与传感器和用户的通讯协议, 包括节点间的通讯协议。服务部分主要为加强 WSN 的应用能力、提高系统性能以及改善网络效率所需要的各种技术。服务部分的主要内容包括: 定位、节点覆盖范围、安全、同步、数据汇总和多层网络的优化等。无线传感器网络包括 4 类基本实体对象: 目标、汇聚节点、传感器节点和感知现场，另外通过定义外部网络、远程任务管理单元和用户来完成对整个系统的描述。1.2 无线传感器网络的体系结构一个典型的无线传感器网络体系结构包括传感器节点、任务管理节点和汇聚节点， 如图 2 所示。图 2 无线传感器网络体系结构传感器节点的射频覆盖范围比较小，大量的传感器节点随即部署，通过自组织方式构成网络，协同形成对目标的感知现场，可以实现对感知区域内信息的采集、分析和处理任务。传感器节点检测的目标信号由本地经简单处理后，通过邻近传感器节点经过多跳路由的方式数据发送到汇聚节点。用户即可通过无线传感器网络获取感知现场的目标信息，也可对传感器网络进行配置和管理，从而完成监测数据的收集和监测任务的发布。汇聚节点具有较强的数据发射能力，数据信息会通过汇聚链路发送到任务管理节点进行进一步的处理，汇聚链路可以是互联网、卫星通信网络、移动通信网络等。用户和远程任务管理单元通过汇聚链路与汇聚节点进行交互。任务管理节点是数据的使用者，主要负责对采集的信息进行分析处理。1.3无线传感器网络的节点结构在不同的应用背景下，传感器节点的具体设计有所不同，但基本结构是类似的。传感器节点在无线传感器网络中用于监测目标的信息采集和数据转换，一个节点可以监测多个监测目标，同时，一个监测目标也可以被多个节点感知。无线传感器网络的核心是传感器节点，每个传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，一般由数据采集模块、处理控制模块、无线通信模块和能量供应模块4 部分组成( 如图3示)。A/D转换器将物理信号转换为数字信号，并传送到数据处理模块。微处理器负责协调节点各部分的工作，通常选用嵌入式处理器。电池及电源管理为节点提供正常工作所需要的能量，通常选用干电池。存储单元为数据提供暂时存储服务。射频模块由低功耗、短距离的无线通信模块组成，主要负责与其他节点进行通信。数据采集模块包括传感器和 A/D 转换器，其负责对感知对象的信息进行采集和数据转换；处理控制模块包括微处理器和存储器，其负责控制整个传感器节点的操作、存储于处理自身采集的数据或其他节点发来的数据；无线通信模块包括的主要功能部件是无线收发器，其负责与其他传感器进行无线通信、交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点各个部分提供正常工作所需能量。图 3 无线传感器节点结构图1.4无线传感器网络的关键技术操作系统：无线传感器网络的节点是一个微型的嵌入式系统，Windows和Unix等传统的操作系统 已经不能满足无线传感器网络对于节点高效利用的新需求。目前已经开发的几种适用于无线传感器网络的操作系统中占据主导地位的是由美国加州大学伯克利分校开发的TinyOS，其它比较普遍的系统还有美国科罗拉多大学MANTIS项目组开发的开源多线程操作系统 MantisOS、加州大学洛杉矶分校网络和嵌入式实验室开发的操作系统SOS、瑞典计算机研究所开发的多任务开源操作系统Contiki以及康奈尔大学开发的分布式操作系统MagneOS等。协议通信层的研究：在协议通信层主要研究重点是数据链路层MAC协议及网络层路由协议的研究；在网络管理技术层，主要研究方向是收集数据的管理、节能问题的解决以及网络通信安全的实现；在网络支撑技术层，主要研究点是节点定位问题的解决、时间同步技术的实现以及用户应用接口的实现，这其中的协议研究与节能的实现又是相辅相成的。路由协议在无线传感器网络中起着非常重要的作用，不仅关系到单个节点的耗能，同时 也关系到整个网络的能量均衡消耗。因此，高效的路由协议不仅可以维持数据传输通路，而且还应该具有一定的鲁棒性。用于无线传感网络的路由协议（如图 4 所示）：图4 无线传感器网络路由协议可分为：能量感知路由、基于查询的路由、地理位置路由和可靠路由协议。由于路由协议的设计思想和网络逻辑结构密切相关，因此可以从网络逻辑视图这个角度将这些路由算法分为2类：平面路由协议和集群路由协议。数据融合：无线传感器网络的节点数目多、分布广，获取的数据信息具有很大的冗余度，如果将冗余数据传输给用户管理节点进行集中处理，不仅会造成网络通信量大，而且传输数据过程中也会消耗过多的能量。因此，网络节点需要对获取到的数据进行融合处理，在保证信息准确性的前提下，达到节能的目的。定位技术：无线传感器网络的节点定位技术是指确定每个节点在网络中的相对或绝对地理坐标，使用该技术无线传感网络可以智能地选取特定区域的节点来进行数据采集。定位技术不仅可以降低无线传感网络的耗能，同时可以延长网络的使用时间。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，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)节点可能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。目前无线传感器网络自身定位系统和算法的分类如下：(1)物理定位与符号定位；(2)绝对定位与相对定位；(3)紧密耦合与松散耦合；(4)集中式计算与分布式计算；(5)基于测距技术的定位和无须测距技术的定位；(6)粗粒度与细粒度；(7)三角测量、场景分析和接近度定位。网络安全：无线传感器网络在进行数据采集、融合和传输的过程中可能会遇到窃听、消息修改等安全威胁。 针对这些问题，无线传感器网络SPINS安全框架在机密性、完整性鉴别及认证广播等方面都提出了完整有效的机制算法，这些机制算法对于无线传感器网络的安全性起到了有效的保护。2无线传感器网络技术的主要应用领域基于无线传感器网络的工作原理和技术的发展及其自身的优点，目前已被广泛运用于军事、医疗、环境监测、工农业、交通管理和智能建筑与家居等领域，并表现出了巨大的优势。2.1军事应用由于无线传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，无线传感器网络具有密集型、随机分布、可自组织、隐蔽性强且容错性高等诸多特性，使无线传感器网络非常适合应用于恶劣的军事战场环境中。通过飞机或炮弹直接将传感器节点撒播到监测区域内,就能非常隐蔽而近距离地收集战场信息，它可以用于我军兵力、装备的监控、战场侦察、敌占区监测、目标定位、战斗损失评估以及生化武器的侦察和探测。2.2环境科学随着全球环境的恶化，人们对于环境日益关注，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。对环境的监测是一个长期的过程，而需要监测的地区一般人迹罕至，如海洋、冰川、火山和原始森林等，工作条件异常艰苦和封闭。由于无线传感器网络部署简单易行，以无人值守的方式长期工作，因此可作为对环境变化进行长期有效观察，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。无线传感器网络在环境监测领域主要应用包括极地环境监测、火山活动监测、海水质量及温度监测、动物活动监测、生物物种变化、森林火灾监控、洪水防治、海啸预警和地震预警等。2.3医疗健康利用无线传感器网络可以提供对医院的药物控制和药品管理，辅助诊断和监控病人状态，跟踪和监控医院内医生、护士及病人的行动，远程实时监测特殊人群( 如老年人、婴儿、有发病隐患的病人等) 健康状态，远程治疗等诸多服务。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。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。2.4工农业无线传感器网络在工业领域中的主要应用包括安全监测和生产过程监控 2 个主要方面。一些危险的工业环境如矿井、核电厂、钢材加工厂等，可通过无线传感器网络实施实时的生产过程安全监测； 通过组建无线传感器网络构成的实时监控系统，可对工业自动化生产中的生产过程和各设备状态进行实时监控，从而极大改进产品质量、增加产量、减少成本、降低能耗、改善生产环境、提升竞争能力。农业领域中利用无线传感器网络可以有效降低传统农业中的人力消耗和对农田环境的影响，并获取精确的作物环境和作物信息。其典型应用有温室环境应用，节水灌溉应用和精准农业等。2.5智能交通管理应用无线传感器网络使得智能化的实时监控复杂的交通状况变得可能，这将大大减轻交通管理部门的工作压力，同时提高了道路通行的效率，减少了能源的消耗，更重要的能够减少交通事故的发生。2.6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，是一种经济可行的方案。2.7智能建筑和家居无线传感器网络可以成为建筑与家庭的一部分，通过对建筑和家居的各种信息监测和相应设备的控制，可提供监控建筑物的质量、人性化的智能家居环境、建筑和家居的生活安全等诸多应用。通过对建筑物关键位置构建的无线传感器网络，可以及时发现并排除建筑物的安全隐患； 又如将家电和家具嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连接，可进行远程操控和管理，为人们提供更加舒适和方便的家居环境； 通过无线传感器网络的实时监控，可以对燃气泄露、漏水、火灾、小偷入室等危险发出报警并及时处理。一个典型的智能家居监测系统结构图如图 5 所示。图 5 无线传感器网络在智能家居监测系统的应用3 结束语随着无线传感器网络向着集成化、微型化、智能化和网络化的方面发展，无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，未来还将在许多新兴的应用领域体现其优越性，并产生重大影响。诸多领域中都可以通过部署无线传感器网络来完成原来人们认为无法完成的任务。可以预见的是，无线传感器网必将涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域，将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，对人类的发展有着极为重要的意义。参考文献1 王福豹,史龙,任丰原.无线传感器网络中的自身定位系统和算法.软件学报，20052 张媛. 基于无线传感器网络定位技术的研究. 20083 孙亭,杨永田,李立宏.无线传感器网络技术发展现状. 电子技术应用，20064 王文光, 刘士兴, 谢武军. 无线传感器网络概述. 合肥工业大学学报，20105 屈 峰，杨 华，王立军，谢爱荣. 无线传感器网络及其应用. 四川兵工学报，2013.26 宫 鹏. 无线传感器网络技术环境应用进展. 遥感学报，20107