无线传感器网络概论第九章-无线传感器网络应用课件.ppt

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1、第九章 无线传感器网络应用本章目录9.1 概述9.2 无线传感器网络的应用场景9.3 无线传感器网络应用技术9.4 无线传感器网络应用实例分析9.1 概述 无线传感器网络是由震动、热量、地磁、红外、视觉、声音和雷达等多种不同类型传感器构成的网络节点所组成，从而用来监控多种环境条件。无线传感器网络的自组织、随机布设和环境适应等特点使其在多种领域应用前景和应用价值非常高。无线传感器网络是由许多具有计算能力与无线通信能力的微小传感器节点构成的自组织、分布式网络系统。无线传感器网络系统的工作过程是，通过传感器节点收集、处理外界环境数据，然后传输到外部基站，由相应软件进行处理。无线传感器网络的特点是自组

2、织、微型化和对外部世界感知，综合运用了传感器技术、嵌入式系统技术、无线通信技术及稳压电源等多项新型技术。9.2 无线传感器网络的应用场景9.2.1无线传感器网络覆盖感知模型 传感器节点的感知模型牵涉到了覆盖问题。目前，无线传感器网络有布尔感知模型和概率感知模型两种。1.布尔感知模型 节点的感知范围是一个圆形区域，它以节点为圆心，半径为感知距离，只有落在该圆形区域内的点才能被该节点覆盖。该模型的数学表达式为：（9-1）9.2 无线传感器网络的应用场景9.2.1无线传感器网络覆盖感知模型 式中，为节点 与目标 间的欧式距离，和 为类型参数，与传感器的物理特性有关，通常 是一个可调整的参数，取值为1

3、到4之间的整数。（9-4）9.2 无线传感器网络的应用场景9.2.2 无线传感器网络覆盖算法分类 良好的网络覆盖控制可以使传感器网络的寿命提高，并降低网络使用成本，同时对网络服务质量也可有大幅改善。根据覆盖目标的不同，目前无线传感器网络覆盖控制又可分为点覆盖、区域覆盖 和栅栏覆盖3种类型：9.2 无线传感器网络的应用场景9.2.3无线传感器网络覆盖算法与协议 常用的无线传感器网络的覆盖算法与协议包括6种：1.圆周覆盖 随机节点覆盖类型的圆周覆盖可归纳为决策问题：在目标区域中放置一组传感器节点，如果区域中每个点至少被k个节点覆盖，则说明该区域满足k覆盖。考虑每个传感器节点覆盖区域的圆周重叠情况，

4、进而由邻节点信息来确定是否对于给定传感器的圆周构成完全覆盖。如下图9.2 无线传感器网络的应用场景9.2.3无线传感器网络覆盖算法与协议3.连通传感器覆盖 该算法属于区域覆盖或点覆盖类型。当指令中心将一个基础区域查询消息向网络发送时，该覆盖算法的任务是在所有连通传感器集合中选择最小的并能充分覆盖网络区域的集合。该覆盖算法分为集中式贪婪算法与分布式贪婪算法。4.轮换活跃/休眠节点的自调度覆盖协议 协议采用节点轮换周期工作机制，每个周期由一个自调度阶段和一个工作阶段组成。在自调度阶段：各节点首先将节点编号和位置消息向传感半径内邻节点广播，然后节点检查是否邻节点可以完成自身传感任务，若可以，则可替代

5、的节点返回一条状态通告消息，之后进入“休眠状态”，传感任务由需要继续工9.2 无线传感器网络的应用场景9.2.3无线传感器网络覆盖算法与协议作的节点执行。在判断休眠的节点有哪些时，如果邻节点检查到自身的传感任务可由对方完成，而且自身已进入“休眠状态”，就会出现如下图所示的“盲点”。9.3 无线传感器网络应用技术9.3.1 节点部署主要内容 无线传感器节点部署问题有机结合了无线传感器网络系统前端信息采集和后端信息处理两个环节。节点部署的关键在于对传感器节点分布进行优化，对网络拓扑结构进行调整，并使目标区域覆盖需求满足的同时，设法将网络中传感器节点的部署成本降低。此外，节点在特定应用环境下的容错处

6、理及网络通讯等要求也要考虑到。传感器节点部署主要包括两方面：一是优化配置目标区域中的传感器节点，以及考虑环境状况对传感器网络配置的影响；二是优化管理传感器网络的资源，即将网络生存期延长和对节点进行冗余管理的有效技术。9.3 无线传感器网络应用技术9.3.2 节点部署评价标准 节点部署的评价标准有节点感知区域与监测半径、节点通信范围与通信半径、监测覆盖率、覆盖效率、覆盖均匀度和连通度 6个指标，通过这些指标，可以判断节点部署的好坏。9.3 无线传感器网络应用技术9.3.3 节点部署分类 节点部署是无线传感器网络正常工作的基础，将传感器节点准确地部署在目标区域，才能够进行其它的工作和优化。传感器节

7、点的部署算法可根据安装后节点位置是否变化，分为静态部署算法、动态部署算法和异构/混合节点部署算法三大类。1.静态部署 静态部署是指通过人工的方式，按照事先已经规划好的位置安装传感器节点，并保持其节点位置不发生变化。静态部署可分为两类问题：（1）部署方案利用给定节点数量进行设计，使监测区域内给定节点实现最大覆盖。（2）部署方案利用给定监测区域进行设计，使监测区域在最少节点数量时达到全覆盖。9.3 无线传感器网络应用技术9.3.3 节点部署分类型的。但是，一些异构的无线传感器网络在实际的应用环境中需要部署，即小部分异构节点存在于无线传感器网络节点中。异构节点是具备移动能力的节点，而且还具有更强大功

8、能，而其它的不具备这些功能的节点称为静止节点。9.4 无线传感器网络应用实例分析9.4.1 军事无线传感器网络应用 无线传感器网络节点数量巨大，位置部署比较随机，容错性高和强大的自组织能力，使得无线传感器网络能够容忍网络中的某些节点损坏，并且保持整个系统的稳定，传感器网络的这些特点可以在恶劣的战场环境得到很好的应用。在军事领域用于智能尘埃、智能传感器网络和嵌入式系统网络技术。9.4 无线传感器网络应用实例分析9.4.2 工业无线传感器网络应用 无线传感器网络的几大优势特点，比如组网灵活、容易更换、移动方便以及可扩展性强等，从而避免了传统的有线网络中监测点位置固定和布线困难等问题。随着电子技术的

9、逐渐完善，无线传感器网络的应用使工业监控网络的组网成本降低，在工业领域的典型应用有煤矿安全环境检测、先进制造 和仓储管理。但由于厂环境下对象多变且干扰严重的问题，导致无线传感器网络在复杂的工业环境中仍难以大规模的应用。面临问题有：（1）能量消耗较高，持续工作时间有限；（2）抗干扰能力差，通信可靠性较低；（3）通信距离有限。9.4 无线传感器网络应用实例分析9.4.3 其它领域无线传感器网络典型应用1.智能家居 通过无线传感器网络将各种家居设备联系起来，建立一个智能家居网络，并保持各智能家居自动运行、相互协作，不仅满足了用户精神上和物质上的需求，更提高了居住者的生活品质。智能家居领域的无线传感器

10、网络如下图。9.4 无线传感器网络应用实例分析9.4.3 其它领域无线传感器网络典型应用1.智能家居 通过无线传感器网络将各种家居设备联系起来，建立一个智能家居网络，并保持各智能家居自动运行、相互协作，不仅满足了用户精神上和物质上的需求，更提高了居住者的生活品质。智能家居领域的无线传感器网络如下图。（1）家庭安全系统通过智能门禁、摄像监控、入侵报警、联网报警和远程监控等技术构筑多层防护网，使家人和财产得以安全。（2）家电控制系统利用一部手机或平板电脑，就可以控制家中所有家电设备。（3）智能照明系统利用智能调光、定时开关、遥控开关以及编程组合灯光控制等技术，为家庭提供智能照9.4 无线传感器网络

11、应用实例分析9.4.3 其它领域无线传感器网络典型应用3.建筑领域 无线传感器网络采集建筑物结构的重要物理量数据，然后由建筑物风险监测系统软件分析收集到的数据，从而发现和预测一些灾难和人为事件。如下图：9.4 无线传感器网络应用实例分析9.4.3 其它领域无线传感器网络典型应用4.交通控制领域 利用无线传感器网络节点，将测量的交通参数数据上传至总交通控制中心，然后利用专家系统等软件进行分析，推测道路拥堵情况。5.农业领域9.4 无线传感器网络应用实例分析9.4.3 其它领域无线传感器网络典型应用 采用无线传感器构建的监控网络，优势体现在成本低廉和部署方便，可有效的实现环境信息的采集和传输，是现代农业的重要发展趋势。