1、无线传感器网络应用概述无线传感器网络的应用场景无线传感器网络应用技术无线传感器网络应用实例分析第十六章 无线传感器网络应用第1页/共26页概述 早在20世纪70年代，第一代传感器网络就诞生了。第一代传感器网络特别简单，只能获取简单信号，数据传输采用的是点对点模式，传感器节点与传感控制器相连就构成了这样一个传感器网络。 第二代传感器网络在第一代传感器网络上功能稍有增强，它能够读取多种信号，硬件上采用的是串/并接口来连接传感控制器，是一种能够综合多种信息的传感器网络。传感器网络更新的速度越来越快， 在20世纪90年代后期，第三代传感器网络问世，它更加智能化，综合处理能力更强，能够智能地获取各种信息
2、，网络采用局域网形式，通过一根总线实现传感器控制器的连接，是一种智能化的传感器网络。 到现在为止，第四代传感器网络还在开发之中，虽然在实验室无线传感器网络已经能够运行，但限于节点成本、电池生命周期等原因，大规模使用的产品出现得还很少，这一代网络结构采用的是无线通信模式，大规模地撒播具有简单数据处理和融合能力的传感器节点，无线自组织地实现网络间节点的相互通信，这就构成第四代传感器网络，也就是我们所说的无线传感器网络。第2页/共26页无线传感器网络由在应用场景内随机分布的嵌入式传感器节点通过自组织方式构成的无线网络，具有鲜明的特点。1大规模网络大规模网络无线传感器可以部署到很大的地理区域，节点数目
3、巨大，节点密度高，如水质监测、森林防火监测等应用。2自组织网络自组织网络无线传感器网络可以依据组网机制和网络协议自动对网络进行配置和管理，传感器节点有自组织能力，能够自动形成可以转发数据的多跳无线通信系统。3动态性网络动态性网络无线传感器网络中的节点可能会随时加入或离开，所以网络要能够感知节点的加入和移动。在网络结构发生变化时，无线传感器网络系统能够适应这些变化，具有动态的系统可重组性。概述第3页/共26页4可靠的网络可靠的网络无线传感器节点资源有限，其计算能力和存储能力不强，生命周期取决于电池，而且针对不同的应用，传感器节点的硬件平台、软件系统和网络协议也可能不同，对无线传感器节点进行维护、
4、回收和替换的可能性很小，因此，无线传感器网络要具有信息传输的高度可靠性和对节点失效的高度容错性。5以数据为中心以数据为中心无线传感器网络中的节点没有唯一的IP地址，其网络标识取决于采用的网络协议，所以无线传感器网络不是类似于Internet的以地址为中心的网络。当无线传感器网络查询事件时，传感器节点获取的指定事件的信息不是报告给某一个特定编号的网络节点，而是直接报告给网络的，再由网络报告给用户，所以无线传感器网络是一个以数据为中心的网络。概述第4页/共26页无线传感器网络的应用场景1环境监测和保护环境监测和保护2军事领域军事领域3文物保护文物保护4医疗护理医疗护理5空间探索空间探索6建筑领域建
5、筑领域7智能交通及其他智能交通及其他第5页/共26页静态部署第6页/共26页1部署方法部署方法无线传感器网络的部署方法与应用密切相关，根据应用环境的不同，无线传感器网络的部署方法可以分为确定性部署和随机部署两类13。确定性部署通常应用于网络的状态相对固定或应用环境、节点位置信息、节点的密度等已知情况下，确定性部署通过对问题进行数学抽象成为静态优化问题或线性规划问题，2优化对象优化对象根据优化对象对部署进行分类，可以分为基于覆盖、基于网络连通和能量有效性部署三类。3节点角色节点角色节点的部署位置不仅影响节点的覆盖与连通，更影响网络的生存时间。一些学者利用不同类型的节点来优化网络性能，如增加网络生
6、存时间、最小化数据包延迟等。节点在网络中可以充当感知节点、中间节点、基站节点或簇头节点。当节点充当不同的角色时，网络的性能参数依赖于节点在网络中的角色。静态部署第7页/共26页动态部署传感器网络中节点的动态部署研究可以分为两类。第一类是通过节点的自主移动到达目标位置实现部署通过节点的自主移动到达目标位置实现部署，这种节点包括可移动传感器和机器人传感器，其中可移动传感器是具有翻动、弹跳等小距离移动功能的传感器，机器人传感器是机器人与嵌入式无线传感器的结合体，能在地形复杂或者地理信息未知的情况下参与到网络构建和运作中。第二类动态部署方法是借助机器人在区域内的移动来放置节点动态部署方法是借助机器人在
7、区域内的移动来放置节点，构建无线传感器网络并在网络的工作过程中实时调整节点位置以实现对网络的维护。第8页/共26页动动 节点动态部署可以追溯到机器人的部署，国内外已有研究机构进行了相关研究，基于动态部署的方式可以分为以下三种.1增量式节点部署算法增量式节点部署算法2基于人工势场（或虚拟力）的算法基于人工势场（或虚拟力）的算法3利用节点间的移动利用节点间的移动算法算法动态部署第9页/共26页无线传感器网络应用实例分析 无线传感器网络的定义为：大量无处不在的，密集布设的具有通信与计算能力的传感器节点，可在无人值守的监控区域自组成网络，协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象。 无线传感器
8、网络技术在环境上的应用优势用优势体现在：布设成本低；无须人工维护，无须大量人员值守，生态环境不易遭到破坏，不对人们的生活造成影响，反馈信息准确、及时、可靠。无线传感器网络在环境监测应用方面的优势无可比拟，其应用和推广将为社会带来不可估量的效益和深远影响。第10页/共26页用于矿井环境监测的无线传感器网络在矿井环境监测中通常需要对矿井风速、矿尘、一氧化碳、温度、湿度、氧气、硫化氢和二氧化碳等参数进行检测。现有的监控检测系统需要在矿井内设通信线路，传递监测信息。生产过程中矿井结构在不停变化，加之有些坑道空间狭小，对通信线路的延伸和维护提出了很高的要求。一旦通信链路发生故障，整个监测系统就可能瘫痪。
9、为解决上述问题，本节提出使用无线传感器网络来进行矿井环境的监测监控。使用无线传感器网络进行环境监控有三个显著的优势：（1）传感器节点体积小且整个网络只需要部署一次，因此部署传感器网络对监控环境的人为影响很小。（2）传感器网络节点数量大，分布密度高，每个节点可以检测到局部环境详细信息并汇总到基站，因此传感器网络具有采集数据全面，精度高的特点。（3）无线传感器节点本身具有一定的计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化进行较为复杂的监控。第11页/共26页1无线传感器网络的框架结构无线传感器网络的框架结构用于矿井环境监测的无线传感器网络 传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量的
10、传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式组成网络。各个传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点进行逐跳传输，经过多跳后路由到汇聚节点。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信息。1）网络系统结构第12页/共26页2）拓扑结构用于矿井环境监测的无线传感器网络第13页/共26页2节点的软节点的软/硬件结构硬件结构1）硬件结构 节点硬件结构如图所示，传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点，处理采集到的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负
11、责与其他传感器节点进行无线通信，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提供运行所需的能量，采用微型电池。用于矿井环境监测的无线传感器网络第14页/共26页2）软件结构用于矿井环境监测的无线传感器网络第15页/共26页用于矿井环境监测的无线传感器网络3网络协议网络协议1）多径路由机制和SPEED路由协议，可靠的路由协议主要从以下两个方面考虑：一是利用节点的冗余性提供多条路径以保证通信的可靠性；二是建立对传输可靠性的估计机制，从而保证每跳传输的可靠性。2）基于分簇的TDMA机制MAC协议由于该传感器网络采用骨干节点、非骨干节点的拓扑结构，即分簇的拓扑结构，其底层的MAC层协议也是基于
12、这种分簇的结构设计。4定位机制定位机制当井下发生瓦斯泄漏事件时，必须尽快找到瓦斯泄漏点进行抢修。此时探测到瓦斯浓度最高的节点必然是距离瓦斯泄漏点最近的节点，该节点要发送位置信息给管理节点。第16页/共26页山体滑坡案例1工程介绍工程介绍 城市存在大量山地地貌，城市居民人口众多，要求土地必须保持较高的利用率，因此大量建筑和道路都位于山区附近。由于地处中国南方，地理位置决定了该地区降雨量常年偏高，尤其在每年的梅雨季节，会出现大量的降水。不稳定的山地地貌在受到雨水侵蚀后，容易产生山体滑坡现象，对居民的生命财产安全造成巨大的威胁。 MEMSIC作为最早进入无线传感器网络领域的公司，提供全套无线解决方案
13、。在与地理监测专家进行多次交流，并进行数次实地考察后，MEMSIC公司提出了基于无线传感器网络的山体滑坡监测方案。第17页/共26页2理论原理理论原理液位传感器液位传感器:观测地下水深度。倾角传感器倾角传感器：监测山体的运动状况，山体往往由多层土壤或岩石组成，不同层次间由于物理构成和侵蚀程度不同，其运动速度不同山体滑坡案例第18页/共26页山体滑坡案例2理论原理理论原理液位传感器液位传感器:观测地下水深度。倾角传感器倾角传感器：监测山体的运动状况，山体往往由多层土壤或岩石组成，不同层次间由于物理构成和侵蚀程度不同，其运动速度不同第19页/共26页3部署实现部署实现山体滑坡案例第20页/共26页
14、1）传感器节点传感器节点每个传感器节点包含液位传感器与倾角传感器元件，IRIS无线传感器网络节点、MDA300数据获取板和电池组。2）中继中继Mote中继Mote的硬件结构和Mote完全一样，只是没有连接传感器,通过有线形式供电。3）基站基站基站是由一个Stargate网关和一个Mote组成。山体滑坡案例第21页/共26页4）MoteWebMoteWeb是Windows平台下支持无线传感器网络系统的B/S架构可视监控软件，可通过Web浏览器直接访问WSN数据，具有友好的交互界面。4问题与解决方案问题与解决方案1）通信距离山体滑坡案例第22页/共26页2）能源消耗山体滑坡案例第23页/共26页3）IT系统设计山体滑坡案例第24页/共26页5项目总结项目总结 美国MEMSIC科技公司的无线传感器网络技术大大提高了山体滑坡监测工作的效率，无线传感器网络技术不仅使每个节点便于安装部署，免去了有线接入的繁琐过程，降低了成本，并且基于Xmesh的网络能够长期稳定、可靠地连续的工作，保证数据的存储并及时更新。整个系统的工作模式也可以通过网络随时改变，以灵活适应不同的环境状态。山体滑坡案例第25页/共26页山体滑坡案例第26页/共26页
