无线传感网络在物联网技术中的意义与应用

无线传感网络在物联网技术中的意义与应用2009年在无锡成立“感知中国”中心，并且，目前针对物联网的《国家物联网“十五”发展规划》也正在制定过程中，进一步确定了物联网技术在新兴科技领域中的重要位置。而无线传感器网络作为物联网中的核心产业，也需要更多的关注与研究，以促进物联网的发展，使得物联网成为新的全球经济增长点。随着社会和现代技术发展，物联网的而超悄然而至，得到了很多国家和人民的关注。物联网是基于现在已有的互联网而发展起来的，它除了融合网络、RFID技术、信息技术，还引入了无线传感器技术，使得2MM型物联网有了更深的发展。而且无线传感技术结合了嵌入式系统技术，传感器技术，现代网络以及无线通信技术，所以它本身也是一个热点的研究领域。无线传感器网络和物联网的简介物联网技术目前正在全球范围内引发新一轮的产业革命，成为推动经济社会发展的重要力量。典型的物联网系统一般分为三层：应用层、网络层和感知层。其中由大量的传感设备组成了感知层网络，定义为无线自组传感器网络，无线传感器网络,WSNwirelesssensornetworks（）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。1.1无线传感器网络无线传感器网络,WSNwirelesssensornetworks（）是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，是采用无线通信的方式形成的一个多跳自组织网络系统，能够通过集成化的微型传感器，协同地实时监测、感知、采集和处理网络覆盖区域中各种感知对象的信息，并对信息资料进行处理，再通过无线通信方式发送，并以自组多跳网络方式传送给信息用户，以此实现数据收集、目标跟踪以及报警监控等各种功能。目前，传感器信息获取技术逐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，其智能化的发展将会带来一场信息革命。无线传感器络技术综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技等先进技术，该技术具备的感知能力、计算能力、通信能力，给更多的WSN应用空间和应用价值提供了可能性，是物联网当前研究开发的热点之一。WSN的发展历程无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络。最早的代表性论述出现。1999年，题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。2003年，美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同年，美国《商业周刊》未来技术专版，论述四大新技术时，无线传感器网络也列入其中。美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，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杂志发表一期专集：传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。无线传感器网络是从传感器网络开始的，传感器网络经历了如图一所示的发展历程。第一代传感器网络出现在20世纪70年代，使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络；第二代传感器网络，具有获取多种信息信号的综合能力，采用串，并接口8-232-485RRS（、）与传感控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络；第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和本世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络；第四代传感器网络正在研究开发，目前成形并大量投入使用的产品还没有出现，用大量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。本文所介绍的无线传感器网络就是指第四代传感器网络。图一传感器的发展历程1.2物联网物联网,IOTinternetofthings（）顾名思义就是物物相连。目前较为认可的物联网定义为：物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理另外，物联网可以理解为通过“泛在网络”实现“泛在服务”，基于个人和社会的各种需求，通过融合前沿智能技术，实现人与人、人与物、物与物之间所需要的信息采集、传递、存储、加工处理、决策使用等综合服务，是一种更加广泛深远的未来网络应用形态。物联网最为明显的特征是物物相连，信息可以自动化处理，无需人为操作，所以效率极高，降低了人为因素引发的不稳定性。因此，物联网在各个行业中的应用潜力非常巨大，应用领域也非常广泛，发挥了极大的价值作用，而且物联网将与互联网有效地整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。云计算平台物联网管理中心物联网信息中心行业专家系统2G网络3G网络4G网络图二物联网结构图1.3物联网多参量协同感知应用以物联网系统中配网线路监测为例，物联网示范应用系统已将13种传感器分别应用于配网运行管理中，实现了配网设备温度、环境运行温湿度、环网柜水浸、门开关、杆塔倾斜、线路故障电流、电缆屏蔽层电流、变压器中心点电流、变压器噪声等多参量的状态、故障及防盗在线监测。监测的配网设备覆盖种类广，包括配网线路、配电变压器、断路器、隔离开关、环网柜、分支箱、箱式变等。由于电力系统中存在大量不确定的潜伏性故障，特别是在比较复杂的配电网络，由于其运行线路复杂，线路故障情况多样，给检修人员进行故障定位提供了困难。从目前单一监测量往往很难诊断故障做出正确定位，甚至会出现“虚警”现象，给维护人员带来不必要的麻烦。因此需要采用上述的多传感器融合方式，综合分析各监测内容，通过主站数据控制中心对各个传感器装置上传的数据进行计算处理，按照相应的处理计算公式，得到更为准确的判断值。特意选智能电网智能交通智能家居国防军事工业与自动化控制医疗健康精细农牧业金融与服务业RFID读写器RFID设备M2M终端传感器设备传感器网关传感器网络应用层网络层感知层取了物联网示范应用项目中几个多传感器参量协同监测的应用示例：对配电变压器运行协同监测：通过在配电变压器上安装配变综测骨干节点、无线温度传感器、无线噪声传感器实现变压器的多参量协同监测，可以监测变压器低压侧电流、电压、变压器运行温度、运行噪声以及变压器所在杆塔的倾斜度等，当变压器出现故障时先进行电流的分析，如果电流比较大，那变压器的温度一定高，噪声也会变大，如果电流不变，再进行温度的分析，温度升高，可能是电缆接触不良等原因造成，噪声也会变大。1.4物联网无线传感器网络多传感器数据融合（1）数据融合理论无线传感网络中的传感器将采集到的数据传输给数据服务中心，数据服务中心需要将这些数据进行相应的处理，再将处理后的数据发送给各业务系统进行使用，因此对这些多传感器感知信息的融合技术是多参量协同监测的理论依据。多传感器融合技术的基本原理就像人脑综合处理信息的过程一样，它充分地利用多个传感器资源，通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用，将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则组合起来，产生对观测环境的一致性解释和描述。信息融合的目标是基于各传感器分离观测信息，通过对信息的优化组合导出更多的有效信息。它的最终目的是利用多个传感器共同或联合操作的优势，来提高整个传感器系统的有效性。目前，比较常用的多传感器融合方法有：卡尔曼滤波，贝叶斯估计，DS推理，聚类分析法，而近年来随着神经传感网络技术的发展，其最新研究也逐步运用在多传感器信息融合上。多传感器融合技术的应用非常广泛，主要应用在军事和民用两个领域，军事应用是多传感器信息融合技术诞生的源泉，具体应用包括海洋监视系统，空对空或地对空防御系统，战场情报、防御、目标获取，战略预警和防御系统。而民用领域主要是用于机器人、智能制造、智能交通、无损检测、环境监测、医疗诊断、遥感等。（2）物联网数据融合体系架构及方法传感器信息融合体系目前大致分为三种：分布式，集中式和混合式。每种体系的区别仅在于对数据的处理的位置。分布式的结构主要是对已经进行预处理的数据在信息融合中心进行智能组合，从而得到最终的结果，集中式则与其相反，数据的处理都是单独进行上传，全部集中在数据处理中心进行融合，对处理器要求较高。混合式多传感器信息融合体系框架中，部分传感器采用集中式融合技术，剩余的传感器采用分布式融合方式。这样的数据处理体系具有较强的适应能力，兼顾了两种融合体系的优点，但是也相对比较复杂。物联网系统的数据融合采用了混合式的数据融合方式，同时对于数据的传输模型提出了电子表单TEDS的概念，物联网系统中通过电子表单，对传感器数据进行统一封装和解析，目前物联网中的TEDS机构采用图三的方式。图三无线通信协议相关的TEDS二、无线传感器网络在物联网领域中的应用物联网是由感知层、网络层和应用层构成的层次体系。感知层主要涉及到RFID、传感器、二维码等机器设备，然后通过电信网和互联网的融合网络层，及时准确地传递物体基本信息，在应用平台上，利用各种先进智能技术对信息资料进行分析处理，以便对物体进行智能控制。如图1所示，传感器在基础感知层，负责对物体信息的采集和抓取，这一功能对于物联网技术的发展和应用，起着至关重要的支撑作用。2.1无线传感器网络在军事领域中的应用无线传感器网络的可快速随机部署、可自组织、隐蔽性强、高容错性等特点，使得传感器节点在恶劣的战场环境中发挥极大的作用。在军事领域应用方面，结合无线传感器技术思想，将大量廉价传感器节点，通过飞机或火炮等发射装置，按照一定的密度投放到待监测区域内，对节点周边环境的各种参数，如温度、湿度、声音、磁场等信息进行采集，然后由传感器自组织网络，通过网关、互联网、卫星等通讯方式，传回信息中心，实时监控敌军兵力与装备，实时监视冲突区，进行目标定位，战场评估，并实现各种攻击的监测和搜索等功能，有效地提高军队的作战决策能力。2.2无线传感器网络在工业领域中的应用无线传感器网络在工业领域中的应用比较广泛，比如工业安全、先进制造、交通控制管理、安防系统、仓储物流管理等领域，其中工业安全领域的应用研究已日趋壮大。在计算机技术、无线通信技术、微电子技术和网络技术发展的推动下，工业通信技术正朝着智能化和网络化的方向不断发展。目前，随着测控系统规模的不断扩大，煤矿、石化、核电等行业对工作人员安全及易燃、易爆、有毒物质的监测成本非常昂贵。其中，煤炭行业对先进的井下安全生产保障系统的需求日渐巨大。因此，降低投资和使用成本成为工业通信技术发展新阶段的迫切要求。而无线传感器网络的成本低廉、方便简捷、泛在感知等特点可以满足工业通信领域的多个要求。对传感器节点经防爆处理和技术优化后，用于危险的工作环境，实时全面地监控员工安全及工业全流程，及时获取险恶工作环境下工作现场的员工基本情况、工作环境状况以及其它无法在线监测的重要工业过程参数，并在此基础上，优化控制工业流程，提高产品质量，降低工业生产过程中的各种安全事故，达到国家指定的安全生产目标。2.3无线传感器网络在农业领域中的应用农业作为中国发展经济的一大基础，促进其优质高产将产生重大的意义。无线传感器网络的通信简便、部署简捷、可密集分布等优势，可以充分地发挥在农业生产领域中，用以监测土壤环境状况、农作物灌溉及生长情况、牲畜和家禽的环境状况以及大面积的地表特征检测。再结合目前成熟的互联网技术、GPS技术，可以构建能动态实时管理的系统平台。例如英特尔公司在俄勒冈建立的世界上第一个无线葡萄园，通过无线传感器监测葡萄生长环境中得各种因素，并分析葡萄质量与各种影响因素之间的关系，是典型的精准农业、智能耕种的实例。在国内，在“九五”计划中，“工厂高效农业工程”把智能传感器和传感器网络化的研制列为国家重点项目，可以看出无线传感器网络在农业领域中的重要作用和意义。2.4无线传感器网络在医疗护理领域中的应用目前，随着国家人口老龄化日趋明显，在医疗护理方面的问题