第15章 无线传感器网络

第15章无线传感器网络15.1网络组成15.3硬件平台15.4无线传感器网络应用实例WSN（wirelesssensornetwork）利用集成化的微型传感器协作地实时感知、采集和监测对象或环境的信息，用微处理器对信息进行处理，并通过自组织无线通信网络以多跳中继方式传送，将网络化信息获取和信息融合技术相结合，使终端用户得到需要的信息。15.1网络组成15.1.1无线传感器网络的网络结构传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通常用电池供电。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，把收集的数据转发到外部网络。15.1.2传感器节点传感器模块用于感知、获取外界的信息，被监测的物理信号决定了传感器的类型；处理器模块负责协调节点各部分的工作，对感知部件获取的信息进行必要的处理和保存，控制感知部件和电源的工作模式等；无线收发模块负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。15.1.3无线传感器网络协议栈管理平台使得传感器节点能够以高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。网络层的主要功能包括分组路由、网络互联、拥塞控制等。数据链路层负责媒体接入控制和建立网络节点之间可靠通信链路，为邻居节点提供可靠的通信通道；物理层负责感知数据的收集，并对收集的数据进行采样、信号的发送和接收、信号的调制解调等任务。传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。服务质量为应用程序提供足够的资源使它们按用户可以接受的性能指标工作。15.1.3无线传感器网络协议栈能量管理负责控制节点对能量的使用，为延长网络存活时间有效的利用能源。拓扑管理负责保持网络的连通和数据有效传输。网络管理负责网络维护、诊断，并向用户提供网络管理服务接口，通常包括数据收集、数据处理、数据分析和故障处理等功能。服务质量为应用程序提供足够的资源使它们按用户可以接受的性能指标工作。时间同步为传感器节点提供全局同步的时钟支持。节点定位确定每个传感器节点的相对位置或绝对的地理坐标。15.1.4无线传感器网络的特点①能量资源有限：网络节点由电池供电，其特殊的应用领域决定了在使用过程中，通过更换电池的方式来补充能量是不现实的。“高效使用能量来最大化网络生命周期”。②硬件资源有限：传感器节点是一种微型嵌入式设备，大量的节点数量要求其低成本、低功耗，所携带的处理器能力较弱，计算能力和存储能力有限。在成本、硬件体积、功耗等受到限制的条件下，传感器节点需要完成监测数据的采集、转换、管理、处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等工作。通过优化设计实现硬件的协调工作。15.1.4无线传感器网络的特点③无中心：WSN是一个对等式网络，所有节点地位平等，没有严格的中心节点。节点仅知道与自己彼邻节点的位置及相应标识，通过与邻居节点的协作完成信号处理和通信。④自组织：无线传感器网络节点往往通过飞机播撒到未知区域，通常情况下没有基础设施支持，其位置不能预先设定，节点之间的相邻关系预先也不明确。网络节点布撒后，无线传感器网络节点通过分层协议和分布式算法协调各自的监控行为，自动进行配置和管理，利用拓扑控制机制和网络协议形成转发监测数据的多跳无线网络系统。15.1.4无线传感器网络的特点⑤多跳路由：无线传感器网络节点的通信距离有限，一般在几十到几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信，对于面积覆盖较大的区域，传感器网络需要采用多跳路由的传输机制。无线传感器网络中没有专门的路由设备，多跳路由由普通网络节点完成。同时，因为受节点能量、节点分布、建筑物、障碍物和自然环境等因素的影响，路由可能经常变化，频繁出现通信中断。针对通信环境和有限通信能力，设计网络多跳路由机制以满足传感器网络的通信需求。⑥动态拓扑：在WSN使用过程中，部分节点附着于物体表面随处移动，部分节点由于能量耗尽或环境因素造成故障或失效而退出网络，部分节点因弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，节点数量动态变化，使网络的拓扑结构动态变化。动态拓扑组织功能和动态系统的可重构性。⑦可靠性：由于传感器节点的大量部署不仅增大了监测区域的覆盖，减少盲区，而且可以利用分布式算法处理大量信息，降低了对单个节点传感器的精度要求，大量冗余节点的存在使得系统具有很强的容错性能。15.1.4无线传感器网络的特点15.1.4无线传感器网络的特点节点数量多：为了获取精确的信息，在监测区域通常部署大量的传感器节点。传感器节点被密集的随机部署在一个面积不大的空间内，需要利用节点之间的高度连接性来保证系统的抗毁性和容错性。这种情况下，需要依靠节点的自组织性处理各种突发事件，节点设计时软硬件都必须具有鲁棒性和容错性。15.3硬件平台传感器节点应具有的功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的其它节点数据进行综合，转发路由到网关节点。传感器节点数目庞大，通常采用电池供电，传感器节点的能量一旦耗尽，该节点就不能实现数据采集和路由功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。网关节点往往个数有限，而且能量常常能够得到补充。网关节点通常使用多种方式与外界通信。数据管理中心主要由数据库、管理软件以及PC机（服务器）构成。15.3.1传感器节点传感器网络节点作为一种微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础层支撑平台。大部分节点采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大，更换困难，所以低功耗是无线传感器网络重要的设计准则之一，从无线传感器网络节点的硬件设计到整个网络各层的协议设计都把节能作为设计目标，以最大限度地延长无线传感器网络的寿命。模块化设计是提高节点通用性、扩展性和灵活性的有效途径。集成化以满足节点集数据采集、处理和转发等功能于一身的需求。微型化可以满足大规模布撒、提高隐蔽性的应用需求。PSTNGPRS网关(ARM+uClinux)无线传感器网络以太网汇聚节点远程终端移动终端用户传感器节点网关系统结构示意图15.3.2网关节点设计网关节点接收传感器节点发送来的采集数据，通过有线(串口或USB电缆)或无线方式与PC或服务器相连。网关节点的功能：一是通过汇聚节点获取无线传感网络的信息并进行转换，二是利用外部网络进行数据转发。一种是基于以太网的有线通信网关节点，虽然以太网通信稳定可靠，但需要具备相应的接入条件，这在许多应用情况下难以实现；另一类是基于无线通信方式（GPRS、GSM和CDMA等）的网关节点，无线通信移动性好，但易受到网络覆盖面的约束。15.3.3WSN测试平台理论分析推导：虽然可以进行多个同类协议的比较，模型的简化也降低了理论分析的可信度。仿真分析：并不能考虑实际应用环境中节点状态、无线通信环境及网络的不稳定性等问题，单纯仿真存在性能缺陷，甚至是设计错误。测试平台：用来验证真实环境下无线传感器网络的各种协议和算法的综合性能（通信质量、能耗分布以及误码率等），分析和测试节点状态、通信环境和网络性能等因素可能给网络质量带来的各种影响，避免因建模假设带来的理论误差，最大限度的保证通信协议和传感网络的可靠性。15.3.3WSN测试平台测试平台通过部署一定规模的专用节点，模拟监测环境，综合评测无线传感器网络在未来应用中可能出现的错误或故障，并加以分析和调试。为进一步量化评估网络综合性能，研究网络行为和监控技术等提供重要的软硬件基础。为无线传感器网络从理论设计到大规模应用提供了重要的开发和测试手段。15.3.3WSN测试平台用户访问网络服务器、测试仿真服务器和数据存储服务器构成了上层服务器平台。具有多网通信功能的高速数据处理终端和网关是连接上层服务与底层节点的关键设备。对于测试平台中使用的节点，在常规节点基础上增加了有线通信接口和复位调试等功能。工作数据库采集信息数据历史数据备份用户信息数据任务查询命令队列实时控制设备检测结果显示设备复位、再编程控制本地模式TCP/IP工具服务状态反馈文档在线试验地图下载用户注册静态传感器节点移动传感器节点因特网、CDMA、GSM和GPRS等网络本地IP1本地IP2数据库服务器测试服务器网络服务器用户便携式传感器节点内部通信内部通信本地IP本地IP公共IP网关和数据处理终端网关和数据处理终端网关和数据处理终端本地IP315.3.3WSN测试平台测试平台的重要作用就是监测并发现网络设计时的错误和故障，并指导分析和调试工作。网络故障系统设计缺陷性能缺陷丢包率链路质量硬件缺陷误码率拓扑结构系统配置算法缺陷协议缺陷环境因素能耗分布网络负载覆盖面积无线传感器网络测试平台15.4无线传感器网络应用实例无线传感器网络节点微小，价格低廉，部署方便、隐蔽性高、可自主组网等特点，在军事、农业、环境监控、健康监测、工业控制、智能交通和仓储物流等领域具有广阔的应用前景。随着传感网络研究的深入，无线传感网络逐渐渗透到人类生活的各个领域。地震监测、生活习性监测、船只监控、深海监控、战场评估、目标跟踪和检测、森林火灾监控、小区安全监控、精细农业。15.4.1军事应用利用飞机抛撒或火炮发射等装置，将大量廉价传感器节点按照一定的密度部署在待测区域内，对周边的各种参数，如震动、气体、温度、湿度、声音、磁场、红外线等各种信息进行采集，然后由传感器自身构建的网络，通过网关、互联网、卫星等信道，传回监控中心。可以将无线传感网络用作武器自动防护装置，在友军人员、装备上加装传感器节点以供识别，随时掌控情况避免误伤。通过在敌方阵地部署各种传感器，做到知己知彼，先发制人。另外，该项技术利用自身接近环境的特点，可用于智能型武器的引导器，与雷达和卫星等相互配合，可避免攻击盲区，大幅度提升武器的杀伤力。15.4.2城市生命线被称为城市生命线的水、电、煤气和石油等网络，纵横交错，埋在地下，出现问题很难发现，维护极其困难，泄露、爆炸等事故造的社会和经济损失巨大。采用无线传感器网络对城市水管网进行监测，获取水压、水位以及水的质量等信息，判断水位、泄漏和污染情况。采用压力和超声传感器网络监测城市天然气管网。无线传感器网络的应用将大幅提高城市生命线的安全性。15.4.3健康监测：人体健康监测为更好的对冠心病、脑溢血等高危病人进行24小时健康监测，不妨碍病人的日常起居和生活质量，无线传感器网络有广阔的应用前景。通过在老年人身上佩戴血压、脉搏、体温等微型无线传感器，经过住宅内的传感器网关，将数据发送给医院，医生可以远程了解老年人的健康状况。在公寓内安装包括温度、湿度、光、红外、声音和超声等多个传感节点，根据这些节点收集的信息，实时了解人员的活动情况。采用多传感器信息融合技术，可以准确地判断出被监测人的行为，如：做饭、睡觉、看电视、淋浴等等，15.4.3健康监测：建筑物健康监测在建筑物上安装联网的地震传感器，为处于地震带的民居提供更好的监测预警机制。把无线传感器网络节点绑定在鸟巢钢架结构上，对施工过程中钢结构进行应力、压力分析等。将具有温度、湿度、压力、加速度、光照等传感器的节点布放在重点保护对象当中，无需拉线钻孔，便可有效地对建筑物进行长期监测。此外，对于珍贵文物，在保存地点的墙角、天花板等位置，监测环境的温度、湿度是否超过安全值，可以更妥善地保护展品的品质。15.4.3健康监测：建筑物健康监测在桥梁监测中，利用适当的传感器，例如压电传感器、加速度传感器、超声传感器、湿度传感器等，可以有效地构建一个三维立体的防护监测网络。用于监测桥梁、高架桥、高速公路等环境。对许多老旧的桥梁，桥墩长期受到水流的冲刷，传感器能够放置在桥墩底部、用以感测桥墩结构；也可放置在桥梁两侧或底部，搜集桥梁的温度、湿度、震动幅度、桥墩被侵蚀程度等，能减少事故造成的生命财产损失。15.4.4环境监测监视大鸭