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1、第十六章無線傳感器網(wǎng)絡應用,,無線傳感器網(wǎng)絡應用概述無線傳感器網(wǎng)絡的應用場景無線傳感器網(wǎng)絡應用技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡應用實例分析,第十六章無線傳感器網(wǎng)絡應用,概述,早在20世紀70年代，第一代傳感器網(wǎng)絡就誕生了。第一代傳感器網(wǎng)絡特別簡單，只能獲取簡單信號，數(shù)據(jù)傳輸采用的是點對點模式，傳感器節(jié)點與傳感控制器相連就構(gòu)成了這樣一個傳感器網(wǎng)絡。第二代傳感器網(wǎng)絡在第一代傳感器網(wǎng)絡上功能稍有增強，它能夠讀取多種信號，硬件上采用的是串/并接口來連接傳感控制器，是一種能夠綜合多種信息的傳感器網(wǎng)絡。傳感器網(wǎng)絡更新的速度越來越快，在20世紀90年代后期，第三代傳感器網(wǎng)絡問世，它更加智能化，綜合處理能力更強，能夠智能地

2、獲取各種信息，網(wǎng)絡采用局域網(wǎng)形式，通過一根總線實現(xiàn)傳感器控制器的連接，是一種智能化的傳感器網(wǎng)絡。到現(xiàn)在為止，第四代傳感器網(wǎng)絡還在開發(fā)之中，雖然在實驗室無線傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)能夠運行，但限于節(jié)點成本、電池生命周期等原因，大規(guī)模使用的產(chǎn)品出現(xiàn)得還很少，這一代網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)采用的是無線通信模式，大規(guī)模地撒播具有簡單數(shù)據(jù)處理和融合能力的傳感器節(jié)點，無線自組織地實現(xiàn)網(wǎng)絡間節(jié)點的相互通信，這就構(gòu)成第四代傳感器網(wǎng)絡，也就是我們所說的無線傳感器網(wǎng)絡。,無線傳感器網(wǎng)絡由在應用場景內(nèi)隨機分布的嵌入式傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，具有鮮明的特點。1．大規(guī)模網(wǎng)絡無線傳感器可以部署到很大的地理區(qū)域，節(jié)點數(shù)目巨大，節(jié)點密

3、度高，如水質(zhì)監(jiān)測、森林防火監(jiān)測等應用。2．自組織網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡可以依據(jù)組網(wǎng)機制和網(wǎng)絡協(xié)議自動對網(wǎng)絡進行配置和管理，傳感器節(jié)點有自組織能力，能夠自動形成可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的多跳無線通信系統(tǒng)。3．動態(tài)性網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點可能會隨時加入或離開，所以網(wǎng)絡要能夠感知節(jié)點的加入和移動。在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)能夠適應這些變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重組性。,概述,4．可靠的網(wǎng)絡無線傳感器節(jié)點資源有限，其計算能力和存儲能力不強，生命周期取決于電池，而且針對不同的應用，傳感器節(jié)點的硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議也可能不同，對無線傳感器節(jié)點進行維護、回收和替換的可能性很小，因此，無線傳感器網(wǎng)絡要具

4、有信息傳輸?shù)母叨瓤煽啃院蛯?jié)點失效的高度容錯性。5．以數(shù)據(jù)為中心無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點沒有唯一的IP地址，其網(wǎng)絡標識取決于采用的網(wǎng)絡協(xié)議，所以無線傳感器網(wǎng)絡不是類似于Internet的以地址為中心的網(wǎng)絡。當無線傳感器網(wǎng)絡查詢事件時，傳感器節(jié)點獲取的指定事件的信息不是報告給某一個特定編號的網(wǎng)絡節(jié)點，而是直接報告給網(wǎng)絡的，再由網(wǎng)絡報告給用戶，所以無線傳感器網(wǎng)絡是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡。,概述,無線傳感器網(wǎng)絡的應用場景,1．環(huán)境監(jiān)測和保護2．軍事領(lǐng)域3．文物保護4．醫(yī)療護理5．空間探索6．建筑領(lǐng)域7．智能交通及其他,靜態(tài)部署,1．部署方法無線傳感器網(wǎng)絡的部署方法與應用密切相關(guān)，根據(jù)應用環(huán)境的不同，無

5、線傳感器網(wǎng)絡的部署方法可以分為確定性部署和隨機部署兩類[13]。確定性部署通常應用于網(wǎng)絡的狀態(tài)相對固定或應用環(huán)境、節(jié)點位置信息、節(jié)點的密度等已知情況下，確定性部署通過對問題進行數(shù)學抽象成為靜態(tài)優(yōu)化問題或線性規(guī)劃問題，2．優(yōu)化對象根據(jù)優(yōu)化對象對部署進行分類，可以分為基于覆蓋、基于網(wǎng)絡連通和能量有效性部署三類。3．節(jié)點角色節(jié)點的部署位置不僅影響節(jié)點的覆蓋與連通，更影響網(wǎng)絡的生存時間。一些學者利用不同類型的節(jié)點來優(yōu)化網(wǎng)絡性能，如增加網(wǎng)絡生存時間、最小化數(shù)據(jù)包延遲等。節(jié)點在網(wǎng)絡中可以充當感知節(jié)點、中間節(jié)點、基站節(jié)點或簇頭節(jié)點。當節(jié)點充當不同的角色時，網(wǎng)絡的性能參數(shù)依賴于節(jié)點在網(wǎng)絡中的角色。,靜態(tài)部署,

6、動態(tài)部署,傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的動態(tài)部署研究可以分為兩類。第一類是通過節(jié)點的自主移動到達目標位置實現(xiàn)部署，這種節(jié)點包括可移動傳感器和機器人傳感器，其中可移動傳感器是具有翻動、彈跳等小距離移動功能的傳感器，機器人傳感器是機器人與嵌入式無線傳感器的結(jié)合體，能在地形復雜或者地理信息未知的情況下參與到網(wǎng)絡構(gòu)建和運作中。第二類動態(tài)部署方法是借助機器人在區(qū)域內(nèi)的移動來放置節(jié)點，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡并在網(wǎng)絡的工作過程中實時調(diào)整節(jié)點位置以實現(xiàn)對網(wǎng)絡的維護。,,動,節(jié)點動態(tài)部署可以追溯到機器人的部署，國內(nèi)外已有研究機構(gòu)進行了相關(guān)研究，基于動態(tài)部署的方式可以分為以下三種.1．增量式節(jié)點部署算法2．基于人工勢場（或虛擬力

7、）的算法3．利用節(jié)點間的移動算法,動態(tài)部署,無線傳感器網(wǎng)絡應用實例分析,無線傳感器網(wǎng)絡的定義為：大量無處不在的，密集布設的具有通信與計算能力的傳感器節(jié)點，可在無人值守的監(jiān)控區(qū)域自組成網(wǎng)絡，協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象。無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)在環(huán)境上的應用優(yōu)勢體現(xiàn)在：布設成本低；無須人工維護，無須大量人員值守，生態(tài)環(huán)境不易遭到破壞，不對人們的生活造成影響，反饋信息準確、及時、可靠。無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測應用方面的優(yōu)勢無可比擬，其應用和推廣將為社會帶來不可估量的效益和深遠影響。,用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡,在礦井環(huán)境監(jiān)測中通常需要對礦井風速、礦塵、一氧化碳、溫度、濕度、氧

8、氣、硫化氫和二氧化碳等參數(shù)進行檢測?，F(xiàn)有的監(jiān)控檢測系統(tǒng)需要在礦井內(nèi)設通信線路，傳遞監(jiān)測信息。生產(chǎn)過程中礦井結(jié)構(gòu)在不停變化，加之有些坑道空間狹小，對通信線路的延伸和維護提出了很高的要求。一旦通信鏈路發(fā)生故障，整個監(jiān)測系統(tǒng)就可能癱瘓。為解決上述問題，本節(jié)提出使用無線傳感器網(wǎng)絡來進行礦井環(huán)境的監(jiān)測監(jiān)控。使用無線傳感器網(wǎng)絡進行環(huán)境監(jiān)控有三個顯著的優(yōu)勢：（1）傳感器節(jié)點體積小且整個網(wǎng)絡只需要部署一次，因此部署傳感器網(wǎng)絡對監(jiān)控環(huán)境的人為影響很小。（2）傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量大，分布密度高，每個節(jié)點可以檢測到局部環(huán)境詳細信息并匯總到基站，因此傳感器網(wǎng)絡具有采集數(shù)據(jù)全面，精度高的特點。（3）無線傳感器節(jié)點本身具有

9、一定的計算能力和存儲能力，可以根據(jù)物理環(huán)境的變化進行較為復雜的監(jiān)控。,1．無線傳感器網(wǎng)絡的框架結(jié)構(gòu),用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡,傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。大量的傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式組成網(wǎng)絡。各個傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點進行逐跳傳輸，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測信息。1）網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu),2）拓撲結(jié)構(gòu),用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡,2．節(jié)點的軟/硬件結(jié)構(gòu),1）硬件結(jié)構(gòu),節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖所示，傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供

10、應模塊四部分組成。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點，處理采集到的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，采用微型電池。,用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡,2）軟件結(jié)構(gòu),用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡,用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡,3．網(wǎng)絡協(xié)議,1）多徑路由機制和SPEED路由協(xié)議，可靠的路由協(xié)議主要從以下兩個方面考慮：一是利用節(jié)點的冗余性提供多條路徑以保證通信的可靠性；二是建立對傳輸可靠性的估計機制，從而保證每跳傳輸?shù)目煽啃浴?）基于分簇

11、的TDMA機制MAC協(xié)議由于該傳感器網(wǎng)絡采用骨干節(jié)點、非骨干節(jié)點的拓撲結(jié)構(gòu)，即分簇的拓撲結(jié)構(gòu)，其底層的MAC層協(xié)議也是基于這種分簇的結(jié)構(gòu)設計。4．定位機制當井下發(fā)生瓦斯泄漏事件時，必須盡快找到瓦斯泄漏點進行搶修。此時探測到瓦斯?jié)舛茸罡叩墓?jié)點必然是距離瓦斯泄漏點最近的節(jié)點，該節(jié)點要發(fā)送位置信息給管理節(jié)點。,山體滑坡案例,1．工程介紹城市存在大量山地地貌，城市居民人口眾多，要求土地必須保持較高的利用率，因此大量建筑和道路都位于山區(qū)附近。由于地處中國南方，地理位置決定了該地區(qū)降雨量常年偏高，尤其在每年的梅雨季節(jié)，會出現(xiàn)大量的降水。不穩(wěn)定的山地地貌在受到雨水侵蝕后，容易產(chǎn)生山體滑坡現(xiàn)象，對居民的生命財

12、產(chǎn)安全造成巨大的威脅。MEMSIC作為最早進入無線傳感器網(wǎng)絡領(lǐng)域的公司，提供全套無線解決方案。在與地理監(jiān)測專家進行多次交流，并進行數(shù)次實地考察后，MEMSIC公司提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡的山體滑坡監(jiān)測方案。,2．理論原理液位傳感器:觀測地下水深度。傾角傳感器：監(jiān)測山體的運動狀況，山體往往由多層土壤或巖石組成，不同層次間由于物理構(gòu)成和侵蝕程度不同，其運動速度不同,山體滑坡案例,山體滑坡案例,2．理論原理液位傳感器:觀測地下水深度。傾角傳感器：監(jiān)測山體的運動狀況，山體往往由多層土壤或巖石組成，不同層次間由于物理構(gòu)成和侵蝕程度不同，其運動速度不同,3．部署實現(xiàn),山體滑坡案例,1）傳感器節(jié)點每個傳感器

13、節(jié)點包含液位傳感器與傾角傳感器元件，IRIS無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點、MDA300數(shù)據(jù)獲取板和電池組。2）中繼Mote中繼Mote的硬件結(jié)構(gòu)和Mote完全一樣，只是沒有連接傳感器,通過有線形式供電。3）基站基站是由一個Stargate網(wǎng)關(guān)和一個Mote組成。,山體滑坡案例,4）MoteWebMoteWeb是Windows平臺下支持無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的B/S架構(gòu)可視監(jiān)控軟件，可通過Web瀏覽器直接訪問WSN數(shù)據(jù)，具有友好的交互界面。4．問題與解決方案1）通信距離,山體滑坡案例,2）能源消耗,山體滑坡案例,3）IT系統(tǒng)設計,山體滑坡案例,5．項目總結(jié)美國MEMSIC科技公司的無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)大大提高了山體滑坡監(jiān)測工作的效率，無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)不僅使每個節(jié)點便于安裝部署，免去了有線接入的繁瑣過程，降低了成本，并且基于Xmesh的網(wǎng)絡能夠長期穩(wěn)定、可靠地連續(xù)的工作，保證數(shù)據(jù)的存儲并及時更新。整個系統(tǒng)的工作模式也可以通過網(wǎng)絡隨時改變，以靈活適應不同的環(huán)境狀態(tài)。,山體滑坡案例,山體滑坡案例,