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1、第十六章無線傳感器網絡應用,無線傳感器網絡應用概述無線傳感器網絡的應用場景無線傳感器網絡應用技術無線傳感器網絡應用實例分析,第十六章無線傳感器網絡應用,概述,早在20世紀70年代，第一代傳感器網絡就誕生了。第一代傳感器網絡特別簡單，只能獲取簡單信號，數據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成了這樣一個傳感器網絡。第二代傳感器網絡在第一代傳感器網絡上功能稍有增強，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絡。傳感器網絡更新的速度越來越快，在20世紀90年代后期，第三代傳感器網絡問世，它更加智能化，綜合處理能力更強，能夠智能地獲

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

3、，如水質監(jiān)測、森林防火監(jiān)測等應用。2自組織網絡無線傳感器網絡可以依據組網機制和網絡協(xié)議自動對網絡進行配置和管理，傳感器節(jié)點有自組織能力，能夠自動形成可以轉發(fā)數據的多跳無線通信系統(tǒng)。3動態(tài)性網絡無線傳感器網絡中的節(jié)點可能會隨時加入或離開，所以網絡要能夠感知節(jié)點的加入和移動。在網絡結構發(fā)生變化時，無線傳感器網絡系統(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，無線傳感器網絡要具有信息傳輸

4、的高度可靠性和對節(jié)點失效的高度容錯性。5以數據為中心無線傳感器網絡中的節(jié)點沒有唯一的IP地址，其網絡標識取決于采用的網絡協(xié)議，所以無線傳感器網絡不是類似于Internet的以地址為中心的網絡。當無線傳感器網絡查詢事件時，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絡節(jié)點，而是直接報告給網絡的，再由網絡報告給用戶，所以無線傳感器網絡是一個以數據為中心的網絡。,概述,無線傳感器網絡的應用場景,1環(huán)境監(jiān)測和保護2軍事領域3文物保護4醫(yī)療護理5空間探索6建筑領域7智能交通及其他,靜態(tài)部署,1部署方法無線傳感器網絡的部署方法與應用密切相關，根據應用環(huán)境的不同，無線傳感器網絡的部署方法可以分

5、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)化對象根據優(yōu)化對象對部署進行分類，可以分為基于覆蓋、基于網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)化網絡性能，如增加網絡生存時間、最小化數據包延遲等。節(jié)點在網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，網絡的性能參數依賴于節(jié)點在網絡中的角色。,靜態(tài)部署,動態(tài)部署,傳感器網絡中節(jié)點的動態(tài)部署

6、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合體，能在地形復雜或者地理信息未知的情況下參與到網絡構建和運作中。第二類動態(tài)部署方法是借助機器人在區(qū)域內的移動來放置節(jié)點，構建無線傳感器網絡并在網絡的工作過程中實時調整節(jié)點位置以實現對網絡的維護。,動,節(jié)點動態(tài)部署可以追溯到機器人的部署，國內外已有研究機構進行了相關研究，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）的算法3利用節(jié)點間的移動算法,動態(tài)部署,

7、無線傳感器網絡應用實例分析,無線傳感器網絡的定義為：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)域自組成網絡，協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象。無線傳感器網絡技術在環(huán)境上的應用優(yōu)勢體現在：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、氧氣、硫化氫和二氧化碳等參數進行檢測?，F有的監(jiān)

8、控檢測系統(tǒng)需要在礦井內設通信線路，傳遞監(jiān)測信息。生產過程中礦井結構在不停變化，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絡來進行礦井環(huán)境的監(jiān)測監(jiān)控。使用無線傳感器網絡進行環(huán)境監(jiān)控有三個顯著的優(yōu)勢：（1）傳感器節(jié)點體積小且整個網絡只需要部署一次，因此部署傳感器網絡對監(jiān)控環(huán)境的人為影響很小。（2）傳感器網絡節(jié)點數量大，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，因此傳感器網絡具有采集數據全面，精度高的特點。（3）無線傳感器節(jié)點本身具有一定的計算能力和存儲能力，可以根據物理環(huán)境的

9、變化進行較為復雜的監(jiān)控。,1無線傳感器網絡的框架結構,用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網絡,傳感器網絡系統(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)域內部或附近，能夠通過自組織方式組成網絡。各個傳感器節(jié)點監(jiān)測的數據沿著其他傳感器節(jié)點進行逐跳傳輸，經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）網絡系統(tǒng)結構,2）拓撲結構,用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網絡,2節(jié)點的軟/硬件結構,1）硬件結構,節(jié)點硬件結構如圖所示，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應模塊四部分組成。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內信息的

10、采集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點，處理采集到的數據以及其他節(jié)點發(fā)來的數據；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)采集數據；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)測的無線傳感器網絡,2）軟件結構,用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網絡,用于礦井環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網絡,3網絡協(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，從而保證每跳傳輸的可靠性。2）基于分簇的TDMA機制MAC協(xié)議由于該傳感器網絡采用骨干節(jié)

11、點、非骨干節(jié)點的拓撲結構，即分簇的拓撲結構，其底層的MAC層協(xié)議也是基于這種分簇的結構設計。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，容易產生山體滑坡現象，對居民的生命財產安全造成巨大的威脅。MEMSIC作為最早進入無線傳感

12、器網絡領域的公司，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，并進行數次實地考察后，MEMSIC公司提出了基于無線傳感器網絡的山體滑坡監(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成和侵蝕程度不同，其運動速度不同,3部署實現,山體滑坡案例,1）傳感器節(jié)點每個傳感器節(jié)點包含液位傳感器與傾角傳感器元件，IRIS無線傳感器網絡節(jié)

13、點、MDA300數據獲取板和電池組。2）中繼Mote中繼Mote的硬件結構和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網關和一個Mote組成。,山體滑坡案例,4）MoteWebMoteWeb是Windows平臺下支持無線傳感器網絡系統(tǒng)的B/S架構可視監(jiān)控軟件，可通過Web瀏覽器直接訪問WSN數據，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項目總結美國MEMSIC科技公司的無線傳感器網絡技術大大提高了山體滑坡監(jiān)測工作的效率，無線傳感器網絡技術不僅使每個節(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的網絡能夠長期穩(wěn)定、可靠地連續(xù)的工作，保證數據的存儲并及時更新。整個系統(tǒng)的工作模式也可以通過網絡隨時改變，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,