传感器网络的概念

传感器网络的概念、问题与选题报告人：申建芳广东工业大学08级博士2008.10.17传感器网络学习报告1.传感器网络简介2.传感器网络的特点与挑战3.选题（工程or理论？）4.近期工作5.未来打算报告的主要内容1.传感器网络的简介•传感器接近感知对象•传感器仅产生数据流•传感器无计算能力•无传感器间通信能力SensorsObject信号分析传统的感知方法有线/无线连接现代感知方法SensingAreaObjectUser端•传感器网络覆盖感知对象区域•每个传感器完成其临近感知对象的观测•多传感器协同完成感知区域的大观测任务•使用多跳路由算法向用户报告观测结果SinkInternet或通信卫星SensornetworkUser端感知能力＋计算能力＋通信能力体积小能耗小由六部分组成现代微型传感器SensingUnitProcessingUnitLocationFindingSystemPowerUnitSensorADCprocessorStorageTransceiverMobilizerPowergenerator同网络连接使传感节点与其它节点合作传感器和数模转换最重要的单元在网络中准确的定位为完成特定任务可能需要节点移动组成部分传感器技术＋嵌入式计算技术＋分布式信息处理技术＋无线通信技术传感器节点密集传感器节点静止或移动具有通信路径自组织能力(AdHoc)感知信息通过多跳的方式传输给用户现代传感器网络传感器网络是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,其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息,报告给用户传感器网络的定义物理层数据链路层网络层传输层应用程序层任务管理平台移动管理平台电源管理平台协议层次各层协议功能如下●物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术。（简单低能耗）●数据链路层负责数据成帧，帧检测和媒体访问以及差错控制。（MAC协议）●网络层主要负责路由生成与路由选择。（面向应用的路由协议、安全路由协议）●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。（令人惊奇的是，目前关于WSN传输层方面的研究非常少）●应用层包括一系列基于检测任务的应用层软件三层功能如下●能量管理平台管理传感器节点如何使用能量，在各个协议层都需要考虑节省能量。●移动管理平台检测并注册传感其节点的移动，维护到汇集节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。●任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。军事应用:作战环境侦查与监控军事侦查、情报获取战场监测与指挥民事应用:环境监测交通管理灾难预防(如森林火灾监测)危险区域监测有灭绝危险或珍贵动物的跟踪监护民用和工程基础设施的安全性监测等等，等等传感器网络是扩大人类感知能力的一场革命传感器网络可以为增加“耳、鼻、眼、舌”等感知能力传感器网络的应用大地监测环境监测ContaminantFlowMonitoringSensorattachedtoeveryvehicle.Capableofdetectingtheirlocation,vehiclesizes,speedsand;roadconditions…Alternateroutes,estimatetriptimes…TrafficControlBiologicalSystems作战环境侦查战场监测与指挥2.传感器网络的特点与挑战通信能力有限节点带宽窄，而且经常变化节点通信覆盖范围只有几十到几百米，而且经常变化挑战之一如何在如此有限通信能力的条件下,高质量地完成感知数据的查询、分析、挖掘与传输？多源、多跳是主要通信方式多个传感器节点向一个目标传送信息一次多源信息传输需要多条由多个传感器节点组成的路径挑战之二如何为多源信息传输选择优化通信路径？节点移动、断接频繁在移动网络中，节点移动频繁节点间通信的断接频繁，导致通信失败.经常受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响,因此传感器可能会长时间脱离网络,离线工作挑战之三通信路径重构成为突出问题？路由算法必须具有自适应性？如何建立网络随机连通性的数据理论，为通信路径重构和自适应路由算法设计奠定坚实理论基础是我们面临的第三个挑战问题？电源能量有限传感器的电源能量极其有限由于电源能量的原因经常失效或废弃电源能量约束是传感器网络应用的障碍现有电源部件不能满足传感器网络的需要传感器传输信息比执行计算更消耗电能传感器传输1位信息需要的电能足以执行3000条计算指令挑战之四如何传感器网络在工作过程中节省能，实现能源均衡，最大化网络生命周期？建立能源复杂性和能源均衡理论是我们面临的第四个挑战性问题！计算能力有限传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处理器和存储器，具有计算能力但是，处理器性能、存储器容量和能源都很有限，导致传感器的计算能力十分有限挑战之五如何使用大量具有有限计算能力的传感器设计能源有效的高性能分布式算法?设计同时最小化能源、时间、空间和通信复杂性的分布式算法是我们面临的第五个挑战性问题！传感器数量大、分布范围广传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多传感器网络可以分布在很大区域，也可以分布在险恶环境下传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护挑战之六如何使传感器网络软硬件具有高强壮性和容错性是我们面临的第六个挑战性问题！大规模分布式触发器很多传感器网络需要对感知对象进行控制（如温度控制）传感器需要配备回控装置和控制软件我们称回控装置和控制软件为触发器挑战之七如何管理成千上万分布式触发器是我们面临的第七个挑战性问题？感知数据流无限传感器网络每个传感器都产生无限的流式数据，并具有实时性每个传感器仅具有有限的存储器和计算资源，难以处理巨大的实时数据流挑战之八如何设计高效率、能源有效、实时的海量感知数据流的查询、分析和挖掘的分布式算法？以数据为中心传感器网络不是通常的网络用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件•用户很少询问“A节点到B节点的连接是如何实现的？”•用户经常询问“网络覆盖区域中那些地区出现毒气？”传感器网络不是以地址为中心的•用户不会询问“地址为27的传感器的温度是多少？”•用户感兴趣是“某个地理位置的温度是多少？”•数据传输以聚集方式进行,而不是地址到地址的路由传感器网络是以数据为中心的网络把传感器视为感知数据流或感知数据源把传感器网络视为感知数据空间或数据库把数据管理和处理作为网络的应用目标挑战之九如何建立以数据为中心的传感器网络？以感知数据管理和处理为中心;把数据管理和处理技术与网络技术融为一体;为用户提供有效的感知数据空间或感知数据库;使用户如同使用通常的数据库系统和数据处理系统一样自如地使用感知数据.传感器网络数据管理系统的理论和技术是我们面临的第九个挑战性问题！需要多种多样的感知器物理传感器生物传感器化学传感器……挑战之十如何建立新感知器概念、理论、技术和各种新型感知器是我们面临的第十个挑战性问题？其他挑战性问题传感器的投放或撒播理论与技术传感器的定位问题时钟同步问题组网连通可靠性研究和探测覆盖率研究传感器网络安全性问题和抗干扰问题信号的协作处理3.选题的问题导师近年来承担的课题1、RFID传感器网络的研究，国家自然科学基金，2006－2008，主持；2、基于MES的全集成自动化系统关键问题的研究，广东省自然科学基金项目（04105385），2005.1－2006.12，主持。3、基于移动数据库的嵌入式网络控制器的研究，广东省科技计划，2003－2005，主持；4、面向中小企业全集成自动化关键技术的研究与应用开发，广州市重大科技计划项目，2005-2007，主持；5、纸浆模塑制品生产过程效能优化控制系统研究，广东省科技攻关项目，2006-2007,主持。传感器在工业的应用发表的学术论文1、一种UHF及微波段RFID标签芯片的研究与应用，微计算机信息，2006年09Z期，182-184,74，排名第一。2、一种新型管道内微机器人的研究，机器人（核心，EI收录），1999Vol.21（4）：733－739，排名第一；3、微管道机器人弯管运动稳定性分析，机器人（核心，EI收录），1999Vol.21（7）：249－255，排名第一；4、管道内微机器人弯管运动的动力学稳定性，控制理论与应用（核心，EI收录），2001Vol.18（1）：62－68，排名第一；5、信号处理综合技术的研究，扬州大学学报，2003Vol.6：38－42，排名第一。基于多传感器信息融合的目标识别系统成果简介该软件系统是基于VC6.0平台开发，使用可见光、红外和声音三种数据识别运动目标，其中可见光、红外和声音三种数据实现单目标的检测、跟踪和识别，采用可见光和红外图像融合技术实现全天候多目标的监测、跟踪和识别。该系统整体技术达到了国内领先水平，其中红外运动目标检测检测技术达到国际先进水平。轮胎爆胎预警系统数据传输及门限算法的研究作者：王刚导师：赵继印教授传感器信息融合传感器信息融合又称数据融合，是对多种信息的获取、表示及其内在联系进行综合处理和优化的技术。传感器信息融合技术从多信息的视角进行处理及综合，得到各种信息的内在联系和规律，从而剔除无用的和错误的信息，保留正确的和有用的成分，最终实现信息的优化。它为智能信息处理技术的研究提供了新的观念。定义：将经过集成处理的多传感器信息进行合成，形成一种对外部环境或被测对象某一特征的表达方式。多传感器信息融合技术是通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多个传感器在时间和空间上的冗余或互补信息依据某种准则进行组合，以获取被观测对象的一致性解释或描述。单一传感器只能获得环境或被测对象的部分信息段，而多传感器信息经过融合后能够完善地、准确地反映环境的特征。多传感器信息融合多传感与单传感的比较多传感器数据融合系统可更大程度获取被探测目标和环境的信息量。单传感器信号处理或低层次的数据处理方式只是对人脑信息处理的一种低水平模仿。多传感器融合系统主要特点（1）提供了冗余、互补信息（2）信息分层的结构特性（3）实时性（4）低代价性。信息融合在信息电子学的应用信息融合技术的实现和发展以信息电子学的原理、方法、技术为基础。信息融合系统要采用多种传感器收集各种信息，包括声、光、电、运动、视觉、触觉、力觉以及语言文字等。信息融合技术中的分布式信息处理结构通过无线网络、有线网络，智能网络，宽带智能综合数字网络等汇集信息，传给融合中心进行融合。除了自然(物理)信息外，信息融合技术还融合社会类信息，以语言文字为代表，涉及到大规模汉语资料库、语言知识的获取理论与方法、机器翻译、自然语言解释与处理技术等，信息融合采用分形、混沌、模糊推理、人工神经网络等数学和物理的理论及方法。它的发展方向是对非线性、复杂环境因素的不同性质的信息进行综合、相关，从各个不同的角度去观察、探测世界。信息融合在计算机科学的应用在计算机科学中，目前正开展着并行数据库、主动数据库、多数据库的研究。信息融合要求系统能适应变化的外部世界，因此，空间、时间数据库的概念应运而生，为数据融合提供了保障。空间意味着不同种类的数据来自于不同的空间地点，时间意味着数据库能随时间的变化适应客观环境的相应变化。信息融合处理过程要求有相应的数据库原理和结构，以便融合随时间、空间变化了的数据。在信息融合的思想下，提出的空间、时间数据库，是计算机科学的一个重要的研究方向。信息融合在自动化的应用以各种控制理论为基础，信息融合技术采用模糊控制、智能控制、进化计算等系统理论，结合生物、经济、社会、军事等领域的知识，进行定性、定量分析。按照人脑的功能和原理进行视觉、听觉、触觉、力觉、知觉、注意、记忆、学习和更高级的认识过程，将空间、时间的信息进行融合，对数据和信息进行自动解释，对环境和态势给予判定。目前的控制技术，已从程序