物联网技术--WSN技术

物联网关键技术－－－－无线传感器网络计算机与信息学院1.无线传感器网络概述◆在当今信息技术飞跃发展的时代，以Internet为代表的网络给人们生活工作带来了巨大的变化，政府上网，企业上网，家庭上网，电子商务等成了当今的热门话题。◆微电子技术，计算技术，和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小的体积内能够集成信息收集.数据处理.和无线通信等多种功能。◆无线传感器网络（wirelesssensornetwork,)也即通常所说的WSN，就是由部署在检测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作的感知.采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息.并发送给观察者。◆传感器，感知对象，观察者构成了传感器网络的三个要素。◆传感器网络，塑料电子和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业。2.WSN背景和发展历程：◆无线传感器网络的构想最初是由美国军方提出的，美国国防部高级研究所计划署（DARPA）于1978年开始资助卡耐基－梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线传感器网络的雏形。从那以后，类似的项目在全美高校间广泛展开，著名的有UCBerkeley的SmartDust项目，UCLA的WINS项目，以及多所机构联合攻关的SensIT计划，等等。在这些项目取得进展的同时，其应用也从军用转向民用。在森林火灾、洪水监测之类的环境应用中，在人体生理数据监测、药品管理之类的医疗应用中，在家庭环境的智能化应用以及商务应用中都已出现了它的身影。目下，无线传感器网络的商业化应用也已逐步兴起。美国Crossbow公司就利用SmartDust项目的成果开发出了名为Mote的智能传感器节点，还有用于研究机构二次开发的MoteWorkTM开发平台。这些产品都很受使用者的欢迎。◆早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。3.WSN的网络体系结构：◆网络结构结构入上图所示，传感器网络系统通常包括传感器节点（sensornode），汇聚节点（sinknode），和管理节点。大量传感器节点随机的部署在检测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感其节点检测的数据沿着其它节点逐跳的进行传输，其传输过程可能经过多个节点处理，经过多跳后到达汇集节点，最后通过互联网和卫星达到管理节点，用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布检测任务以及收集检测数据。◆传感器节点结构：从上图我们可以看到一个典型的传感器节点由传感器模块，无线通信模块和能量供应模块四部分组成。每一个模块的功能如下所示：1)传感其模块负责监视区域内信息的采集和数据转换2)处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据。3)无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据。4)能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。◆传感器网络协议栈这个协议栈包括五层协议和三层平台：●物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术。●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。●网络层主要负责路由生成与路由选择。●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。●应用层包括一系列基于检测任务的应用层软件各层协议功能如下: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。4.WSN的关键技术◆1.网络的拓扑控制传感器网络拓扑控制目前主要研究的的问题是在满足网络覆盖和联通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点间不必要的通信链路生成一个高效的数据转发的网络的拓扑结构。◆2.网络协议目前的研究重点是网络层协议和数据链路层协议，网络层的路由协议决定检测信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制用来构建底层层的基础机构控制传感器节点的通信过程和工作模式。◆3.网络安全为了保证任务执行的机密性，数据产生的可靠性，数据融合的高效性以及数据传输的安全性等，wsn需要实现一些最基本的安全机制：机密性，点到点消息认证，完整性鉴别，新鲜性，认证广播和安全管理，除此之外，为了确保数据融合后数据源信息的保留，水印技术也成为wsn网络安全的研究内容。◆4.时间同步时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制，如测量移动车辆的速度需要计算不同传感器检测事件的时间差。Jeremy和KayRomer在2002.8月的HotNets-I国际会议上首次提出并阐述了wsn中的时间同步机制的研究课题，引起了广泛的关注，目前以提出多个多个时间同步机制（RBS,TINY/MINI-SYNC和TPSN和）RBS机制是基于接收者-接收者的时钟同步；TINY/MINI-SYNC是简单的轻量级同步机制；TPSN采用层次结构实现整个网络节点的时间同步。◆5.定位技术确定事件发生的位置或采集数据节点的位置是传感器网络的基本功能之一，如：我们可以利用定位技术来确定火灾发生的准确位置。根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度，把传感器网络中的定位分类为基于距离的定位和距离无关的定位。基于距离的定位分为基于TOA的定位，基于TDOA的定位，基于AOA的定位，基于RSSI的定位。距离无关的定位机制主要有质心算法，DV－Hop算法，Amorphous算法，APIT算法等。而其中距离的定位机制是目前大家重点关注的，它受环境因素影响小，其精度又基本符合大多数wsn的应用需求。◆6.数据融合传感器网络存在能量的约束，减少传输的数据量能够有效的节省能量，因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可以利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的，由于传感器节点的失效性传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。◆7.数据管理◆8.无线通信技术◆9.嵌入式操作系统◆10.应用技术5.WSN的应用现状随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：◆1.环境的监测和保护随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。◆2医疗护理无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目CenterforAgingServicesTechnologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事EricDishman称，在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域。◆3军事领域由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行智能尘埃传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从2004年的1000万美元增加到2010年的几十亿美元。◆4其他用途无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。6.无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题：◆1网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。◆2成本问题。在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。◆3系统能量供应问题。目前主要的解决方案有：使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。其中后两者备受关注。◆4高效的无线传感器网络结构。无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。在这里面，还包括网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。7.未来的发展趋势◆1.节点微型化利用现在的微机电、微无线通信技术，设计微体积、长寿命的传感器节点是一个重要研究方向◆2.寻求系统节能策略◆3.低成本◆4.传感器网络安全性问题和抗干扰问题◆5.节点的自动配置