多传感器技术课件---WSN

多传感器技术——无线传感器网络发展历史起源——军事*DARPA——美国国防部高级研究计划局近代发展WSNvsAdhoc任务管理中心Internet、卫星或移动通信网络等汇聚节点监测区域传感器节点传感器网络结构如图所示，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部署在监测区域(sensorfield)内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。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，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。簇头节点节点节点目前传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点。传感器节点体系结构Agent元组1元组长度6基站光读数805温度读数178光读数869温度读数380光读数937温度读数458设备控制演示－－感知数据光传感器温度传感器节点光源基站：楼宇服务中心节点代理实时监控火情信息获取火情信息立刻采取相应救火措施发现火情当地报警向基站告知网关网关网关网关简单楼宇防火系统火情报警1号传输节点2号传输节点终端节点医院病房电子巡检无线传感器网络应用举例—医院病房电子巡检在病人身上安装带有射频标签的微型无线传感器，动态感知病人信息。无线传感器网络应用举例—医院病房电子巡检病房外的医生携带PDA等通讯设施。无线传感器网络应用举例—医院病房电子巡检得知病人病情后，医生将通知值勤护士或者急救人员前往病房救助。Internet备注：大棚基地仓库大棚基地大棚基地大棚基地大棚基地大棚基地大棚基地大棚基地仓库农场监控端传感器节点农田无线信道公司总服务器精细农业种植农场监控中心实时监控农场信息，耕作者及时了解农场温度、光照度、土壤酸碱度等，以便对农作物的生长情况进行控制。监测节点智能家居19无线传感器网络应用举例—智能家居穿戴有数据衣等感知设备的人体感知到人体状况异常时，会向房间内的节点发出信号。设备及环境监控中央处理器温度传感器报警系统节点指示灯JTAG接口光强度传感器时钟系统高频天线某节点组成部分无线传感器网络应用——小结应用冶金化工煤矿军事环境农业军事通过飞机或炮弹直接将传感器节点播撒到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感器网络，就能够非常隐蔽而且近距离准确地收集战场信息，迅速获取有利于作战的信息。传感器网络是由大量的随机分布的节点组成的，即使一部分传感器节点被敌方破坏，剩下的节点依然能够自组织地形成网络。传感器网络军事应用受到军事发达国家的普遍重视，美国很早就启动了SensIT（SensorInformationTechnology)计划。该计划的目的就是将多种类型的传感器、可重编程的通用处理器和无线通信技术组合起来，建立一个廉价的无处不在的网络系统，用以监测光学、声学、震动、磁场、湿度、污染、毒物、压力、温度、加速度等物理量。环境观测传感器网络在环境研究方面可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表监测等，可用于行星探测、气象和地理研究、洪水监测等，还可以通过跟踪鸟类、小型动物和昆虫进行种群复杂度的研究等。•监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。•森林环境监测和火灾报告，传感器节点被随机密布在森林之中，平常状态下定期报告森林环境数据•生态多样性的描述，能够进行动物栖息地生态监测。美国加州大学伯克利分校Intel实验室和大西洋学院联合在大鸭岛(GreatDuclcIsland)上部署了一个多层次的传感器网络系统，用来监测岛上海燕的生活习性。医疗•传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。•人工视网膜是一项生物医学的应用项目。在SSIM(SmartSensorsandIntegratedMicrosytems)计划中，替代视网膜的芯片由100个微型的传感器组成，并置入人眼，目的是使得失明者或者视力极差者能够恢复到一个可以接受的视力水平。智能家居传感器网络能够应用在家居中。在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连接在一起，将会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。利用远程监控系统，可完成对家电的远程遥控，也可以通过图像传感设备随时监控家庭安全情况。建筑物状态监控建筑物状态监控(structurehealthmonitoring,SHM)是利用传感器网络来监控建筑物的安全状态。作为CITRIS(CenterofInformationTechnologyResearchintheInterestofSociety)计划的一部分，美国加州大学伯克利分校的环境工程和计算机科学家们采用传感器网络，让大楼、桥梁和其他建筑物能够自身感觉并意识到它们本身的状况，使得安装了传感器网络的智能建筑自动告诉管理部门它们的状态信息，并且能够自动按照优先级来进行一系列自我修复工作。结合振动控制，进一步提高建筑的安全其他应用•复杂机械设备的维护（“无维护”、“定时维护”、“基于情况的维护”）；•借助于航天器在外星体撒播一些传感器网络节点，可以对星球表面进行长时间的监测。NASA的JPL(JetPropulsionLaboratory)实验室研制的SensorWebs就是为将来的火星探测进行技术准备。该系统已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中实施测试和完善。•其它？？……智能电网；智能水网；东气西输；GPS；铁路网监控演示视频养殖场监控演示视频公交道路监控演示视频无线监控机器人演示视频演示视频无线传感器应用——定位（上海大学）演示视频演示视频无线传感器应用——定位根据节点定位机制可将现有无线传感器网络WSN（WirelessSensorNetwork）自身定位算法分为两类]：基于距离的(Range-based)和不基于距离的(Range-free)定位算法。Range-based定位算法通过测量相邻节点之间的绝对距离或方位来计算未知节点的位置，现阶段常用的定位算法有：RSSI、TOA、TDOA和AOA。Range-based定位机制使用各种算法来减小测距误差对定位的影响，包括多次测量、循环定位求精。这些算法在获得相对精确定位结果的同时，对节点硬件要求高且都要产生大量计算和通信开销，因此Range-based定位机制虽在定位精度上有可取之处，却常常不适用于低功耗、低成本的无线传感器网络应用领域。Range-free定位算法则无需节点间的距离和角度信息，仅根据网络连通性等信息实现定位，常用的定位算法有质心、DV-Hop、Amorphous和APIT等。Range-free定位机制在成本、功耗等方面具有优势，对硬件要求也较低，因此备受关注。特别是APIT可以利用现有传感器节点自带的无线功率发射装置，在无需增加额外硬件的情况下实现定位。演示视频无线传感器应用——智能家居演示视频WSN技术概况路由协议节点自组织（随机部署）路由协议主要分类改进路由策略不断被提出热点之一问题举例解决方法？？解决方法？其它方法MAC协议（非常重要）竞争型MAC协议分配型MAC协议混合型MACWSN定位定位的应用领域WSN指标指标（续）基于测距（range-based）的定位技术三边定位和多边定位•①信号强度（RSS）•②信号传播时间/时间差（TOA/TDOA/RTOF）•③接收信号相位（PDOA）•④近场电磁测距（NFER）接收信号角度定位信号强度（RSS）无需测距的定位技术典型定位系统混合定位系统混合定位系统大鸭岛实验结果故障类型WSN的安全性•加密；•安全路由；•入侵检测；网络服务质量指标WSN的感知QoS：•节点部署方式（确定、随机）•网络节能•传感与通信距离•网络可扩展性WSN的传输QoS•可靠性（数据到达）——拥塞控制•实时性（延时）——实时协议、路由QoS分析模型WSN管理•开发过程：协议设计——模拟器模拟——验证——应用模拟器模拟器模拟器模拟器模拟器模拟器•仿真还不够真实！•为了便于开发，提供了开发套件（中间件）和辅助工具等。演示视频•性能测试高温-演示视频振动-演示视频国外研究&应用介绍•多跳传输——105跳演示视频国外研究&应用介绍•光检测•Thesewirelesssensorscommunicateconstantlywitheachothertodeterminewhichoneisclosesttothelightsource.ThisisindicatedbytheyellowLED.ThesecondclosestisindicatedbythegreenLEDandthethirdclosestisindicatedbytheredLED.ThesearemanufacturedbycrossbowtechnologyandrunontheTinyOS.演示视频•无线家庭应用演示视频•医疗应用演示视频国外研究&应用介绍•农业演示视频•军事演示视频国外研究&应用介绍•环境监测PioneeringprojectinCastropol(Asturias,Spain),whichinvolvesplacingsensordevicestomeasurethestateoftheforestsatanytime,andpreventforestfires.•-Parametersmeasured:CO,CO2,humidity,temperature•-Numberofnodes:40•-Protocol:ZigBee/802.15.4•-SensorDevice:Waspmote演示视频•定位追踪——Movingnodeisconnectedtoalaptop.thevideoisdivideintotwoparts:intheformeroneawebcamshowstherealpositionandthelaptopLCDvisualizestheestimate;inthelatteroneawebcamshowstheestimatetransmittedviaWSNtoanotherPC.演示视频•Wifly：UsingvirtualcoordinatesinaWirelessSensorNetworkexperimentationwithmobilesink.演示视频•扩展——howtodeploythewirelessnetwork演示视频