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医疗监护无线传感器网络的研究

医疗监护无线传感器网络的研究
医疗监护无线传感器网络的研究

第30卷 第4期

2007年8月

电子器件

Chine se Journal Of Elect ron Devi c es

Vol.30 No.4A ug.2007

Research of Wireless Sensor Network for Medical Care *

LI H ong 2qiang ,MI AO Chang 2yun,WU Zhi 2gang ,SH I Bo 2ya

(School of Inf or mation and Communication Eng ineering ,T ianjin Polytechnic Univer s ity ,T ianjin 300160,China)

Abstr act:The wir eless sensor networ k technology combines the capabilities of sensing,computation and wir eless connection.It is an inter esting yet challenging job to apply the wireless sensor networ k technology on the tr aditional healthcar e field.Realizing a wireless sensor network system presents ver y significant challenges,especially at the ar chitectural,the oper ation system,the communication protocol and the ap 2plication softwar e suppor t.We present a wir eless sensor network system dedicated to remote continuous re 2al 2time cardiac arrhythmias detection and diagnosis.T he aim of the system is to monitor people that suffer from heart arrhythmias;and therefor e,living a normal life while feeling safe at the same time.The archi 2tecture of the system is presented.Some har dware and software implementation details ar e explained showing how the solution can be effectively implemented and deployed into a system.Moreover,special at 2tention is paid to two aspects:har dware design of nodes and communication protocol of the wireless sensor network.

Key words:wireless sensor network;medical care;node;sink node;communication protocol EEACC:6150P

医疗监护无线传感器网络的研究*

李鸿强,苗长云,武志刚,石博雅

(天津工业大学信息与通信工程学院,天津300160)

收稿日期:2006207207

基金项目:天津市应用基础及前沿技术研究计划重点项目(07JCI DJC06300);天津市高等学校科技发展基金项目(2006ba52)作者简介:李鸿强(19752),男,讲师,主要从事电子系统设计及F PGA 应用,lhqmailbox@https://www.doczj.com/doc/279011513.html,;

苗长云(19622),男,教授,博导,主要从事现代通信网络和现代通信技术应用.

摘 要:无线传感器网络具备传感、

计算和无线通信等能力,如何将它应用到传统的医疗监护领域是一个很大的挑战.无线传感器网络的实现难点在于网络体系机构、操作系统、通信协议和应用软件等方面的设计.设计了一种心电医疗监护无线传感器网络,它对于医院病人的心电实时监护和临床医学诊断具有重要的实际意义,详细介绍了无线传感器网络体系结构和系统软硬件设计,尤其在节点硬件和通信协议两方面进行了深入的阐述.

关键词:无线传感器网络;医疗监护;节点;sink 节点;通信协议中图分类号:TN915

文献标识码:A 文章编号:100529490(2007)0421490205

无线传感器网络(Wireless Sensor Network)是由多个节点组成的面向任务的无线网络,它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域技术,通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测,由嵌入式计算资源对信息进行处理,并通过无线通信网络将信息传送至远程用户.这一技术具有十分广阔的应

用前景,在军事国防、工农业控制、生物医疗、环境监

测、抢险救灾、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和实用价值[1].

本文介绍了一种基于无线传感器网络的心电医疗监护系统(如图1所示),它通过在住院监护病人身上安装心电监护节点,利用无线网络,医生就可以通过PDA 或计算机随时了解被监护病人的病情,

进行及时处理,还可以利用无线传感器网络长时间地收集监护病人的生理数据,这些数据在研制新药品的过程中也是非常有用的,而安装在病人身上的监护节点也不会给人的正常生活带来太多的不便.因此基于无线传感器网络的心电医疗监护系统集当代计算机技术、无线传感器网络技术、数字信号处理技术与生物医学工程技术之大成,将为未来远程医疗提供更加方便、快捷的技术实现手段,将为临床医学的诊断技术的进步做出巨大贡献

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图1 心电医疗监护系统示意图

1 医疗监护无线传感器网络体系结构

在基于无线传感器网络的心电医疗监护系统中,监护病人节点以自组织形式构成网络,通过多跳中继方式将监测数据传到sink 节点,sink 节点再借助IEEE 802.11b/g 无线通信技术将整个区域内的数据传送到心电信息管理中心进行管理,医生或护士可以利用个人数字处理终端PDA 或计算机,与sink 节点或管理中心通信,获得监护病人的心电生理数据,对监护病人作出及时处理.图2给出了基于无线传感器网络的心电医疗监护系统体系结构示意图.其中监护病人节点和sink 节点之间采用IEEE 802.15.4无线通信技术,sink 节点间、PD A 和管理中心之间采用IEEE 802.11b/g 无线通信技术

.

图2 心电医疗监护无线传感器网络体系结构

2 医疗监护无线传感器网络节点设计

无线传感器网络节点分为监护病人节点和sink 节点.监护病人节点硬件由传感输入、数据处理、数据传输和电源这4部分组成,图3描述了监护病人节点硬件组成.sink 节点一般设置在护士站PC 里,sink 节点比监护病人节点去除了传感输入部分,它

负责接收各监护节点传送来的数据并将其通过护士站PC 机所带的无线网卡将数据传送给管理中心,在医生或护士查询病人心电信息时,将历史或当前

数据发送给

PDA.

图3 医疗监护无线传感器网络节点硬件组成

2.1 传感输入单元

信息采集是心电图监护数字化的难点之一,其主要困难在于:心电信息分类较为繁杂,常规静态心电图分为单导、3导、6导(如图4所示)和12导(如

图1所示)等不同类型,另外还存在3导及12导24小时动态心电图、心电向量图、心室晚电位、心电运动负荷试验等深层次心电分析技术,因此很难用一种数字化技术和网络技术手段涵盖所有的心电检测内容.原有的一个国际试行标准5心电信息的标准化通信协议SCP 2ECG 6[2]

,由于仅包括静态心电图而不够全面,且其数字化通信方案在技术上不能为主流心电图设备制造商所接受,因此直至目前,国际上尚无权威的心电信息标准.心电信息作为人类最早实现数字化转化的生物信息之一,在存储和传输标准却明显落后于医学影像存储和传输标准

.

图4 3导、6导测量图

通常心电信息有两种采集方式,一种是以图像方式来采集心电图数据,该方法实现简单,显示也很方便,但数据量大大增加,同时无法实现图像的后处理

和辅助诊断.另一种是以原始采样数据的方式采集和

存储数据,该采集方式技术难度大,但数据量大大减少.特别值得一提的是,由于其采用全数字化的存储方式,为心电图的后处理和辅助诊断奠定了很好的基础.由于后一种方式具有明显的优点,因此我们采用了以原始采样数据的方式采集和存储数据.

人体是一个极其复杂的系统,如何从人体中有效地提取被测心电信号,我们不仅要抑制仪器系统的噪声,更重要的是要充分认识人体噪声的性质和

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特点,采取有效办法(如滤波、相关或自适应处理、改进信号耦合方法等),从人体噪声中提取有用信号.因此传感输入单元设计充分考虑了模拟输入心电信号的检测放大与滤波,这部分电路由高精度低功耗运放构成的高共模输入放大后,经低通滤波器滤除高频干扰,再经50H z陷波器进一步抑制电源干扰后,再进行12位A/D转换,从而得到数字化的心电信号.由于本文介绍的心电监护采用12导联测量,所以在节点电路设计上共采用了12路A/D转换.

2.2数据处理单元

MSP430F1612微控制器是整个无线传感器网络节点的控制核心.MSP430F1612微控制器是美国德州仪器公司(T I)推出的一种具有强大功能的超低功耗16位RISC体系单片机,内部带有55k的FLASH和5kB的RAM空间,16个寄存器空间,拥有丰富的外围模块,内置12位A/D转换器,3个定时器(T imer_A、T imer_B、Watchdog T imer),通过复用可提供2个SPI口.MSP430F1612具有五种省电模式,具有睡眠功能,可超低功耗工作,工作电压范围在1.8~ 3.6V之间.数控晶振使得从低功耗模式唤醒到全负荷模式不到6L s[3].

2.3数据传输单元

无线传输单元采用了CC2420芯片,它是Chip2 con AS公司推出的首款符合2.4GH z IEEE802.

15.4标准的射频收发器.该芯片包括众多功能,是第一款适用于ZigBee产品的RF芯片.它基于Chipcon公司的SmartRF03技术,以0.18L m CMOS工艺制成,只需极少外部元器件,性能稳定且功耗极低[4].CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求,可确保短距离通信的有效性和可靠性.利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbit/s,可以实现多点对多点的快速组网[4].CC2420为IEEE802.15.4的数据帧格式提供了硬件支持.其MAC层的帧格式为:头帧+数据帧+校验帧;PH Y层的帧格式为:同步帧+PH Y头帧+MA C帧,帧头序列的长度可以通过寄存器的设置来改变,可以采用16位CRC 校验来提高数据传输的可靠性.发送或接收的数据帧被送入RAM中的128字节的缓存区进行相应的帧打包和拆包操作.

2.4电源单元

基于低功耗和便于携带使用的考虑,节点采用860mA#h锂离子电池,通过高效率、低功耗DC/DC 变换器提供+3.3V、+1.8V的电压给节点电路工作,其静态电流仅为16L A,效率高达90%以上.2.5节点软件设计

节点软件部分采用了专门为无线传感器网络设计的操作系统TinyOS,TinyOS基于组件结构驱动的特点使系统具有快速反应、开销小的优点.TinyOS的组件库里包括了网络协议和分布式传感器驱动以及数据采集工具,这些组件都可以作为进一步开发的基础.本文设计的医疗监护无线传感网络的实现就是基于TinyOS提供的一些基础的功能模块.

节点应用程序设计通过MSP430单片机的开发平台IAR Embedded Workbench完成,采用C语言编写数据采集和传输控制程序,并通过T I公司的MSP2FET430IF1.3仿真机对数据处理和传输流程进行了软件模拟,最终顺利实现各项要求.在软件实现中,采用模块化设计,将其功能分为主功能模块和子功能模块等各部分来设计.

3PDA应用软件设计

PDA作为个人数字处理终端在本设计中构成面向医疗应用的个人数字助理系统,它通过与外界通信获取相关的医疗监护信息.

PDA的操作系统可以分成封闭系统与开放系统,而开放系统的机种大致上可分为三大操作系统: Windows CE、PalmOS和EPOC,其中多采用的是Windows CE和PalmOS.而针对采用Windows CE 操作系统的PDA系统的开发,设计中我们采用了Microsoft Embedded VC(EVC)工具.在开发无线PDA监护数据库查讯时充分利用了ADOCE(Ac2 tiveX Data Objects for Microsoft Windows CE)提供的ADO for Windows CE子集,它能够启动对存储数据库的访问功能,从而完成了PDA与远程中心数据库之间的数据交换.

PDA应用软件的设计重点在于根据医生的需要通过各种算法实现心电、心音及颈动脉信号采样显示;利用数字滤波器实现信号的数字滤波及预处理;采用二进小波变换多分辨率算法及神经网络算法实现心电信号P、Q、R、S、T波各特征点的识别,区分第一心音、第二心音点以及颈动脉波的U、P、D 点,鉴别高频心电图上的扭结、切迹点等;实现心电频谱分析功能,心室晚电位信号的频域分析功能;实现心律失常的辨析及分类;在自动算法结果出现偏差的情况下实现人工辅助分析,并实现在QT间期分析、心室晚电位分析、心率变异性分析中实现异常波形的人工辅助剔除;实现数据打印及诊断结论的打印输出.

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4心电信息管理中心软件设计

心电信息管理中心是整个心电图信息管理的核心,其主要是负责所有心电图信息的存储和管理.管理软件由面向对象的编程工具Microsoft公司的VC ++及Borland公司的Delphi混合编程,主菜单包括以下分析功能:病例库、模板编辑、页扫描、趋势图、QT变异、房颤/房扑、心率变异性、ST段分析等.

1病例库:可对病例数据进行查询、删除、导入、导出等操作.点击/服务器0按钮,可对任意正在监护的病人数据进行分析.o模板编辑:将24h的数据按不同的心律失常事件分类,包括:室早模板、室上早模板、结性模板等.?页扫描:可以观察24h 的全览图,也可选择观察任意时间的心电图.?QT 和QTc分析:QT c大于450ms为异常.?房扑/房颤分析.?趋势图:显示24小时心率、ST段、QT、室早、室上早、停搏以及SDNN趋势图.?心率变异性分析:包括时域、频域和Lorenz散点图分析.à打印输出:实现数据打印及诊断结论的打印输出.

5无线传感器网络通信协议和安全路由

5.1通信协议

通信协议是传感器网络实现通信的基础.无线通信协议的设计目的是为了使具体的通信机制与上层应用分离,为传感器节点提供无线网络通信的功能.为了减少网络设计的复杂性,我们采用分层设计,参考OSI标准模型,将整个网络协议按层次划分,主要包括:1MAC层,开发具有服务质量的分布式低功耗的MAC协议.o网络层,考虑无线通信质量差和网络拓扑动态变化的特性,开发出自组织的动态传感器网络路由协议.?传输层,基于改进的端对端通信方式,传感器采用U DP协议实现与Internet集成的方法研究.?拓扑控制协议,根据应用需求,从节省能量的角度考虑,开发高效的网络拓扑控制协议.

我们重点研究了:

(1)拓扑结构

我们提出了基于分簇的层次型拓扑结构形成机制,这个过程包括三个阶段:

信息交换阶段,每个节点对接收数据分组进行丢包率统计,利用数据捎带技术减少周期性专用统计消息,这样,每个节点都得到了对其可达信道的信道质量的估计.随后,相邻节点间交换估计的结果,按照一定的评估算法,最终得到对各个链路的信道质量的客观评估.

成簇阶段,以节点的剩余能量和信道质量为选择标准,设计中以病区楼层临近节点间组合成为一簇,组内节点以sink节点为簇头,簇间节点间的通信必须通过簇头节点来进行.

拓扑建立阶段,簇头节点间通过洪泛方式建立拓扑.通过这种拓扑结构的形成机制形成了一个层次式的组织结构.

(2)MAC层协议

由于无线传感器网络自身的限制和特点,使得其对MAC层协议要求有别于传统的无线网络.我们必须首先考虑节点的能量的高效使用和网络的可扩展性,其次才是公平性、稳定性和实时性等.目前国内外研究人员专门针对传感器网络的应用特点提出了多种MAC协议[527],如基于竞争信道的SMAC、T MA C、Sift协议和基于时分复用DEANA、DMAC等协议.各种方法目标都是减少不必要的能量消耗,尽量避免空闲侦听、碰撞、协议开销和串音.而我们的节点MAC协议充分借鉴了已有的各MAC协议优点,着眼于降低整个传感器网络系统的功耗,而不仅仅是单个传输节点.

(3)路由协议

对于基于无线传感器网络的心电监护复杂应用环境,其路由协议的设计是一个复杂的问题.传统Ad H oc网络的两种类型路由协议,一是表驱动型(table2driven),如DSDV、WRP等协议,二是基于需求型(on2demand),A ODV、DSR、T ORA等协议[8210].它们对节点的存储容量及处理能力上要求较高,因为必须做一些简化才能适用于无线传感器网络.

针对系统的特点,路由协议的设计需满足两方面要求:一是能效性,二是可靠性.目前在能效性方面已设计出几种适用于的路由协议,如Directed Diffusion、LEACH、SPIN等协议.这些协议在设计上充分考虑了节点能量有限的特点,注重能量使用效率问题,但是这些协议没有考虑节点间的链路特性,因而对于动态的无线网络而言,它们在路由健壮性上有一定缺陷,并不能保证实现可靠的路由.

我们的路由协议采用选择单一路由路径的方法,即每个节点发送的信息只会通过一条路由路径传到sink节点.

(4)传输层协议

基于改进的分拆端对端通讯方式,无线传感器网络采用U DP协议实现与Inter net相集成,也可以通过UDP协议实现无线传感器网络节点间的相互传输层通信.

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5.2 安全路由

由于在医疗监护无线传感器网络中,大量的传感器节点密集分布在一个区域里,消息可能需要经过若干节点才能到达目的地,而且无线传感器网络具有动态性和多跳结构,要求每个节点都应具有路由功能.由于每个节点都是潜在的路由节点,因此更易受到攻击,使网络不安全.网络层路由协议必须为整个无线传感器网络提供关键的路由服务,安全的路由算法会直接影响无线传感器网络的安全性和可用性.安全路由协议一般采用链路层加密和认证、多路径路由、身份认证、双向连接认证和认证广播等机制,有效提高网络抵御外部攻击的能力,增强路由的安全性.在安全保障方面主要有密钥管理和安全组播两种方式.

1密钥管理:无线传感器网络有诸多限制,例如节点能力限制,使其只能使用对称密钥和H ash 技术;电源能力限制,应使其在无线传感器网络中尽量减少通信,因为通信的耗电将大于计算的耗电;传感器网络还应考虑汇聚等减少数据冗余的问题.在部署节点前,我们可以将密钥预先配置在节点中.通常,预配置的密钥方案通过预存的秘密信息计算会话密钥,由于节点存储和能量的限制,预配置密钥管理方案必须考虑节省存储空间和减少通信开销.o安全组播:无线传感器网络可能设置在敌对环境中,为了防止供给者向网络注入伪造信息,需要在无线传感器网络中实现基于源端认证的安全组播.

基于以上分析,本文所介绍的无线传感器网络系统安全保障采用了密钥管理,每个监护节点和sink 节点分享一个唯一的64位密匙Key j 和一个公共的密匙Key sink ,当监护节点和sink 节点距离超出了预定距离时,网络会在监护节点和sink 节点之间选择其它一个监护节点作为媒介节点进行接力.发送端会对数据进行加密,接收端接收到数据后根据数据中的地址选择相应的密匙对数据进行解密.这种加密方式可以防止暴露节点数目和地址,也可以防止数据被非法截获,即使个别节点被破译,也只有它自己的密匙泄漏,整个网络仍然可以正常工作.

6 结论

本课题采用的方法成功实现了在无线传感器网络中采集人体的心电信号,波形清晰,与传统心电监护仪对照,结果正确.图5上边的曲线是以示波器方

式显示的心电波形,采样频率500Hz,下边的曲线是以图表方式显示的心电波形,采样频率100Hz.

本课题的研究采用当前最前沿的无线传感器网

图5 以示波器方式和图表方式显示的心电波形

络技术,研制出新型医疗监护无线传感器网络心电信息监护系统.它将心电信息采集和监护普及到所有住院患者,实现对所有住院患者的生理数据采集实时化,传递无线网络化,记录、管理自动化,监护智能化.本课题的实现彻底改变了目前医院住院患者的心电生理参数观测仍然依靠人工测量的状况,有效地提高了医护人员的工作效率和工作质量,进而为医院医疗信息化(CIS)建设做好准备.参考文献:

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1494电 子 器 件第30卷

基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现

南京航空航天大学 硕士学位论文 基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现 姓名:耿长剑 申请学位级别:硕士 专业:电路与系统 指导教师:王成华 20090101

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络,已成为当前无线通信领域研究的热点。 随着生活水平的提高,环境问题开始得到人们的重视。传统的环境监测系统由于传感器成本高,部署比较困难,并且维护成本高,因此很难应用。本文以环境温度和湿度监控为应用背景,实现了一种基于无线传感器网络的监测系统。 本系统将传感器节点部署在监测区域内,通过自组网的方式构成传感器网络,每个节点采集的数据经过多跳的方式路由到汇聚节点,汇聚节点将数据经过初步处理后存储到数据中心,远程用户可以通过网络访问采集的数据。基于CC2430无线单片机设计了无线传感器网络传感器节点,主要完成了温湿度传感器SHT10的软硬件设计和部分无线通讯程序的设计。以PXA270为处理器的汇聚节点,完成了嵌入式Linux系统的构建,将Linux2.6内核剪裁移植到平台上,并且实现了JFFS2根文件系统。为了方便调试和数据的传输,还开发了网络设备驱动程序。 测试表明,各个节点能够正确的采集温度和湿度信息,并且通信良好,信号稳定。本系统易于部署,降低了开发和维护成本,并且可以通过无线通信方式获取数据或进行远程控制,使用和维护方便。 关键词:无线传感器网络,环境监测,温湿度传感器,嵌入式Linux,设备驱动

Abstract Wireless Sensor Network, a new intelligent control and monitoring network combining sensor technology with computer and communication technology, has become a hot spot in the field of wireless communication. With the improvement of living standards, people pay more attention to environmental issues. Because of the high maintenance cost and complexity of dispose, traditional environmental monitoring system is restricted in several applications. In order to surveil the temperature and humidity of the environment, a new surveillance system based on WSN is implemented in this thesis. Sensor nodes are placed in the surveillance area casually and they construct ad hoc network automatieally. Sensor nodes send the collection data to the sink node via multi-hop routing, which is determined by a specific routing protocol. Then sink node reveives data and sends it to the remoted database server, remote users can access data through Internet. The wireless sensor network node is designed based on a wireless mcu CC2430, in which we mainly design the temperature and humidity sensors’ hardware and software as well as part of the wireless communications program. Sink node's processors is PXA270, in which we construct the sink node embedded Linux System. Port the Linux2.6 core to the platform, then implement the JFFS2 root file system. In order to facilitate debugging and data transmission, the thesis also develops the network device driver. Testing showed that each node can collect the right temperature and humidity information, and the communication is stable and good. The system is easy to deploy so the development and maintenance costs is reduced, it can be obtained data through wireless communication. It's easy to use and maintain. Key Words: Wireless Sensor Network, Environment Monitoring, Temperature and Humidity Sensor, Embedded Linux, Device Drivers

无线传感器网络的特点

无线传感器网络的特点 大规模网络 为了获取精确信息,在监测区域通常部署大量传感器节点,传感器节点数量可能达到成千上万,甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义:一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内,如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测,需要部署大量的传感器节点;另一方面,传感器节点部署很密集,在一个面积不是很大的空间内,密集部署了大量的传感器节点。 传感器网络的大规模性具有如下优点:通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比;通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度,降低对单个节点传感器的精度要求;大量冗余节点的存在,使得系统具有很强的容错性能;大量节点能够增大覆盖的监测区域,减少洞穴或者盲区。 自组织网络在 传感器网络应用中,通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定,节点之间的相互邻居关系预先也不知道,如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中,或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力,能够自动进行配置和管理,通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传

感器网络使用过程中,部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效,也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中,这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少,

从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变:①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效;②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化,甚至时断时通;③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性;④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化,具有动态的系统可重构性。 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域,传感器节点可能工作在露天环境中,遭受太阳的暴晒或风吹雨淋,甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署,如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固,不易损坏,适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大,不可能人工“照顾每个传感器节点,网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要,要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此,传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。

(中文)基于无线传感器网络桥梁安全监测系统

基于无线传感器网络的桥梁安全检测系统 摘要 根据桥梁监测无线传感器网络技术的桥梁安全监测系统,以实现方案的安全参数的需要;对整个系统的结构和工作原理的节点集、分簇和关键技术,虽然近年来在无线传感器网络中,已经证明了其潜在的提供连续结构响应数据进行定量评估结构健康,许多重要的问题,包括网络寿命可靠性和稳定性、损伤检测技术,例如拥塞控制进行了讨论。 关键词:桥梁安全监测;无线传感器网络的总体结构;关键技术 1 阻断 随着交通运输业的不断发展,桥梁安全问题受到越来越多人的关注。对于桥梁的建设与运行规律,而特设的桥梁检测的工作情况,起到一定作用,但是一座桥的信息通常是一个孤立的片面性,这是由于主观和客观因素,一些桥梁安全参数复杂多变[1]。某些问题使用传统的监测方法难以发现桥梁存在的安全风险。因此长期实时监测,预报和评估桥梁的安全局势,目前在中国乃至全世界是一个亟待解决的重要问题。 桥梁安全监测系统的设计方案,即通过长期实时桥跨的压力、变形等参数及测试,分析结构的动力特性参数和结构的评价科关键控制安全性和可靠性,以及问题的发现并及时维修,从而确保了桥的安全和长期耐久性。 近年来,桥梁安全监测技术已成为一个多学科的应用,它是在结构工程的传感器技术、计算机技术、网络通讯技术以及道路交通等基础上引入现代科技手段,已成为这一领域中科学和技术研究的重点。 无线传感器网络技术,在桥梁的安全监测系统方案的实现上,具有一定的参考价值。 无线传感器网络(WSN)是一种新兴的网络科学技术是大量的传感器节点,通过自组织无线通信,信息的相互传输,对一个具体的完成特定功能的智能功能的协调的专用网络。它是传感器技术的一个结合,通过集成的嵌入式微传感器实时监控各类计算机技术、网络和无线通信技术、布式信息处理技术、传感以及无线发送收集到的环境或各种信息监测和多跳网络传输到用户终端[2]。在军事、工业和农业,环境监测,健康,智能交通,安全,以及空间探索等领域无线传感器网络具有广泛应用前景和巨大的价值。 一个典型的无线传感器网络,通常包括传感器节点,网关和服务器,如图1

无线传感器

无线传感器网络浅谈

王露瑶 16111206031 无线传感器网络浅谈 摘要:随着人们对物理世界的建设与完善,对未知领域与空间的拓展,人们需要的信息来源、种类、数量不断增加,这对信息的获取方式提出了更好的要求。在人类历史发展的很长一段时间内,人是通过视觉、听觉、嗅觉等方式对物理世界的本能感知已远远不能满足信息时代的发展要求。传感器作为连接物理世界与电子世界的重要媒介,在信息化的过程中发挥了关键的作用,大大的提高了人类认识世界和改造世界的能力。如果说互联网构成了逻辑上的信息世界,改变了人与人之间的沟通方式,那么,无线传感网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起,改变人与自然界的交互方式。人们可以通过传感网络直接感知客观世界,从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。 关键词:传感器无线传感网络基本概念体系结构协议测评应用一、无线传感网络的概念 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络,它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信,因此网络设置灵活,设备位置可以随时更改,还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络就是由部署在监测

区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息,并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。 二、无线传感网络的基本特点 (1)节点的可移动性、通信的断接性。由于传感网络具有自组网和自动路由的特性,故其常常用于一些可以移动的领域,比如位于地面以下的矿井人员定位系统等。另一方面,可移动的特性、采集数据的间隔性等使得网络节点再通信时并不需要进行连续的数据传输(2)通信能力有限。传感器网络节点的通信带宽窄而且经常变化,通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器之间的通信断接频繁,经常导致通信失败。此外传感器网络更多地受到高山、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,传感器可能会长时间脱离网络,离线工作。如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输,是设计传感器节点的重要问题。 (3)电源能量有限。传感器的电源能量极其有限,网络中的传感器节点由于电源能量的原因经常失效或废弃。由于传感器网络中的节点数量大、分布范围广,采用电池供电的节点受到电源能量约束的问题比较严重。 (4)计算能力有限。传感器网络中的智能传感器内部都具有嵌入式

无线传感器网络的应用研究

1武警部队监控平台架构介绍与设计 1.1监控系统的系统结构 基站监控系统的结构组成如上图所示,主要由三个大的部分构成,分别是监控中心、监控站点、监控单元。整个系统从资金、功能以及方便维护性出发,我们采用了干点加节点方式的监控方法。 监控中心(SC):SC的定义是指整个系统的中心枢纽点,控制整个分监控站,主要的功能是起管理作用和数据处理作用。一般只在市级包括(地、州)设置相应的监控中心,位置一般在武警部队的交换中心机房内或者指挥中心大楼内。 区域监控中心(SS):又称分点监控站,主要是分散在各个更低等级的区县,主要功能是监控自己所负责辖区的所有基站。对于固话网络,区域监控中心的管辖范围为一个县/区;移动通信网络由于其组网不同于固话本地网,则相对弱化了这一级。区域监控中心SS的机房内的设备配置与SC的差不多,但是不同的是功能不同以及SS的等级低于SC,SS的功能主要是维护设备和监控。 监控单元(SU):是整个监控系统中等级最低的单元了,它的功能就是监控并且起供电,传输等等作用,主要由SM和其他供电设备由若干监控模块、辅助设备构成。SU侧集成有无线传感网络微设备,比如定位设备或者光感,温感设备等等。 监控模块(SM):SM是监控单元的组成部分之一,主要作用监控信息的采集功能以及传输,提供相应的通信接口,完成相关信息的上传于接收。

2监控系统的分级管理结构及监控中心功能 基站监控系统的组网分级如果从管理上来看,主要采用两级结构:CSC集中监控中心和现场监控单元。CSC主要设置在运营商的枢纽大楼,主要功能为数据处理,管理远程监控单元,对告警信息进行分类统计,可实现告警查询和存储的功能。一般管理员可以在CSC实现中心调度的功能,并将告警信息进行分发。而FSU一般针对具体的某一个基站,具体作用于如何采集数据参数并进行传输。CSC集中监控中心的需要对FSU采集的数据参数进行报表统计和分析,自动生产图表并为我们的客户提供直观,方便的可视化操作,为维护工作提供依据,维护管理者可以根据大量的分析数据和报表进行快速反应,以最快的速度发现网络的故障点和优先处理点,将人力资源使用在刀刃上。监控中心CSC系统的功能中,还有维护管理类,具体描述如下: 1)实时报警功能 该系统的报警功能是指发现机房里的各种故障后,通过声音,短信,主界面显示的方式及时的上报给操作者。当机房内的动力环境,空调,烟感,人体红外等等发生变量后,这些数据通过基站监控终端上传到BTS再到BSC。最后由数据库进行分类整理后存储到SQLSEVRER2000中。下面介绍主要的几种报警方式: 2)声音报警 基站发生告警后,系统采集后,会用声卡对不一样的告警类别发出对应的语音提示。比如:声音的设置有几种,主要是以鸣叫的长短来区分的。为便于引起现场维护人员的重视紧急告警可设置为长鸣,不重要的告警故障设置为短鸣。这样一来可以用声音区分故障的等级,比方某地市的中心交换机房内相关告警声音设置,它的开关电源柜当平均电流达到40AH的时候,提示声音设置为长鸣,并立即发生短信告警工单。如果在夜晚机房无人值守的情况下:

无线传感器网络的应用与影响因素分析

无线传感器网络的应用与影响因素分析 摘要:无线传感器网络在信息传输、采集、处理方面的能力非常强。最初,由于军事方面的需要,无线传感网络不断发展,传感器网络技术不断进步,其应用的范围也日益广泛,已从军事防御领域扩展以及普及到社会生活的各个方面。本文全面描述了无线传感器网络的发展过程、研究领域的现状和影响传感器应用的若干因素。关键词:无线传感器网络;传感器节点;限制因素 applications of wireless sensor networks and influencing factors analysis liu peng (college of computer science,yangtze university,jingzhou434023,china) abstract:wireless sensor networks in the transmission of informa- tion,collecting,processing capacity is very strong.initially,due to the needs of the military aspects of wireless sensor networks,the continuous development of sensor network technology continues to progress its increasingly wide range of applications,from military defense field to expand and spread to various aspects of social life.a comprehensive description of the development

基于无线传感器网络的智能交通系统的设计

一、课题研究目的 针对目前中国的交叉路口多,车流量大,交通混乱的现象研究一种控制交通信号灯的基于无线传感器的智能交通系统。 二、课题背景 随着经济的快速发展,生活方式变得更加快捷,城市的道路也逐渐变得纵横交错,快捷方便的交通在人们生活中占有及其重要的位置,而交通安全问题则是重中之重。据世界卫生组织统计,全世界每年死于道路交通事故的人数约有120 万,另有数100 万人受伤。中国拥有全世界1. 9 %的汽车,引发的交通事故占了全球的15 % ,已经成为交通事故最多发的国家。2000 年后全国每年的交通事故死亡人数约在10 万人,受伤人数约50万,其中60 %以上是行人、乘客和骑自行车者。中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5180 亿(人民币),死亡率为9 人/ 万·车,因此,有效地解决交通安全问题成为摆在人们面前一个棘手的问题。 在中国,城市的道路纵横交错,形成很多交叉口,相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集通过。而目前的交通情况是人车混行现象严重,非机动车的数量较大,路口混乱。由于车辆和过街行人之间、车辆和车辆之间、特别是非机动车和机动车之间的干扰,不仅会阻滞交通,而且还容易发生交通事故。根据调查数据统计,我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/ 3,在所有交通事故类型中居首位,对交叉口交通安全影响最大的是冲突点问题,其在很大程度上是由于信号灯配时不合理(如黄灯时间太短,驾驶员来不及反应),以及驾驶员不遵循交通信号灯,抢绿灯末或红灯头所引发交通流运行的不够稳定。随着我国经济的快速发展,私家车也越来越多,交通控制还是延续原有的定时控制,在车辆增加的基础上,这种控制弊端也越来越多的体现出来,造成了十字交叉路口的交通拥堵和秩序混乱,严重的影响了人们的出行。智能交通中的信号灯控制显示出了越来越多的重要性。国外已经率先开展了智能交通方面的研究。 美国VII系统(vehicle infrastructure integration),利用车辆与车辆、车辆与路边装置的信息交流实现某些功能,从而提高交通的安全和效率。其功能主要有提供天气信息、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。目前发展的重点主要集中在2个应用上: ①以车辆为基础; ②以路边装置为基础。欧洲主要是CVIS 系统(cooperative vehicle infrastructure system)。它有60 多个合作者,由布鲁塞尔的ERTICO 组织统筹,从2006 年2 月开始到2010年6月,工作期为4年。其目标是开发出集硬件和软件于一体的综合交流平台,这个平台能运用到车辆和路边装置提高交通管理效率,其中车辆不仅仅局限于私人小汽车,还包括公共交通和商业运输。日本主要的系统是UTMS 21 ( universal traffic management system for the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 为基础的综合系统概念,由NPA (National Police Agency) 等5个相关部门和机构共同开发的,是继20 世纪90 年代初UTMS 系统以来的第2代交通管理系统,DSSS是UTMS21中保障安全的核心项目,用于提高车辆与过街行人的安全。因此,从国外的交通控制的发展趋势可以看出,现代的交通控制向着智能化的方向发展,大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络系统,使车辆行驶和道路导航实现智能化,从而缓解道路交通拥堵,减少交通事故,改善道路交通环境,节约交通能源,减轻驾驶疲劳等功能,最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。

无线传感器网络的组成与发展前景

无线传感器网络的组成与发展前景 【摘要】本文从无线传感器网络的定义出发,简单阐述无线传感器网络的组成和介绍无线网络的发展历史,用几个实例展示无线传感器网络的具体应用,最后展望了无线传感器网络的发展前景。 【关键词】无线传感器网络应用未来展望 随着相关学科的不断发展和进步,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。 一、无线传感器网络通的组成与特点 一个无线传感器网络通常包括三要素,即传感器、感知对象和观察者。传感器由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件等几个部分组成,这些部分相互协调,共同完成对外界信息的感知功能;感知对象是无线传感器网络的监测目标;观察者是无线传感器网络的用户,是传感信息的接收者和应用者。

传感器网络系统的节点具有自动组网的功能,节点间能够相互通信协调工作。多跳路由。节点受通信距离、功率控制或节能的限制,当节点无法与网关直接通信时,需要由其他节点转发完成数据的传输,因此网络数据传输路由是多跳的。动态网络拓扑。在某些特殊的应用中,无线传感器网络是移动的,传感器节点可能会因能量消耗完或其他故障而终止工作,这些因素都会使网络拓扑发生变化。节点资源有限。节点微型化要求和有限的能量导致了节点硬件资源的有限性。 二、无线传感器网络的发展前景 无线传感器网络虽未形成大规模的市场应用,但拥有十分广阔的前景,在军事、国防、环境监测、医疗卫生、建筑物监测等等许多领域都有重要的研究价值和巨大的实用价值,被誉为对十一世纪产生巨大影响力的技术之一。 (一)军事应用 同很多高科技技术一样,,无线传感器网络的产生也是源于网络在军事应上的需求,无线传感器网络本身的概念更贴近其在军事上的应用。无线传感器网络在战场上的应用主要是信息搜集、跟踪敌人、战场监测、目标分类。 无线传感器网络由低成本、低功耗的密集型节点构成,拥有自组织性和相当的容错能力,即使部分节点遭到恶意破坏,也不会导致整个系统的崩溃,正是这一点保证了无线传

无线传感器网络研究报告现状及发展

无线传感器网络的研究现状及发展 默认分类 2008-06-12 18:19:20 阅读910 评论0 字号:大中小 摘要:无线传感器网络(WSN>综合了传感器技术、微电子机械系统(MEMS>嵌入式计算技术.分布式信息处理技术和无线通信技术,能够协作地实时感知、采集、处理和传输各种环境或监测对象的信息.具有十分广阔的应用前景,成为国内外学术界和工业界新的研究领域研究热点。本文简要介绍了无线传感器网络的网络结构、节点组成,分析了无线传感器网络的特点及其与现有网络的区别。进而介绍现有无线传感器网络中的MAC层技术、路由技术、节点技术和跨层设计等关键技术。最后展望无线传俄器网络的应用和发展并指出关键技术的进步将起到决定性的促进作用。 关键词:无线传感器网络节点 MAC层路由协议跨层设计 Abstract: Wireless sensor network (WSN> is integration of sensor techniques, Micro-Electro-Mechanical Systems, embedded computation techniques, distributed computation techniques and wireless communication technique. They can be used for sensing, collecting, processing and transferring information of monitored objects for users. As a new research area and interest hotspot of academia and industries, Wireless Sensor Network(WSN> has a wide application future. This paper briefly introduced the wireless sensor network of networks, nodes, the analysis of the characteristics of wireless sensor networks and the differences wih the existing networks. And the MAC layer technology, routing technology, joint cross-layer design technology and key technology are introduced . At last the prospects of wireless sensor network are discussed in this article. Key Words: Wireless Sensor Network, node, MAC, routing protocol, Cross-layer design 一、概述 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展进步,包括微电子机械系统

基于无线传感网络的大型结构健康监测系统_尚盈

文章编号:1004-9037(2009)02-0254-05 基于无线传感网络的大型结构健康监测系统 尚 盈 袁慎芳 吴 键 丁建伟 李耀曾 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,南京,210016) 摘要:针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,实现了基于无线传感网络的多点应变结构健康监测系统,采用自组织竞争神经网络成功判别了集中载荷模拟的损伤位置。本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。为了降低系统网络功耗及成本,提高系统的稳定性和可靠性,改善传感网络的实时性和同步性,设计了可直接配接无线传感网络节点的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块。实验证明,相比于传统有线的监测方法和数据采集系统,基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。 关键词:无线传感网络;结构健康监测;层次路由协议;自组织竞争网络中图分类号:T P2;T P9 文献标识码:A  基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA 032117)资助项目;国家自然科学基金(60772072,50420120133)资助项目;航空基金(20060952)资助项目。 收稿日期:2007-09-05;修订日期:2008-04-17 Large -Scale Structural Health Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks S hang Ying ,Yuan Shenf ang ,Wu J ian ,Ding J ianw ei ,L i Yaoz eng (T he A ero nautic Key La bo rat or y o f Smart M ater ial and Str uct ur e,N anjing U niv ersit y o f Aer onautics and A str onautics,N anjing,210016,China) Abstract :Aimed at the large-scale structure and anisotropy nature o f the carbon fiber compos-ite material w ing box ,a large-scale structural health m onitoring system based on w ireless sen-sor netw orks is presented .A kind of artificial neural netw ork is designed to distinguish the damag e locatio n simulated by the co ncentrated load .The sy stem co nsists o f the sensor data ac-quisition,the w ireless sensor netw or ks,and the terminal monitoring sub-sy stem s.To im pro ve the performance o f the system ,the signal conditio ning circuit and the hierarchical routing pro -to col are designed based o n w ireless sensor netw orks ,the prog rams of data acquisition and Sink node are ex ploited.Experimental result pro ves that the system has advantag es of flexibili-ty o f deplo yment,low maintenance and deploym ent costs . Key words :w ir eless senso r netw or ks ;str uctural health monitoring ;hierarchical routing ;self -org anizing com petitive netw o rk 引 言 结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念,利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络,在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等),结 合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模 方法,提取特征参数,识别结构的状态,包括损伤,并对结构的不安全因素在其早期就加以控制,以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展,从而实现结构健康自诊断、自修复、保证结构的安全和降低维修费用[1]。 无线传感网络节点具有局部信号处理的功能, 第24卷第2期2009年3月数据采集与处理Jour nal of D ata A cquisition &P ro cessing Vo l.24N o.2M a r.2009

无线传感器研究背景目的意义及现状与发展趋势讲课讲稿

无线传感器研究背景目的意义及现状与发展趋势 1 研究背景 随着无线技术的快速发展和日趋成熟,无线通信也发展到一定的阶段,其发展的技术越来越成熟,方向也越来越多,越来越重要,大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和通信。 微机电系统和低功耗高集成数字设备的发展,使得低成本、低功耗、小体积的传感器节点得以实现。这样的节点配合各类型的传感器,可组成无线传感器网络(WSN)。无线传感网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术。广泛应用于战场监视、大规模环境监测和大区域内的目标追踪等领域。传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。因为无线传感器网络节点一般采用电池供电,工作环境通常比较恶劣,而且数量大、更换非常困难,所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一,因此,它迫切需要对传统的嵌入式应用开发进行更新和改进,需要精心设计的软硬件系统,以使其可靠而耐用。 2003年,美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时,WSN被列为第一;美国《今日防务》杂志更认为WSN的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。可以预测,WSN是信息感知和采集的一场革命,是21世纪最重要的技术之一[2]。低功耗无线传感模块,便是组成无线传感网络的节点。此方面的研究由来已久,是计算机应用的扩展,采用了大规模集成电路和嵌入式技术,使用智能微处理器对采集到的信息进行处理和加工。现已广泛应用于社会建设的各个层面和人们的日常生活当中。但过去的研究有的只考虑低功耗而性能不高,有的性能高但是功耗太大。 因此,在无线传感技术应用如此广泛的今天,在保证无线传感模块性能的同时又能实现其低功耗具有一定的理论和现实意义。 2 研究目的及意义 2.1 研究目的 当前对于无线传感技术的研究仍然处在一个高速发展的阶段,低功耗就是其发展方向之一,而低功耗与高性能的结合实现还不完全。因此,为了更好的实现无线传感模块的功能,增加模块的可靠性和使用寿命,通过对无线传感节点的硬件功耗的分析,确定无线传感模块各单元的基本功率消耗,并进行相应比较,确定需重点降耗的单元,在此基础上结合当前对低功耗无线传感模块的研究,通过对比分析选择合适的芯片完成对低功耗无线传输模块的自主设计和制作。并辅助软件开发人员完成各子模块的驱动编写,实现低功耗无线传感模块的整体通信功能。

无线传感器网络技术的应用

无线传感器网络技术的应用 摘要:无线传感器网络(WSN)是新兴的下一代传感器网络,在国防安全和国民经济各方面均有着广阔的应用前景。本文介绍了无线传感器网络的组成和特点,讨论了无线传感器网络在军事、瓦斯监测系统、智能家具,环境监测,农业。交通等方面的现有应用,最后提出无线传感器网络技术需要解决的问题。 关键词:无线传感器网络,军事、瓦斯监测系统、智能家具,环境监测,农业。交通。 1.无线传感器网络研究背景以及发展现状 随着半导体技术、通信技术、计算机技术的快速发展,90年代末,美国首先出现无线传感器网络(WSN)。1996年,美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年,同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里,WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注,成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一,麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。WSN是由布置在监测区域内传感器节点以无线通信方式形成一个多跳的无线自组网(Ad hoc),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、感知对象和观察者是WSN的三要素。将Ad hoc技术与传感器技术相结合,人们可以通过WSN感知客观世界,扩展现有网络功能和人类认识世界的能力。WSN技术现已经被广泛应用。图为WSN基本结构。 WSN经历了从智能传感器,无线智能传感器到无线传感器三个发展阶段,智能传感器将计算能力嵌入传感器中,使传感器节点具有数据采集和信息处理能力。而无线智能传感器又增加了无线通信能力,WSN将交换网络技术引入到智能传感器中使其具备交换信息和协调控制功能。 无线传感网络结构由传感器节点,汇聚节点,现场数据收集处理决策部分及分散用户接收装置组成,节点间能够通过自组织方式构成网络。传感器节点获得的数据沿着相邻节点逐跳进行传输,在传输过程中所得的数据可被多个节点处理,经多跳路由到协调节点,最后通过互联网或无线传输方式到达管理节点,用户可以对传感器网络进行决策管理、发出命令以及获得信息。无线传感器网络在农业中的运用是推进农业生产走向智能化、自动化的最可行的方法之一。近年来国际上十分关注WSN在军事,环境,农业生产等领域的发展,美国和欧洲相继启动了WSN研究计划,我国于1999年正式启动研究。国家自然科学基金委员会在2005年将网络传感器中基础理论在一篇我国20年预见技术调查报告中,信息领域157项技术课题中7项与传感器网络有直接关系,2006年初发布的《国家长期科学与技术发展

浅谈无线传感网络和目前面临的困难

浅谈无线传感网络和目前面临的困难 随着半导体技术、微系统技术、计算机技术和无线通信等技术的飞速发展,使传感器在微小体积内能够集信息采集、数据处理和无线通信等功能于一体,推动了低功耗多功能传感器应用的快速成长。无线传感网络(wirelesssensornetwork,WSN)就是由大量部署在监测区域内的这类传感器节点组成,通过无线通信的方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,能协作的感知、采集和处理网络覆盖区域的监测信息,并发送给观察者。它作为全球未来十大技术之一,正越来越受到人们的重视。它在军事、医疗、家用、环境监测等多个领域均有广阔的应用市场。 无线传感网络是由部署在监测区内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的楚协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信怠,并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。 无线传感网络的传感器可以由许多种不同类型构成,如:震动的,低取样率电磁的,热力的,可视的,声学的和雷达等,能监视大范围外界条件。如:温度,湿度,车辆移动,光条件,艇力,污染,噪声,某一对象出现或消失,机械力,当前对象属性等。能够,。泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车问和仓库管理,以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。 传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。 大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近,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。 无线传感网络面临的困难 管无线传感网络应用前景广阔,就现有的技术发展水平来说,让无线传感网络大量投入正常运行并达到预期目标还面临饕许多困难,需要许多关键技术的解决: 传感器节点的工艺和产品成本问题 无线传感网络中的节点一般为电池供电,有效电量非常有限,丽且由于应用环境与节点数景关系,电池更换是不可能的。但是无线传感网络的生存时间却要求长达数胃甚至数年,一旦传感节点能量用尽,只能采取放弃或替代。因此能否节约电池能量成为无线传感网络软硬件设计中的关键问题之一。 现代传感嚣技术从单一的物性型进入以微电子和微机械集成技术为主导的发展阶段。集成工艺的发展,将微传感器、微驱动器、微执行器以及信号处理器和电路、接口、通讯和电源等组成一体化系统。美国制造了在2cm~0.15cm的体积内,由3个陀螺和3个加速度计组成的微型惯性导航系统。该系统的质量为距,体积只有小型惯性导航系统的0.1%。智能化尘粒传感器已达到舯级,国内在制造工艺方西还有欠缺。 虽然节点微型化使各部件能耗降低,研究机构对电池的改进使传感网络生命期得翻延长。但仍存在低电压或节点执行某项操作所需尖端电流不够而影响传感网络功能的有效性。”。这也是弱前值碍关注的方强。 网络的组织和管理 在传感器黼络应用中,通常传感器节点被放鬣在没有基础结构的造方。传感器节点的位置不能预先设定,节点间的邻居关系预先也不知道,如通过飞机播撤大量传肄器节点到面积广阔的原始森林中,或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织和自管理的能力。网络组织和管理的焦点是如何在能量有效的前提下,通过自行检测自

2013秋川大无线传感器网络及应用第一二次作业答案

《无线传感器网络及应用》第一次作业答案 一、单项选择题。本大题共11个小题,每小题2.5 分,共27.5分。在每小题给出的选项中,只有一项是符合题目要求的。 1.下面哪种协议不属于路由协议( C )。 A.地理位置路由协议 B.能量感知路由协议 C.基于跳数的路由协议 D.可靠的路由协议 2.ZigBee的通信速率在2.4GHz时为( D )。 A.40Kbps B.20Kbps C.256 Kbps D.250kbps 3.传感器节点( D )范围以内的所有其它节点,称为该节点的邻居节点。 A.视线 B.跳数 C.网络 D.通信半径 4.TinyOS是一个开源的( D )操作系统,它是由加州大学的伯利克分校开发, 主要应用于无线传感器网络方面。 A.桌面 B.后台 C.批处理 D.嵌入式 https://www.doczj.com/doc/279011513.html,N技术使用了哪种介质( A )。 A.无线电波 B.双绞线 C.光波 D.沙狼 6.传感器节点消耗能量主要消耗在( A )上。 A.无线通信模块 B.处理器模块 C.传感器模块 D.管理模块 7.传感器最早起于二十世纪( B )年代。 A.60年代 B.70年代 C.80年代 D.90年代 8.定向扩散(Directed Diffusion,DD)路由协议是一种( B )机制。 A.能量感知路 B.基于查询的路由

C.地理位置路由 D.可靠的路由 9.传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量,而且对方向性要求较高时,应 选择在其它方向上灵敏度()的传感器;如果被测量是多维向量,则要求传感器的交叉灵敏度越()越好。 A A.小;小 B.小;大 C.高;高 D.高;底 10.传感器的频率响应越(),则可测的信号频率范围就越()。C A.小;高 B.大;宽 C.高;宽 D.大;高 11.传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。理论上在此范围内,灵敏度保持 定值。传感器的线性范围越(),则它的量程就越(),并且能保证一定的测量精度。D A.小;宽 B.小;高 C.高;大 D.宽;大 二、多项选择题。本大题共29个小题,每小题2.5 分,共72.5分。在每小题给出的选项中,有一项或多项是符合题目要求的。 1.根据节点数目的多少,传感器网络的结构可以分为(AD)。 A.平面结构 B.网络结构 C.星形结构 D.分级结构 2.传感器节点消耗能量的模块包括(ACD)。 A.传感器模块 B.存储模块 C.处理器模块 D.无线通信模块 3.下面哪些属于数据融合的方法(ABD)。 A.模糊逻辑法 B.神经网络方法 C.优选法 D.综合平均法 4.目前人们采用的节能策略主要有(AC)。 A.休眠机制 B.定时发送机制 C.数据融合机制

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