水下无线传感器网络
摘要：水下无线传感器网络是一种包括声、磁场、静电场等的物理网络，它在海洋数据采集、污染预测、远洋开采、海洋监测等方面取得了广泛的应用，将在未来的海军作战中发挥重要的优势。描述了水下无线传感器网络的研究现状，给出了几种典型的水下无线传感器网络的体系结构，并针对水下应用的特点，分析了水下无线传感器网络设计中面临的节点定位、传感器网络能量、目标定位等诸多难题，最后根据应用需求提出了水下无线传感器网络研究的重点。
关键词：水下无线传感器网络；能量；定位
1．引言
水下无线传感器网络是使用飞行器、潜艇或水面舰将大量的(数量从几百到几千个)廉价微型传感器节点随机布放到感兴趣水域，节点通过水声无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给接收者。近年来，水下无线传感器网络技术在国内外受到普遍关注，正在被广泛用于海洋数据采集，污染预测，远洋开采，海难避免，海洋监测等。
水下无线传感器网络具有传统传感器技术无法比拟的优点[1]：传感器网络是由密集型、成本低、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃；分布节点的多角度和多方位的信息融合可以提高数据收集效率并获得更准确的信息；传感网络使用与目标近距离的传感器节
点，从而提高了接收信号的信噪比，因此能提高系统的检测性能；节点中多种传感器的混合应用使搜集到的信息更加全面地反映目标的特征，有利于提高系统定位跟踪的性能；传感器网络扩展了系统的空间和时间的覆盖能力；借助于个别具有移动能力的节点对网络的拓扑结构的调整能力可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。因此，传感器网络能够应用于恶劣的战场环境。在军事领域，通过多传感器系统的密切协调，形成空-舰-陆基传感器构成的多传感器互补监视网络，对目标进行捕获、跟踪和识别。
水下无线传感器网络由于其应用环境的特殊性，要考虑海水盐度、压力、洋流运动、海洋生物、声波衰减等对传感器网络的影响，使水下无线传感器网络的设计比陆地无线传感器网络更难，对硬件的要求更高。
2 水下无线传感器网络的研究现状
由于水下无线传感器网络的巨大应用价值，它已经引起世界许多国家军事部门的极大关注。水下传感器网络技术的发展甚至影响到海军军事战略的变革。由于水下传感器网络技术的发展，未来的海战可充分发挥近海空间优势。
最早开展水下无线传感器网络研究的国家是美国，早在上世纪50 年代，美国就在大西洋和太平洋中耗巨资建设庞大的水声监视系统(SOSUS)。近几年美国水下无线传感器网络的较大的项目有：1999~2004 年美国海军研究办公室的SeaWeb 计划；2004 年哈佛大学启动的CodeBlue 平台研究计划；坛上，披露了“近海水下持续监
视网”PLUSNet 计划，预计在2015 年前后具备完全作战能力；洛克希德·马丁公司为美国海军研制能够适应近海海域环境、可以快速布防的先进部署系统(ADS)，被用于探测水下敌方潜艇。
随着水下传感器网络技术的成熟，逐渐转向民用。在民用领域主要用于海洋环境和海洋生物监测、海底科学实验等。水下传感器网络主要的民用工程有：MBARI 建立的海洋生化监测系统(LOBO)和海洋监测系统(MOOS)、北太平洋中铺设的有缆绳海洋监测系统NEPTUNE 工程[8]和设在纽约西长岛南部的前沿分析观测网络和遥测(FRONT)系统。
2006 年国家自然科学基金将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究方向。中国科学技术大学、沈阳自动化研究所、中科院计算所等多家高校和研究单位均已开展了无线传感器网络相关领域的研究。2007 年由中科院上海微系统与信息技术研究所等单位联合承担的“无线传感器网络关键技术及其在道路交通中的应用示范研究”项目通过验收。
随着水下无线传感器网络技术的发展，水下无线传感器网络的节点概念已经由传统的传感器扩大到包括AUV、蛙人、舰艇、潜艇、鱼雷、水雷和水面浮标等在内的新概念节点形式。新的水下无线传感器网络克服了传统水下无线传感器网络的性能单一、时效差、造价高和布设困难的缺点，具有布防更灵活、适应环境的能力更强、搜集信息更快捷的特点。
新一代的水下网络不仅仅是水声网络，而是一种包括水声、磁场、
静电场等综合性的物理网络。它是集侦察、警戒、指控、通信、导航、定位、目标攻击、综合作战能力的体系。
3 水下传感器网络的基本结构和特征
传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点(接收器)和管理节点(服务器)。传感器节点监测的数据沿着传感器骨干节点(簇首)多跳地进行传输，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。
水下传感器节点主要由一个主控制器或CPU组成。这个控制器通过接口电路与传感器相连。控制器接收传感器的数据，存储在内存中，然后处理这些数据，并通过声MODEM 发送给其他网络节点。
4 研究中面临的问题
4.1 水下声传播的特点
陆地上的传感器网络主要靠射频(RF)信号传送信息，而在水下，高频的RF 信号传播衰减很大，事实上，在水下使用的无线电波的频率仅在低频段(30Hz~300Hz)，而且需要较高的发射功率。光信号不像RF 信号那样有较高的传播衰减，但是有较大的散射。因此，水下无线传感器网络是基于声信号的无线通信。水下声信道的限制带宽和各种延迟要求新的可靠的通信协议。水声无线网络的设计中存在的主要困难是：
(1) 水声信号可实现的带宽被严格的限制；
(2) 水下信道由于多通道导致严重的衰落，而且水下的衰减是多变的；
(3) 由于传感器节点的流动性和能量消耗殆尽导致节点“死亡”，可能造成通信连接的不可靠，比特率出错高和暂时的通信中断可能会出现；
(4) 节点的通信范围小，导致网络不能实时处理数据；
(5) 在水下不能使用太阳能，电池的能量有限并且不可被更换；
(6) 水下无线传感器网络的实时性和能量问题是一对矛盾，信息处理结构的变化使软件必须重新设计；
(7) 水下传感器节点会由于密度大而拥塞出现错误。基于水下声信号传播的特点列出水下无线传感器网络中的设计中存在的主要问题。
4.2 水下无线传感器网络设计中的问题
4.2.1 传感器节点定位问题
水下传感器网络节点是随机放置的，因为数目众多，节点体积很小和费用上的考虑，每个节点都有GPS 定位系统是不可能的，另外，布放后每个节点位置不是固定的，可能随洋流漂流，给节点的自身定位提出了挑战。
定位是军事应用的基础。定位问题包括两部分：节点自身定位和外部目标定位，前者是后者的基础。
基于参考节点的节点自身定位问题，很多学者提出了很多定位的方法，这些算法的目的在于使得传感器节点能够被随机地布置在一个
给定的区域，并能根据一些参考节点而自动检测它们的自身位置。
无线传感器网络中需要定位的节点称为未知节点(unknown node)，通过人工部署或GPS 系统已知位置的节点称为锚节点(anchor)。节点的定位包括：绝对定位和相对定位、集中式定位和分布式定位、基于测距的定位和无需测距的定位。绝对定位的结果是一个标准的坐标位置，如经纬度。相对定位通常是以网络中部分节点为参考，建立整个网络的相对坐标系统。集中式定位是把信息传送到某个中心节点进行定位计算的方式，便于从全局角度统筹规划，获得相对精确的位置估计。分布式定位是尽量将计算量分摊到网络中的各个节点上，以减小对中心节点的计算能力的要求。
无线传感器网络中绝大多数现有的定位方法都包含两个基本步骤：距离(或角度)测量和定位计算。目前的定位方法有：于接收信号能量的RSSI 定位算法；基于信号到达时间的TOA 定位算法；基于信号到达时间差的TDOA 定位算法；基于邻节点发送信号角度的技术AOA 算法。计算节点位置的方法有：三角测量法、三边测量法、多边测量法、质心定位算法、多跳定位算法APS、APIT定位算法、极大似然估计法、Hop-Euclidean 定位算法和多维定位算法MSD 等。
在水下无线传感器网络中，通常由于传感器放置于水下，网络节点无法获知确定的位置信息，要求可实现分布式无锚节点的WSN 节点定位机制。
针对水下WSN 会存在很多移动的传感器节点，如AUV、移动机器人等，目前出现了许多移动节点的定位方法。
WSN 定位算法的性能直接影响其可用性。评价定位算法的标准主要有：定位精度、规模、锚节点密度、节点密度、覆盖率、容错性和自适应性、功耗和代价。
4.2.2 系统能源问题
由于水下无线传感器网络的应用特点，使得更换水下节点电池非常困难，因此无线传感器网络的能耗一直是研究人员关注的焦点。传感器网络节点的能源主要消耗在信息传输和数据处理，而且传输信息比数据处理更消耗电能。软件上采用好的拓扑控制算法、高效的通信协议和路由协议，硬件上节点内部结构的合理设计、采用低功耗的芯片和改进电池性能是节省能源的关键。
目前关于传感器在实时应用的能量有效计算问题形成了很多拓扑算法。例如，最小能量途径的算法(LBMER)、HCAN、CDS(Connected DominatingSet)、JSD、蚁群算法等。所有的这些算法都是基于节约能量的算法。
在无线传感器网络中，介质访问控制(MAC)协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。根据传感器节点无线通信模块发送、接收、侦听和睡眠四个状态消耗能量顺序依次减少的特点，传感器网络MAC 协议为了减少能量的消耗，通常采用“侦听/睡眠”交替的无线信道使用策略。采用简单高效节能的MAC 协议是无线传感器网络设计应考虑的问题。
与传统网络的路由协议不同，无线传感器网络的路由协议是基于
能量优先的。路由协议的设计目标是，应尽可能地降低能耗，提高能量使用的有效性，避免过度使用低能量节点，从而延长网络生命周期。同时路由协议不能占用大量的存储空间，尽量减少计算量。
在硬件上，针对传感器节点传输能力有限和传输距离有限，往往需要布设大量节点，廉价和低功耗的传感器节点正在被不断设计出来。设计新的试验平台减小能耗是研究者研究的方案，出现了Mica2 和MicaDot2，以及NASA JPL 实验室的SensorWeb。Mica2 选配了新的微处理器和射频芯片，修正Mica 的一些技术缺陷。Mote 系列的第四代节点Telos 设计上出现了很大改进，通过选用新的微处理器减小休眠工作电流和系统唤醒时间，能耗显著降低。国内也有许多研究机构根据各自应用的需要开发出了新的节点。电池技术的进步已逐步在减轻传感器网络的能源瓶颈。加州大学洛杉矶分校、佛罗
里达大学、犹它大学和海军研究实验室用微机电系统(MEMS)技术开发三维形状的微型电池，有望突破这一限制。水下无线传感器网络中使用风能和太阳能也并非不可能，MBARI 已经设计出了通过水面浮标搜集风能和太阳能，并通过水下缆绳传输给每一个网络节点。
4.2.3 目标定位跟踪
声信号目标定位方法从物理处理角度大致分为几大类：AOA、TDOA、DOA 和RSSI(或SRP)。基于AOA 技术定位不仅能确定目标的坐标，而且能够确定目标的角度信息，但是AOA 测距技术容易受外界环境的影响，而且AOA 需要额外硬件，在硬件尺寸和功耗上不适用于大规模的传感器网络[14]。目前常用的声源定位方法主要是
TDOA、DOA 和RSSI。
水下目标的跟踪往往涉及数据融合，融合就是将来自多个传感器或多源的信息进行综合处理，从而得出更准确可信的结论。目标的跟踪包括几个阶段：探测、分类、定位、预测和跟踪。目标的探测需要建立合适的门限，超过门限，判有目标，否则无目标；分类是判断目标的有无及目标个数；定位最常用的方法是极大似然估计(ML)定位算法，可以得到很好的定位结果，但对参数变化敏感，且在多目标跟踪环境下实现复杂度较高；预测是根据采集数据，建立目标的运动方程，预测目标的运动轨迹。
4.2.4 其它
(1)水下无线传感器网络的安全性问题。在军事应用中，传感器网络的安全问题不可忽视，对数据的采样传输和物理节点的分布都有很高的要求。由于传感器网络的自身特点使得传感器网络安全问题的解决思路和方法与传统网络安全问题不同。主要表现在：有限的存储空间和计算能力；缺乏后期节点布置的先验知识；布置区域的物理安全无法保证；有限的带宽和通信能量；整个网络的安全问题和应用相关性。传感器网络的安全问题是一个开放的、活跃的研究领域。
(2)网络的实时性。由于在军事上被用于目标跟踪，要求传感器网络能实时地反映目标的运动信息。
(3)固定区域内布置传感器节点的最佳数量。要找出不同类型和位置的传感器，使覆盖面(Coverage)最大，代价(Cost)最小，这是一个NP 问题。一种办法是找到一种覆盖路径，使路径到
各节点的距离之和最大，也就是覆盖面最大，同时使这条路径距离最近传感器节点的距离最小。
5 结论
水下无线传感器网络是一个大的系统，其中的硬件、软件的技术问题很多。本文总结了水下传感器网络中已有的研究，重点阐述了传感器网络节点自定位、系统的能源问题和基于声信号的目标定位方法，对影响传感器网络性能的一些重要因素进行了阐释。今后要做的是，考虑所有对传感器网络的性能有较大影响的因素，在运算量和定位精度之间有一个折中时，寻求一种目标定位跟踪方法，达到最好的定位效果。
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基于无线传感网络的环境监测系统 摘要：随着经济和科技的发展，农业种植也有了长足的发展，从之前的小面积 种植演变为了如今的大规模，为了提高生产效率，减少劳动力，必须引进先进的 技术配合人工劳作进行种植。传统的环境监测系统布线成本高，抗干扰性差，增 加新监测点时必须改变物理线路，工序复杂，维护难度大。 关键词：无线传感网络；Zig Bee；环境监测； 为满足环境温度监测系统远距离，低成本，部署灵活等要求，设计并实现了 一种树型结构的无线传感网络，通过无线传感网络采集环境温度数据并上传监控 主机，实现远距离检测和监控．介绍了节点硬件设计，然后根据环境温度监测的 应用需求进行软件设计，采用休眠机制以降低节点的功耗，将系统进行实地部署 与测试．表明：该系统具有较高的实用性和可靠性。 1 相关工作 研究目的是利用ZigBee技术结合WSN设计安全高效的、个性化的环境监测 系统。许多本领域学者已经利用WSN设计了一些环境监测系统，代表性的成果有：雷旭等利用无线传感器网络设计了隧道环境信息监测系统。系统以STM32微控制器为核心设计了低功耗网络节点与网络汇聚节点设计了B/S模式访问的监控 中心软件；梅海彬等提出了一种基于Arduino开放平台与XBee Pro增强通信距离 的无线传感器网络，对近海环境进行了实时监测；陈克涛等设计了以CC2530为 核心处理器的无线传感器网络农业环境监测网关节点；提出一种基于无线传感器 网络和3G/4G的远程环境监测系统；研究了WSN接入In?ternet的方法；Arch Rock Corp等研究了IPV6WSN；另外，针对农田土壤参数（诸如温湿度等）的精 确采集系统设计上，很多学者研究了土壤WSN精确化应用系统与实现的关键技术。诸如此类，这些都是典型的WSN环境监测系统与关键技术研究的文献成果。概括这些目前WSN环境监测领域文献共性特点，大多是针对农业、海洋等某一 领域设计的应用系统，缺乏共性通用的系统平台设计思想；另外由于缺乏目前云 计算、最先进的新技术植入，缺乏先进与人性化设计理念。针对这些弱点，进行 了研究改进。实践证明本文设计的系统，用户随时随地都可以了解监测场所的环 境信息，如：温度、湿度、可燃有毒气体及其浓度、火灾、光线明暗程度等数据。此外，系统利用数据融合技术实时闭环环境信息的预警决策，能根据信息特点实 现对环境的智能化管理，如环境安全指数超标会做出决策并采取一些措施。 2 无线传感器网络和Zig Bee技术 无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量价格较低的传感器节点以自组织的方式构成的无线网络系统[。将这些传感器节点部署在目标区域内，节点通过无线通信的方式自发形成多跳的无线网络，监测区域内的各种环境 信息通过传感器的感知、采集和处理后经由无线网络传送给监控中心或终端用户，协作完成指定的任务。ZigBee是一种便宜的、低功率的近距离无线组网通信技术。适用于通信数据量不大、数据传输速率相对较低，分布范围较小，一般应用于无 线传感器网络、家庭自动化、农业自动化、遥测遥控和医疗护理等方面。ZigBee 的主要特点是低速率、低功率、低成本、自配置和灵活的拓扑结构，抗干扰能力强。ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝链接，具有很强的兼容性。 3 硬件设计
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点，从而提高了接收信号的信噪比，因此能提高系统的检测性能；节点中多种传感器的混合应用使搜集到的信息更加全面地反映目标的特征，有利于提高系统定位跟踪的性能；传感器网络扩展了系统的空间和时间的覆盖能力；借助于个别具有移动能力的节点对网络的拓扑结构的调整能力可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。因此，传感器网络能够应用于恶劣的战场环境。在军事领域，通过多传感器系统的密切协调，形成空-舰-陆基传感器构成的多传感器互补监视网络，对目标进行捕获、跟踪和识别。 水下无线传感器网络由于其应用环境的特殊性，要考虑海水盐度、压力、洋流运动、海洋生物、声波衰减等对传感器网络的影响，使水下无线传感器网络的设计比陆地无线传感器网络更难，对硬件的要求更高。 2 水下无线传感器网络的研究现状 由于水下无线传感器网络的巨大应用价值，它已经引起世界许多国家军事部门的极大关注。水下传感器网络技术的发展甚至影响到海军军事战略的变革。由于水下传感器网络技术的发展，未来的海战可充分发挥近海空间优势。 最早开展水下无线传感器网络研究的国家是美国，早在上世纪50 年代，美国就在大西洋和太平洋中耗巨资建设庞大的水声监视系统(SOSUS)。近几年美国水下无线传感器网络的较大的项目有：1999~2004 年美国海军研究办公室的SeaWeb 计划；2004 年哈佛大学启动的CodeBlue 平台研究计划；坛上，披露了“近海水下持续监
《无线传感器网络原理与应用》复习题 一、填空题： 1.无线传感器网络的三个基本要素是：、和。 2.无线传感器网络实现了、? 和的三种功能。 3.无线传感器网络包括四类基本实体对象：目标、观测节点、和 。 4.根据无线传感器网络系统架构，无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、和。 5.无线传感器节点通常包含四个模块，他们是：数据采集模块、、无线通信模块和。 6.无线传感器网络的协议栈包括物理层、、、传输层 和，还包括能量管理、移动管理和任务管理等平台。 7.无线传感器网络的MAC层和物理层协议采用的是国际电气电子工程师协会(IEEE)制定的协议。 8.无线通信物理层的主要技术包括、、调制技术 和。 9.在无线通信系统中，有三种影响信号传播的基本机制：、绕射和。 10.无线传感器节点处于、接收状态、侦听状态和时单位时间内消耗的能量是依次减少的。 11.无线传感器网络MAC协议根据信道的分配方式可分为、 和混合式三种。 12.根据无线传感器网络不同的应用可以将其路由协议分为五类，你知道的有：、、。（任意给出3种）。 13. IEEE 标准将无线传感器网络的数据链路层分为两个子层，即和。 14. Zigbee的最低两层即物理层和MAC层使用标准，而网络层和应用层由Zigbee联盟制定。 15. Zigbee协议中定义了三种设备，它们是：、和Zigbee终端设备。
16.Zigbee支持三种拓扑结构的网络，它们是：、和。 17.无线传感器网络的时间同步方法有很多，按照网络应用的深度可 以划分三种：、和。 18.无线传感器网络的时间同步方法有很多，按照时间同步的参考时 间可以划分为和。 19.无线传感器网络的时间同步方法有很多，根据需要时间同步的不 同应用需求以及同步对象的范围不同可以划分为和。20.无线传感器网络定位技术大致可以划分为三类：、和 。 21.无线传感器网络典型的非测距定位算法有、APIT算法、 以及等。 22.无线传感器网络的数据融合策略可以分为、以 及。 23.无线传感器网络的故障可以划分为三个层次：、和 。 24. 根据网络提供服务的能力可以将QoS分为3种等级，分别是：、 和。 25. 传感器网络的支撑技术包括：、、及安全机制等。 26. 无线传感器节点的能耗主要集中在模块。 二、名词解释： 1.无线自组织网络 2.无线传感器网络(WSN) 3.基带信号 4.模拟调制 5.数字调制 6.物理信道 7.逻辑信道 8.路由选择 9.路由协议
大连理工大学本科外文翻译水下传感器网络的应用和挑战研究 Research Challenges and Applications for Underwater Sensor Networking 学部（院）：电子信息与电气工程学部 专业：电子信息工程 学生姓名：张毅男 学号：201081335 指导教师：殷福亮 完成日期：
水下传感器网络的应用和挑战研究 Research Challenges and Applications for Underwater Sensor Networking 信息科学研讨会南加利福尼亚大学 摘要：(原文中如果无摘要，此内容不写) 要求忠于原文，语意流畅。 关键词： (黑体、小四) （此处空一行） 每段落首行缩进2个汉字；或者手动设置成每段落首行缩进2个汉字，字体：宋体，字号：小四，行距：多倍行距 1.25，间距：段前、段后均为0行，取消网格对齐选项。 图、表、公式如果不加入到译文中，则必须在相应位置空一行。标出图名、表名或公式编号。 参考文献：略（翻译到此为止，此行不省略）
摘要：这篇文章研究了水下传感器网络化的因应用和挑战。我们认为它在近海岸油田的地震监测，装备检测和水下机器人方面具有很大的潜在应用。我们把研究方向定位近程声学通讯，测量与控制，时间同步，声学网络的高时延定位协议，网络长时间持续睡眠，数据传输的应用权限。我们把初步研究放在短程声波通讯硬件上，并分析高时延时间同步的结果。 引言：传感器网络是科学，工业，政府等许多方面革新的保证。这种分布在目标周围能被感知的小型物理装置带来了观察和研究世界的新机会。例如对于微生物环境的监测，结构的追踪和工业的应用。今日传感器网络正在被安排应用在地面上，相比之下水下运行仍旧有许多限制。远程控制淹没经常被使用，但是活动和被使用硬件他们的部署是本质上临时的。一些广阔地区的数据收集结果已经有了保证，但是精确程度较低（数以百计的传感器覆盖着地球）甚至当地区性的方法也被考虑过，这些通常都是有线而且昂贵的。 陆上传感器网络科学获从无线的使用，组态设定，每个能源使用效率的最大值获得好处。他们分析了低成本节点（大概100美元）密集分布（大概100米以内）短程，多次反射通讯。相比之下，今日水下声学传感器网络典型的昂贵（10k 美元往上），稀疏的分布（很少节点间隔在千米），典型通讯经过长距离直达基站而不是互相通讯。我们通常探索如何把陆上传感器网络的有点移植到水下声学传感器网络上去。 水下传感器网络有许多潜在应用（在第三部分）在此作为代表性的应用，我们简单的考虑水下油田的地震成像。许多近海岸油田的地震监测任务是在表面上用一艘船拖着一队的地震波检测器。这种技术的花费很高，而地震调查很少能被发现，例如：每二到三年，相比之下，传感器网络节点花费很低而且能够长久的铺设在海底。这样的系统能够使得地震成像频繁的存储（也许几个月），也能够帮助资源勘探和油条开采。 为了实现水下应用我们可以从不间断的地表传感器研究借鉴到许多设计准则和工具。然而有一些挑战是从根本上不同的。第一，无线电波不适合水下通信。因为传输极端受限（微波通常传输50-100cm），而声学遥测对于水下通信来说是很有前途的，现成的声学模型并不适用于具有数以百计节点的水下传感器网络。他们的能量，范围和价格都是为稀疏的，长距离的昂贵的系统而设计的，而不是密集的便宜的传感器节点。第二点，从射频到声学的迁移，改变了物理通讯的速率，从声速（1.5×103m/s）到光速（3×108m/s）——相差五个数量级之多。然而对于短程射频通信传播时延是可以忽略的，在水下通信这是一个重要的事实，这在定位和时间同步上有重要的意义。最后：对于能量的利用水下传感器和陆上传感器是不同的因为传感器会更大而且一些重要的应用会需要大量数据但却很稀少（一周一次或更少）。 因而我们把重点放在这三个方面：硬件，声学传感器网络节点（第四部分），协议，水下传感器网络自我分析，物理层协议设计，时间同步和定位（第五部分）主要运行，能量感知数据储藏和推荐（第五部分）。我们相信低成本能量消耗低的声学模型是可行的，我们将目光聚焦在短程通讯将会避开许多长距离通讯的问题。多路存取的发展和实验容忍协议在完成密集网络是必须的。低成本循环运行和一体化的应用能够成功对抗高时延和带宽受限。 第二部分系统结构 在描述明确的应用前，我们简单的回顾一下我们为水下传感器网络预测的传统结构。 图1是对于我们最近的实验设计我做了一个图。我们预见那种能使传感器具有更大资源的布局。
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。
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
1水声通信 由于声音（Acoustic）在水中的衰减低，声波通信成为在水下环境中最通用和应用最广泛的技术，尤其是在热稳定的深水区域。声波通信的主要限制因素是浅水区域中的温度梯度差异、海面噪声和反射折射引起的多径传播；次要的限制因素是水中声速（约为1500米/秒）慢，也限制了其通信效率。所以，水声通信受到严重的带宽限制和干扰限制，难以实现短距离、高带宽通信。综观整个水声通信的发展历程，就是不断地与这些干扰相抗争的过程。例如：根据不同的干扰特点，选择抗干扰能力强的编（解）码方法和调制方式；采用各种抑制干扰的技术；采用分集的办法来抵抗衰落；采用均衡技术抵消信道缺陷引起的畸变；采用自适应技术来适应信道特性的变化以及增加功率等。水声通信在几KHz到几十KHz的带宽下，可以实现1-2000公里距离的通信，在小于1公里范围的短距离通信中，水声通信在几十KHz带宽下，数据传输速率可达100kbps，带宽效率可达几个bits/sec/Hz。 2水下无线通信网络安全关键技术研究 研制低成本、高能效、高可靠性、高安全性的水下无线通信网络对于海洋环境监控、海洋资源开发等研究领域具有重要的理论意义和经济价值。由于受自身特性限制和水声通信环境制约，水下无线通信网络面临各种威胁和攻击，然而现有的水下通信研究多以节省能耗、延长网络寿命为出发点，忽视了潜在的安全问题。因此，研究现有水下无线通信技术存在的安全隐患，针对其面临的安全威胁和安全需求，设计适用于水下无线通信网络的安全技术和安全体系，具有重要的意义。本文对水下无线通信网络的若干安全关键技术进行了研究，并提出了一种适用于水下无线通信网络的安全体系。 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)最早可以追溯到20 世纪末，它以其低成本、低能耗、自组织和分布式的特点为网络带来了一场信息感知的变革。无线传感器网络在城市管理、环境监测、军事国防、生物医疗等领域都表现出了很好的应用前景。在国际上它被认为是继互联网之后的第二大网络，被评为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之首。无线传感器网络具有规模大、自组织、动态性、鲁棒性、应用相关、以数据为中心等特性，能更真实有效的获取客观的物理信息，并将其与现代传输网络紧密结合在一起，因此不断受到越来越多国家学术界和工业界的高度重视和密切关注。 海洋以其70%的地球覆盖率逐渐受到世界各国的重视，海洋的开发与发展被认为是人类生存和不断发展的必经之路。随着无线传感器网络的发展成熟以及各国对海洋权益的日益重视，水下传感器网络以其低成本、高可靠特征逐渐受到世界各国学术界的关注，成为21 世纪一个新的研究热点。水下传感器网络通过部署在指定海域的具有自组织能力的传感器节点获取所需的各种海洋监测信息，然后对其进行一定的处理之后传输给基站，最后经由卫星送达用户。水下传感器网络的应用涵盖多个领域，包括水下开发、灾难预警、水下环境监测、数据收集、辅助导航、海底军事等。 水下传感器网络部署在极为复杂的水下环境中，而无线电波在海水中的衰减十分严重，因此以声波作为信息载体的水声通信成为水下传感器网络的主要通信方式。这也使得水下传感器网络具备许多不同于陆上传感器网络的特性。首先，大多数陆上传感器节点都是静止不动的，而水下传感器节点则随着海水的运动不断移动，通常一个传感器节点每秒随水流移动2-3米；其次，水下传感器节点与陆上传感器节点的能耗不同，一些重要的水下应用需要大量数据，这使得水下传感器节点的体积偏大，对于水下传感器来说电池的更换工作是很困难的，从海底取回节点耗时耗力；第三，水下信道带宽低、数据传输率低，尽管水声通信根据带宽和通信范围分为多个类别，但在短期内，其数据传输率在1km距离内很难超过40kb/s。这些都为水下传感器网络的研究和发展带来了新的挑战。
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X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 puter 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 prehensive description of the development process of the wireless sensor network,the status of the research areas and a number of factors affecting the application of the sensor. keywords:wireless sensor networks;sensor nodes;limiting factor 一、无线传感器网络的技术起源以及特点
基于无线传感网络的技术分析及实际应用案例集锦 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。无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。本文为您分析关于无线传感网络的一些技术问题，并介绍了几例基于无线传感网络的实际应用案例。 面向无线传感网络的构件化开发方法 基于构件化的软件开发方法是一种可以提供软件复用性的开发方法。构件是用于进行软件开发、复用和软件组装的基本单元。在面向构件的技术里，一个应用软件不是通过大量的代码来描述，而是通过数量有限的构件来描述，构件化的嵌入式软件是由一组软件构件构成的，这些构件的一个或者几个组合成一个完整的应用；而且新的应用也可以使用已有构件，从而提高软件复用性。 无线传感网络时间同步研究进展与分析 保持节点之间时间上的同步在无线传感器网络中非常重要，它是保证数据可靠传输的前提。典型时间同步算法，主要可以分为以下几类：基于发送者—接收者的双向同步算法，典型算法如TPSN算法；基于发送者—接收者的单向时间同步算法，典型算法如FTSP算法、DMTS算法；基于接收者—接收者的同步算法，典型算法有RBS算法。 无线传感网中一种基于即时信息的TDMA方案 根据无线传感网在网络性能方面的要求，针对现有无线传感网协议在节点能耗和时延方面的不足，提出了一种IM-TDMA方案，根据节点流量的变化，动态地调节帧长，提高信道利用率；同时采用计数器管理及续传优先的调度方式，简化了调度复杂度，降低了节点能耗。仿真结果表明：IM-TDMA方案能有效地节约能耗。降低时延，可运用于实际无线传感网的MAC协议方案中。 两种异构CSMA／CA机制OSTS／BSTS无线传感网络公平性、实时性分析比较 本文根据火场监控应用的实际需要，针对传输火场环境下的温度及湿度这两个非均匀变量数据包到sink节点的无线传感器网络，提出两种实时性、公平性较高的无线传感器网络竞争CSMMCA机制OS TS／BSTS，分析非饱和无线传感器异构网络的实时性、公平性特征 并比较这两种机制的优缺点，以此提出参数优化方案并提高系统监控性能。 基于OMAP的无线传感网节点处理器的设计与实现 本文主要分析在设计较高处理及存储能力传感节点时，如何满足传感网节点低功耗和高处理能力间的平衡关系，并介绍基于OMAP处理器的节点处理器部分的实现方案。
摘要 空气品质对人的影响至关重要,利用传感器检测空气质量是当今流行的一种方法,本文介绍了传感器在空气质量检测方面的原理应用及监控系统的网络设计。 本系统采用无线传感器网络来实现数据的采集与发送。无线传感器网络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感知对象的信息，并发送给观察者。 本设计系统采用CC2430无线通信模块、温湿度传感器DHT90、空气质量传感器QS-01、电源模块构建无线传感器网络，通过RS－232串口和监控中心通信，使用软件开发平台IAR Embedded Workbench开发ZigBee协议栈，基于ZigBee的无线网络技术以低功耗、低成本、低复杂度等特点受到越来越多企业和个人的青睐。ZigBee技术特别适合于数据吞吐量小、网络建设投资少、网络安全要求较高、不便频繁更换电池或充电的场合。预计将在消费类电子设备、家庭智能化、工控、医用设备控制、农业自动化等领域获得广泛应用,利用ZigBee技术完成传感器节点和汇聚节点的应用程序，最终能够实现空气质量的监测。 关键字：无线传感器；cc2430；DTH90；zigbee技术；空气质量检测
ABSTRACT Air quality impact on people is very important, using sensors to detect air quality is now a popular method, this paper introduces the sensor in air quality testing principle, analyzes the advantages and disadvantages of gas sensor, and gas sensor development trend and prospects. The system uses wireless sensor networks to achieve data’s collection and transmission. Wireless sensor networks are composed of a large number of low-cost micro-sensor nodes which are deployed in the monitoring region, uses wireless communication means to form a multi-hop's self-organizing network, with the aim of perception, collection and processing of perceived target information in the network coverage region, and send them to observers. This system uses CC2430 wireless communication module ,temperature and humidity sensor DHT90, air quality sensor QS-01,power module to build wireless sensor networks, and uses RS－232 serial port to communicate with monitoring center .Use the software development platform IAR Embedded Workbench to develop ZigBee protocol stack.Based on the ZigBee wireless networking by low characteristics and so on power loss, low cost, low complexity receives more and more many enterprises and individual favor.The ZigBee technology suits specially in the data volume of goods handled small, the network construction invests few, the network security request is high, inconvenient replaces the battery or the charge situation frequently.The estimate in the expense class electronic installation, the family intellectualization, the labor will control, medical domains and so on device control, agricultural automation obtains the widespread application These can definitively achieve the purpose of air quality monitoring. Keywords:wireless sensor;CC2430;DTH90;ZigBee technology;air quality testing II
《无线传感器网络及应用》模拟题一参考答案 一、填空题（每小空为1分，总分20分） 1 移动Ad hoc网络无线传感器网络 2 无线电波红外线光波 3 物理位置符号位置 4 处理器单元无线传输单元传感器单元电源管理单元 5802.15.4 6传感器模块处理器模块无线通信模块 7低速率低价格低功耗 8已调信号调制信号 二、选择题（多项选择，每题2分，总分20分） 1 AD 2 AC 3 C 4 BCD 5 AC 6 BCD 7 D 8 ADA 9 D 10 BDA 三、概念题（每题5分总分20分） 1简述无线传感器网络系统工作过程 无线传感器网络(WSN)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，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户 2 CSMA/CA CSMA/CA机制是指在信号传输之前，发射机先侦听介质中是否有同信道载波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数据传输状态；若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。这种介质访问控制层的方案简化了实现自组织网络应用的过程。 3 ZigBee技术 ZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。ZigBee无线设备工作在公共频段上(全球2.4GHz、美国915MHz、欧洲868MHz)，传输距离为10～75m，具体数值取决于射频环境和特定应用条件下的输出功耗。ZigBee的通信速率在
2.4GHz时为250kbps，在915MHz时为40kbps，在868MHz时为20kbps。 4跳数 两个节点之间间隔的跳段总数，称为这两个节点间的跳数。 四、简答题（每题10分共20分） 1 无线传感器网络信息安全需求内容包括哪些？ ①数据的机密性——保证网络内传输的信息不被非法窃听。 ②数据鉴别——保证用户收到的信息来自己方节点而非入侵节点。 ③数据的完整性——保证数据在传输过程中没有被恶意篡改。 ④数据的实效性——保证数据在时效范围内被传输给用户。 2 目前无线传感器网络采用的主要传输介质有哪些？各有何特点？ 目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电、红外线和光波等。 ●无线通信的介质包括电磁波和声波。电磁波是最主要的无线通信介质，而声波一般仅 用于水下的无线通信。根据波长的不同，电磁波分为无线电波、微波、红外线、毫米波和光波等，其中无线电波在无线网络中使用最广泛。 ●无线电波是容易产生，可以传播很远，可以穿过建筑物，因而被广泛地用于室内或室 外的无线通信。无线电波是全方向传播信号的，它能向任意方向发送无线信号，所以发射方和接收方的装置在位置上不必要求很精确的对准。 五、详述问答题（总分20） 请列出十种以上的传感器，并说明其用途? 1 温度传感器感知室内温度，感知温室大棚内的温度 2 湿度传感器智能家居中，调节人体舒适度 3 震动传感器军事战场，感知周边敌情，包括人员，车辆 4 声响传感器军事战场，感知周边敌情，包括人员，车辆 5磁性传感器实现对携带武器的人和车辆的探测 6红外传感器战场上运动的人员或车辆感知，也可以用于野生动物探测。 7压力传感器军事战场，感知周边敌情，包括人员，车辆 8超声波距离传感器可以简单地估计出被测物体的距离 9微量气体传感器通过敌方车辆排出气体的气味和含量浓度来判断车辆种类和数量等 10MOS图像传感器利用光电器件的光—电转换功能，将其光面上的所成像转换为与光对应的电信号图像，用以观察战场上声像并存的敌方活动情况 11气体传感器对污染空气的检测 12摄像头传感器感知图像的变化
108 基于无线传感网络的移动机器人通信研究 彭 柳，方彦军 （武汉大学自动化系，湖北 武汉 430072） 【摘 要】文章对无线传感网络在机器人设计中的应用进行了研究，提出了一种基于Ad hoc网络的分布式无线令牌环协议的机器人通信系统实现方案，分析了其在机器人通信系统应用中的可行性。文中给出了基于无线传感网络的机器人通信系统的软硬件设计方案，并对其在移动机器人通信系统中的应用问题进行了探讨，最终提出了无线传感器网络应用于移动机器人通信系统的实现方法。 【关键词】无线传感网络；移动机器人；无线令牌环协议 【中图分类号】TN929.52 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2008)02-0108-03 Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｂｏｔｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ PENG Liu, FANG Yan-jun （Automatization Department, Wuhan University, Wuhan Hubei 430072, China） 【Abstract】In this paper the application of the wireless sensor networks in robot design is studied and a new mobile robots communication system based on Ad hoc networks and with distributed wireless token-ring protocol is proposed, and its feasibility is analyzed. This paper describes the implemetation of hardware and software design, which is based on the wireless sensor networks for communication system robots, then discusses the problems of the application on the communication system for mobile robots, finally advances the realization method of the wireless sensor networks applied in on the communication system for mobile robots. 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔｓ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｔｏｋｅｎ ｒｉｎｇ ｐｒｏｔｏｃｏｌ 2008年第02期，第41卷 通 信 技 术 Vol.41，No.02,2008总第194期 Communications Technology No.194,Totally 收稿日期：2007-09-12。 作者简介：彭 柳（1983-），女，硕士研究生，主要研究方向为机器人与网络控制；方彦军（1957-），男，教授，博士生导师，主要研究方向为 网络控制，智能仪器，嵌入式系统，过程控制。 0 引言 无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是由部属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，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域 [1-2] 。从2000年 起，各军事部门开展了一系列的研究工作，世界的一些知名机构陆续投入到这场抢占科研制高地的战役中 [3-4] ，中国 也在无线传感网络研究方面得到了一定的进步与发展[5-6] 。 文中提出在机器人上应用无线传感网络，解决多机器人协调与通信的问题。通过通讯系统，机器人可以传递外部或内部信息，完成诸如传感信息处理、路径规划等数据运算，同时还可以实现多个机器人之间的信息交互。考虑到机器人自规划、自组织、自适应能力强、所处地点不确定 的特点，基于无线传感网络的通信是实现自主机器人之间相互通信或者机器人与主控计算机之间通信的理想方式。 1 系统结构 每个机器人作为一个独立的部分时，为单个节点的执行系统，自身内部进行信息分析处理和控制，此部分由处理器、存储器构成，算法在内部集成。当多个自动机器人形成一个系统，各机器人之间可以协调通信时，在每个机器人上加入一个传感器模块，利用无线传感网络将节点联系起来，，形成一个局域无线传感网络。其结构如图1所示。在机器人协议上采用令牌环方式，每一时刻都有一个主控制机器人，其他为从机器人，服从主机器人的指令，直至令牌传递，更新主机器人。