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毕业设计
专业：电气自动化
班级学号：201103010108 学生：旭恒指
导教师：高立兵讲师
二〇一四年三月
有色冶金职业技术学院毕业设计
基于无线传感器在智能交通系统中的应用
Based on the wireless sensor in the application of
intelligent
transportation system
专业班级：电气自动化1101班
学生：旭恒指导教师：高立兵
讲师系别：机电工程系
2014 年 3 月
摘要
智能交通系统将信息技术、电子控制技术及网络技术等高新技术综合应用于运输管理体系。
ZigBee作为一种新兴的无线传感器网络，具有功耗低、成本低等特点。介绍了在小区域智能交通模拟平
台上使用无线传感器网络的实例，建立了信息发布／订阅和信号控制系统。重点介绍了系统的节点硬件、ZigBee协议的数据传输以及两个子系统的软件设计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。
本文主要介绍了利用HMC1021Z巨磁阻传感器以及LPC2138微处理器、射频模块组成的无线传感网络在智能交通中的应用，本文的研究容如下：首先查阅了国外文献了解课题研究背景、磁阻传感器的工作原理以及铁磁物质对周围磁场产生影响的原理，并了解相关微处理器的结构及功能。对整个系统的方案进行设计，通过进一步学习完善已有的设计方案。将设计方案转化为电路图，画出电路版图，投片，完成硬件平台的搭建。进行软件的编程，及硬件的调试。将软件和硬件结合到一起，进行模拟路况实验。本课题参照国外智能交通系统的设计以及磁阻传感器研究成果，设计了利用巨磁阻传感器及射频模块，微处理器构成的基于无线传感网络的智能交通系统，在设计过程中得到的主要成果如下：
1、利用HMC1021Z巨磁阻传感器，传感器电路中使用滤波电路使输出信号更加稳定，该电路中还使用运算放大器，可使芯片的输出电压信号放大以便在有铁磁物体经过传感器附近时输出供处理器使用的高电平信号，实际测得巨磁阻传感器可正常运行，并可较为精确的计算通过交通信号灯的车流量大小。
2、收发单元利用射频模块，将处理器处理后的信息传送到交通信号灯控制中心，以便在不同车流量情况下更好的控制交通信号灯。经试验测量后，射频模块工作状况良好，可精确传送经处理器处理过的信息。
3、通过使用LPC2138微处理器，控制巨磁阻传感器的数据采集和射频模
块的数据收发。它的最小封装和最低功耗，增加了系统的稳定性和可行性。在每
个无线节点中，巨磁阻传感器收集经过该节点的车流量信息，将其信号放大并经
A/D 转换器传输至LPC2138，经处理后将信息通过射频模块传输至主控节点。经
实验验证，使用该芯片可以精确的完成以上功能，验证了理论分析设计设计的正
确性。
4、该系统实现了集数据采集、处理，以及由交通信号灯显示控制结果等
基
本的功能于一体的传感器智能化设计，经过试验证明该系统具有可行性与稳定性。
5、提出了将所设计的传感器应用于智能交通系统中的方案。
关键词：无线传感器网络；智能交通系统；ZigBe；网络模型；路由技术
Abstract
Intelligent transportation system will be information technology, electronic control technology and network technology and other high and new technology comprehensive application in the transportation management system.
ZigBee as a new wireless sensor network (WSN), with low power consumption, low cost, etc. Introduces the intelligent transportation simulation flat in a small area
Platform using an instance of the wireless sensor network (WSN), established the information publish/subscribe and signal control system. Mainly introduced hardware, ZigBee protocol of nodes in the system of data transmission and the software design of two sub-systems according to the present China's intersection, traffic, traffic chaos phenomenon research a kind of control traffic lights intelligent transportation system based on wireless sensor.
This article mainly introduced the use of HMC1021Z giant magnetoresistance sensor and microprocessor LPC2138, rf modules of the application of wireless sensor network in intelligent transportation, this paper research content is as follows:
First consult literature at home and abroad to understand the topic research background, the working principle of magnetic resistance sensor and the principle of ferromagnetic material influence on the surrounding magnetic field, and to understand the structure and function of the microprocessor. The design scheme of the whole system, and through further study and improve the existing design. Draw the circuit diagram, design scheme can be converted to map, cast slice, complete the construction of the hardware platform. For software programming, and hardware debugging. The software and hardware together, simulated road experiment. This topic by reference to the design of the intelligent transportation system both at home and abroad and the magnetic resistance sensor research, design and the use of giant magnetoresistance sensor radio frequency module, a microprocessor based on wireless sensor network is composed of intelligent transportation system, in the design process of the main results were as follows:
https://www.doczj.com/doc/77309863.html,ing HMC1021Z giant magnetic resistance sensor, the sensor circuit
is used in filtering circuit make the output signal is more stable, the circuit is also used in the operational amplifier, can make the output voltage signal amplification of chip in order to have a
ferromagnetic objects pass near the sensor output for the processor using high level signal, the actual measured giant magnetoresistance sensor can run normally, and can be more accurate calculate the size of traffic through the traffic lights.
2.The transceiver unit using radio frequency module, after processing
the information sent to the traffic light control center, under
different traffic conditions in order to better control the traffic lights. After test measurements, rf modules work in good condition, can accurately convey information treated by the processor.
3.Through the use of micro processor LPC2138, control of the giant
magnetoresistance sensor data acquisition and rf module to send and receive data. Its smallest encapsulation and lowest power
consumption, increase the stability and feasibility of the system.
In each of the wireless nodes, giant magnetoresistance sensor after the node of traffic information collection, the signal amplification and A/D converter to the LPC2138, the processed to transmit
information through radio frequency module to the master node.
Verified by the experiment, the use of the chip can be accurate to complete the above function, theoretical analysis is verified the correctness of the design.
4.The system has realized the collection of data acquisition,
processing, and by the basic function such as traffic lights display control results in the integration of intelligent sensor design,
after tests showed that the system has the feasibility and stability.
5.Put forward the design scheme of sensor applied in intelligent
transportation system.
Key words: wireless sensor network (WSN); Intelligent transportation system; ZigBe; The network model; Routing technology
目录
1引
言 ................................................................. (1)
2正
文 ................................................................. (3)
2.1无线传感器网络关键技术与要
求 ...........................................................
(3)
2.2无线传感器的优
点 ...........................................................
(4)
2.3课题研究主要
容 ...........................................................
(4)
2.4无线传感网促进智能交通的发
展 ...........................................................
(7)
2.5城市轨道交通应用需求分
析 ...........................................................
(7)
2.6车辆运行状态监
测 ...........................................................
(9)
2.7车道空间占用率与拥堵期望
值 ...........................................................
(10)
2.8I TS 的无线传感
器 ...........................................................
(10)
2.8.1用于 ITS 的无线传感器网络构
建 .....................................................
10
2.8.2采用无线传感器网络进行交通信息采
集 (11)
2.8.3无线传感器网络在 ITS 中的应
用 .....................................................
12
2.9网络节
点 ...........................................................
(12)
2.9.1网络节点软件功能设
计 .....................................................
(12)
2.9.2网络节点硬件功能设
计 .....................................................
(13)
2.9.3基于 Atmel 的 AT86RF230 射频芯片和 AVR 单片机设计方
案 (14)
2.9.4基于 TI 的 CC2420 芯片和 ARM 单片机设计方
案 (14)
2.9.5节点设计其他考
虑 .....................................................
(15)
2.10交通信息采集传感器网
络 ...........................................................
(16)
2.10.1传感器网络数据融
合 .....................................................
(17)
2.10.2传感器网络拥塞控
制 .....................................................
(18)
3结
论 ................................................................. .. (20)
4发展前景与拓
展 ................................................................. . (24)
1、发展前
景 ............................................................
(24)
2、可拓展
性 ............................................................
(25)
5致 ................................................................. .. (27)
6参考文
献 ................................................................. (27)
1引言
随着微电子机械系统(MEMS)、计算机、通信、自动控制和人工智能等学科的发展，产生了一种新的网络技术一一无线传感器网络。无线传感器网络作为新兴的测控网络技术，是能够自主实现数据的采集、融合和传输等应用的智能网络应用系统。无线传感器网络使逻辑上的信息世界与真实的物理世界紧密结合，从而真正实现“无处不在”的计算模式，最终将成为人类生产和生活不可分割的一部分
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。在我国交通阻塞已经成为阻碍国民经济发展的瓶颈，在美国等发达国家也是如此，许多国家都致力于智能交通系统(ITS)的研究和开发，以期从根本上解决这个问题，当前的交通传感系统是由录像、声纳、雷达等电子设备组成，需要稳定的电源供应，对这些设备本身及配套电源网络需要大量的投资，虽然传统的交通传感系统也能提供精确的、实时的交通信息，但我们介绍的公路交通无线传感器非常小，造价极低(约合30美元)，这些传感器使用电磁感应技术测量车速，它们也能检测冰雪扬尘等路况信息，每一个区域的传感器发送数据到300m以外的接收器中，通过这个接收器的信息中转到处理站中。每个感应器节点消耗非常小的能量，只配备一小块嵌式锂电池可使节点使用1O年以上。与传统的感应系统相比，无线传感器形成的网络更具商业价值。
无线传感器网络技术作为一种新兴技术，在国城市轨道交通领域中的应用研究是一个极佳的结合点，富有创新意义且具有极其广阔的应用前景。与传统的总线技术传感器网络的应用不同，智能化水平很高的无线传感器网络的应用使节点的使用和布置围更加灵活，而且无线技术较之于传统的现场总线技术可以大大降低成本，应用在城市轨道交通这样的领域具有不可替代的优势。
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。
2正文
2.1 无线传感器网络关键技术与要求
无线传感器网络(WSN)目前的主要关键技术包括下述l0项。
（1)安全问题：密钥管理；身份认证；攻防技术。
（2)定位技术：GPS定位；集中定位方式；分布定位方式。
（3)拓补结构：基于簇的网；网状网；链状网。
（4)数据融合：根据融合前后数据信息量有无改变可分为无损融合，有损融合；根据融合级别可分为像素级融合，特征级融合，决策级融合；根据网络拓补结构可分为简单树型网融合，簇型网融合，族一树型网融合。
（5)MAC(媒体挤入控制)层协议：目标是创建网
（6)路由算法：有Flooding算法；SPIN算法；SAR算法；定向扩散算法等。
（7)自组织：层次结构方式管理，对等管理方案。
（8)能源感知计算：目的是最大化系统生命期。
（9)操作系统：满足WSN特殊需要，高效地利用有限硬件资源服务应用软
件。
（10)跨层设计：层间信息交换满足全局性需要，通过全局性优化提高网络性能。
在上述关键技术基础上，针对WSN的具体应用与实施的经济效益性，提出下述两方面要求：
1)技术要求——服务种类(地理区域的组织，时间的规划，高性能的人机服
务界面)，服务质量(以任务的关键性为中心)，容错特性，生命周期(帕拉脱最优)，可扩展性，可编程(节点支持程序的直接写入)，可维护性(外部维护)，拓扑结构的完整性(拓扑网络实时重连，几何结构盲区的消除)等。
2)机制要求——多跳无线通信机制，能量有效机制，自组织、自设置机制(节
点可定位、自组织，参数自调节)，网合作和处理机制，数据为中心(数据
库)，本地化(集群或者分层处理)，均衡机制等。
2.2 无线传感器的优点
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种融合无线通讯技术、微电子传感器、嵌入式系统的新技术，可以为智能交通系统的信息采集和传输提供一种有效手段，用来监测路口各个方向上的车流量、车速等信息。在无线传感器网络结构中，安装道路两旁的传感器节点组成一个自组织的多跳Mesh网，每个节点都采集交通信息，最终的数据将被汇聚到网关节点上。网关节点利用3G 网络将所采集到的数据发送到控制中心。与上述传统装置相比，无线传感器网络用于构建交通信息系统具有以下优点：
(1)其无线自组、泛在协同的特点使系统布设和维护十分方便，便于提高交通信息采集系统的可扩展性；
(2)用户可以与传感器网络进行信息交互，可以进行数据查询、空中编程、节点健康监测等，极方便用户的使用，减少维护成本；
(3)规模的分布式监测和协同计算技术在能力上优于传统的单点或局部监测技术。
无线传感器网络具备优良特性，可以为智能交通系统的信息采集提供一种有效手段，作为现有技术的补充，无线传感器网络部署和维护方便，特别适合于部署在有线传输不能覆盖的路段。
2.3 课题研究主要容
智能交通系统(Intelligent Transportation System ，简称 ITS) 是利用尖端的电子信息技术，形成行人、公路和车辆三位一体的新公路交通系统的总称。
我国现有的交通控制系统，相对于国外的发展具有较大的差距，这种落后的控制方式已经无法满足当前的交通运输的压力。目前，我国的智能交通系统对车辆的检测大多采用环形线圈探测器、微波探测器、超声波和视频探测器等。从性价比角度考虑，环形线圈探测器其技术成熟，检测精度高，可全天候的工作，但是安装时候需要切割地面，影响路面的寿命，目前主要应用在停车场。超声波和微波容易受到天气和障碍物的影响，造成误检。视频探测是目前应用较多的检测方式，适用于城市交叉路口的交通控制，但易受恶劣气候的影响，夜间要求有路灯照明。上述的交通控制系统普遍价格比较昂贵，需要有线的方式进行检测，只能够提供单一的十字路口的交通控制。虽然汽车由于型号不同而具有不同的结构，但各类汽车中均含有大量的铁磁物质，尤其是汽车底盘均用铁磁材料制造而成。汽车在行驶过程中会对周围的地磁场产生影响，有些汽车甚至可以影响到十几米以外的地球磁场。将磁敏传感器置于道路两侧或路基之下的适当位置处便可感应到地磁场的变化，通过磁敏器件的输出信号可以判断出车辆通过的情况，从而实现对车流量进行监测。因此本系统根据上述系统的弊端，提出了一种新的控制方式，采用无线传感器网络结合巨磁阻传感器来完成交通的智能控制，相临十字交叉路口处的无线传感器汇聚节点之间能够进行通信，提供了相对较多的数据冗余信息。无线传感器网络作为新兴的测控网络技术 ,是能够自主实现数据的采集、融合和传输等应用的智能网络应用系统。无线传感器网络使逻辑上的信息世界与真实的物理世界紧密结合,从而真正实现“无处不在”的计算模式，而且该系统具有体积小、成本低、便于安装的优点，能够全天候的工作，便于在交通部门进行推广和普及。
本系统选用灵敏度较高的巨磁阻传感器来完成对行驶车辆的检测。系统的频率选择在2.4Ghz工作频段，该频段相对于433Mhz、868Mhz、915Mhz具有较宽的工作频带和较快的信号传输速率。整套系统支持ZigBee协议，具有数据较验和冲突检测的功能。该系统主要由无线传感器节点和无线传感器汇聚节点组成。无线传感器节点是整套系统的基本组成部分，节点是整个系统的基本组成单元，节点电路的基本组成框图如图１所示：
图1 无线传感器节点的基本组成框图
整个系统由微处理器、传感器单元、收发单元及供电单元组成。微处理器使 用 LPC2138，它是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的 32/16 位 ARM7TDMI-S CPU 的微控制器，并嵌32/64/128/256/512kB 的高速Flash 存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行，对代码规模有严格控制的应用它具有高性能和低功耗的特性，指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单的多。传感器为磁阻传感器，由两个相距5-10 cm 的磁阻传感器，当有车辆通过时，传感器周围的地磁场发生变化，变化的磁场信号经过信号放大后经过A/D 转换器后送入微处理器，处理器便立即启用定时器记录下车辆通过的时刻，然后开始采集后端传感器的输出信号，当检测到车辆后计时器停止计时。重新开始车辆的计数工作，检测下一辆车，系统采用两个传感器能够判断车辆行驶的方向。检测后的信息经处理后发送至收发单元，收发单元将检信号发送给无线传感器汇聚节点。整套系统的设计原理框图如图２所示：
图2 无线传感器网络智能交通控制原理框图
微处理器 模块 收发芯片 射频天线
A / D 转换 模块 系统供电和电源管理模块 调试与测试接口
巨磁阻 传感器 １
巨磁阻 传感器 ２ 扩展接口
安装在道路边的无线传感器节点实时的检测检测车道上行经的车辆，并能够由远离信号灯的无线传感器节点实时的检测停留在车道上的排对车辆长度，传感器节点将监测到的信息实时的发送给无线传感器汇聚节点。汇聚节点根据道路两边布置的传感器发送来的信息。以路面的实际车辆长度为输入量，输出量为实际控制延长的绿灯时间，最终实现平面交叉口信号灯的控制。收发单元则使用射频模块，在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波频率低于 100khz 时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于 100khz 时，电磁波可以在空气中传播。射频则指具有远距离传输能力的高频电磁波，射频模块则是基于射频技术的可进行远距离传输的硬件设备。
2.4 无线传感网促进智能交通的发展
智能交通系统(ITS)应用在城市交通中主要体现在微观的交通信息采集、交通控制和诱导等方面，通过提高对交通信息的有效使用和管理来提高交通系统的效率，主要是由信息采集输入、策略控制、输出执行、各子系统间数据传输与通信等子系统组成。信息采集子系统通过传感器采集车辆和路面信息，策略控制子系统根据设定的目标(如通行量最大、或平均候车时间最短等)运用计算方法(例如模糊控制、遗传算法等)计算出最佳方案，并输出控制信号给执行子系统(一般是交通信号控制器)，以引导和控制车辆的通行，达到预设的目标。
无线传感器网络是一种融合短程无线通讯技术、微电子传感器、嵌入式系统的新技术，逐渐被用于智能交通系统等需要数据采集与检测的相关领域。基于IEEE 802.15.4规的ZigBee技术，具备以下良好特性：
（1）功耗低，2节普通5号电池可支持一个节点工作6~24个月；
（2）组网能力强，网络最多可达个节点，并支持树状、星状、网状等多种组网方式；
（3）传输距离远，两节点室外传输距离可达几百米，在增加发射功率后可达几千米；
（4）可靠性高，具备多级安全模式；
（5）成本低，开放的简化ZigBee协议栈，工作在2.4GHz免执照的ISM频段。
无线传感器网络具备优良特性，可以为智能交通系统的信息采集提供一种有
效手段，可以监测路口各个方向上的车辆，根据监测结果，改进简化、改进信号
控制算法，提高交通效率。无线传感器网络可以应用于执行子系统中的控制子系
统和引导子系统等方面。例如可以应用该技术改进信号控制器，实现智能公交系
统的公交优先功能。
2.5 城市轨道交通应用需求分析
轨道交通的运输生产、组织是一个高可靠性的复杂系统，同时也是一个规模
庞大、专业分工很细的系统，需要各个方面协调一致工作。其中，监控系统是整
个系统安全与高效运行的“视听中心”。整个系统运行状态及各个运行环节的第一
手资料的获取就依靠监控系统。但是，各个专业系统有自己的管理和技术体系，
有各自的目标和发展规划。同时，针对每套系统都有相对应的监管系统。这样的
系统，在一定程度上可以发挥专业分工的好处，在管理中也起到了很大的作用。
但从整体来看，各个监管系统之间的相互联系比较松散，横向协调不畅，造成各
个专业系统在监管上不能与整个城市轨道交通的建设、管理、运营总体目标相一
致。尤其是随着各个专业系统的建设发展，各自需求的传感监控设备日益增多，
造成了大量通信带宽和能量的浪费。为了更好地对各专业系统进行监管，有效地
发挥城市轨道交通的总体运输能力，取得更好的经济和社会效益，需要将各专业
监管系统组成一个相互联系、资源共享、统一协调的整体，也就是通过WSN技术
建立城市轨道自组织网络监测和控制系统。自组织网络技术突破了原来传统的集
中式、分布式的c／s(客户／月艮务器)结构，建立了全新的系统模式。在这一系
统中，所有的单元(子系统)都是独立平等的，它们之间不存在任何隶属关系。各
个单元都能独立完成各自的任务而不受其他单元的干预，同时各个单元之间也能
协调工作来实现整个系统的运行。这就是自律分散系统的两大特性：自律可控性
和自律可协调性。实现这一系统模型的关键概念是数据域和广播的通信方式。系
统中的每个单元都主动地向数据域广播其部处理信息，同时根据各自的需求从数
据域中接收信息。各个子系统都只同数据域打交道，它们相互之间没有直接的耦
合关系。这就较好地保证了在线扩展、在线维护及容错。轨道交通监控系统的体系结构设计与开发，是用先进的计算机网络技术将相关监控子系统互联后建立综合监控系统；由各子系统获取各类事故和灾害监测的原始信息，并经初步分析，或直接将安全信息传送至相关安全监测指挥调度中心。管理部门根据故障或是灾害的性质和级别，对运行中的列车采取措施，或采取特殊行车组织方法。紧急情况发生时，安全保障信息系统为综合维修和救援部门提供相关信息，使其尽快排除故障。目前城市轨道交通系统各专业均有自成体系的监控系统，根据其功能可简单分为：FAS(防灾报警系统)、TSIS(行车安全监测系统)、SCADA(监控和数据采集系统)、BAS(环境监测系统)。它们分布在城市轨道交通沿线、车站和调车场等地方，利用各类通信网络，将有关信息送至控制中心。WSN在轨道交通中的具体应用前景和需求
2.6 车辆运行状态监测
要保证列车安全、快速、高效地运行，必须有一个完整、相对独立的诊断系统。列车故障诊断系统是城市轨道交通行车安全保障体系的重要组成部分，可提高列车运营安全性及车辆利用率，还可优化运行管理。我国的列车故障诊断技术仍处于探索研究阶段。在SS4B、SS8型电力机车上我国自主开发了具有监测、记录和显示功能的故障诊断系统，但还是一种以继电保护为基础的故障诊断系统，而且没有把诊断对象看成一个有机的整体，也未能有效地考虑多故障同时发生和各种故障之问可能存在的相互联系及影响。目前正在探索数据融合技术在列车故障诊断系统中的应用，使各独立的故障形成一个整体，以提高整个系统的容错性、鲁棒性、可靠性。TSIS是ATC(列车自动控制系统)的主要组成部分。TSIS主要包括列车识别与跟踪、列车轨道态监测系统、轨旁信号设备监测系统、列车防护系统和列车设备安全监测系统。各个系统功能如下。
（1)列车车次号自动识别与自动追踪：根据当日列车计划运行时刻表确定的列车车次号，车地信号交流后系统完成列车自动识别。根据列车在线运行的位置、进路状态等信息实现全线列车的自动追踪运行，列车车次号显示及列车进人、驶出管辖区的车次号自动移位。
（2)列车运行轨道状态监测系统：根据传感器和监控设备监测轨道上是否有阻碍列车正常运行的隐患，包括轨道上是否有异物、道岔是否到位，以及根据电流和电压判断轨道电路是否正常。
（3)轨旁信号设备监测系统：轨旁设备包括信号灯、为ATC服务的地面设备(包括应答器、轨问电缆和道岔设备的交流电机)等。轨旁设备是实现自动驾驶的基本保障，因此必须保证其完整性。监测系统对管辖区的各种信号设备的工作状态进行监视和监测。信号设备一旦检测到故障信息，立即传送至控制中心，并在相关调度员工作站或维修工作站上给出报警及故障源提示，并对故障发生的地点、时问、容进行记录。行车调度员应确认故障状态、故障恢复情况及时问。
（4)列车防护系统：主要是为工作人员提供列车靠近时告警信息。当在线路上进行施工或维修时，需设置安全防护带。列车接近安全防护带时，报警装置将发出尖锐的报警声音，同时向列车控制中心传递信息，告知前方有工作人员，避免出现运行事故。
2.7 车道空间占用率与拥堵期望值
设城市共有n条车道，双向车道独立对待，多车道换算成单车道，车道与交叉道El按安置传感器网络．汇聚节点将检测到驶入和驶出每一车道的车辆的车长、数量和速度等信号，无线接入互联网，传送到交通控制中心，通过模式识别和计数，算出每条车道上实时的车辆数，通过调用路网数据库信息，算出每个路段的空间占用率SOC(space occupan，cy)¨，比较SOC的拥堵参数，通过信息发布，发出路段拥堵信息，供出行者参考．此外，根据实时的SOC参数，给出各个路段的车速参数，当接到需要推荐最佳行车线路的请求时，计算离目的地最近的3条参考路线的行车时间，供需求者参考．具体计算模型如下，设：d (i=1，2，?，n)为城市第i条车道的长度；bi(￡)(i：l，2，?， )为在t时刻城市第i条车道上的实时的车辆数； (r=1，2，?，b (t))为车道i上每一车辆的车长；At 为采样时间；；p ( )为在时间△驶入车道i上的车辆数；L ( =1，2，?，P (△f)) 为驶入车道i各车的长度；q (△f)为在时间驶出车道i上的车辆数；L (k=1，2，?，q ( ))为驶出车道i各车的长度，那么在t时刻第i条车道上的
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
什么是无线传感器，无线传感器的应用，无线传感器的工作原理什么是无线传感器？无线传感器的组成模块封装在一个外壳内，在工作时它将由电池或振动发电机提供电源，构成无线传感器网络节点，由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微型节点，通过自组织的方式构成网络。 它可以采集设备的数字信号通过无线传感器网络传输到监控中心的无线网关，直接送入计算机，进行分析处理。如果需要，无线传感器也可以实时传输采集的整个时间历程信号。 监控中心也可以通过网关把控制、参数设置等信息无线传输给节点。数据调理采集处理模块把传感器输出的微弱信号经过放大，滤波等调理电路后，送到模数转换器，转变为数字信号，送到主处理器进行数字信号处理，计算出传感器的有效值，位移值等。 无线传感器的工作原理：WSN一般都包括一台主机或者网关，其通过一个无线电通信链路与大量无线传感器进行通信。数据收集工作在无线传感器节点完成，被压缩后，直接传输给网关，或者如果有要求，也可以利用其他无线传感器节点来将数据传递给网关。 之后，网关保证该数据是系统的输入数据。 每个无线传感器都被看作一个节点，拥有无线通信能力，同时还具有一定的信号处理与网络数据的智能。 根据应用的类型，每个节点都可以有一个指定的地址。下图显示了某个节点的通用结构图。它一般会包括一个传感装置、一个数据处理微控制器，以及一个无线连接RF模块。根据不同的网络定义，RF模块可以起到一个简单发射器或者收发器（TX/RX）的作用。 进行节点设计时，注意电流消耗和处理能力非常的重要。微控制器的内存非常依赖于所使用的软件栈。 无线传感器的在哪些方面广泛应用：传感器节点可以连续不断地进行数据采集、事件检测、事件标识、位置监测和节点控制，传感器节点的这些特性和无线连接方式使得无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑
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。
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
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 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
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 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 2012年第08 期 0.引言 随着传感器技术、微电子技术、嵌入式计算技术和通信技术等几种技术的融合和汇聚，具有感知信息、数据处理、存储和通信能力的微型传感器被应用于国防军事、工业生产、环境监测等多个领域。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks ,WSN)是由一组稠密布置的微型传感器组成的无线自组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域内感知对象的信息，并发布给观察者。相对于有线传感器网络而言，无线传感器网络具有成本低、应用灵活、部署快速等优点，具有很大的应用空间。无线传感器网络已在军事、安全、环境、工业、交通、健康和家居等领域，有着广泛的应用。 1.无线传感器网络的体系结构及特点 1.1无线传感器网络的结构 无线传感器网络由大量集传感与驱动控制、计算存储、通信于一 体的的嵌入式传感器节点构成。这些传感器节点通常包括传感器节点、网络协调器节点和应用管理器节点。应用时，传感器节点分布在不同的角落，采集节点周边的温度、湿度、光强度、噪声、压力、速度等物理信息，各传感器节点将采集到的信息发送给特定的对象。图1为无线传感器网络的结构。 图1无线传感器网络结构 传感器节点具有信息采集和处理的能力，是由传感器模块、数据处理模块和无线通信模块组成的微系统。传感器模块负责采集外界环境的物理信息并将物理信号转换为数字信号；数据处理模块对数字信号进行编码等处理；无线通信模块负责将信息传送到网络中。传感器节点实质是以自组织的形式构成无线网络。网络协调器节点具有信息处理能力和网络管理能力，实现传感器节点与应用管理器节点之间信息的交换。应用管理器节点是用户于传感器网络的接口。用户通过应用管理器节点实现处理无线传感器网络采集到的信息和向无线传感器网络发布应用指令的交互。 1.2无线传感器的特点 无线传感器网络能够得到广泛的应用，因其具有以下特点：1.2.1节点规模大、节点体积小 无线传感器网络中传感器节点密度高，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。体积小是无线传感器网络节点一个重要特点，也是实现大量部署的内在要求。 1.2.2自组织 无线传感器网络根据组网机制和网络协议自动对网络进行配置和管理，传感器节点有自组织能力，能够自动形成无线通信系统不需要固定的基础设施作为网络枢纽。 1.2.3能适应复杂环境 传感器网络主要分布在各种条件恶劣的环境，如军事边界或者一 些人员难以进入地区。同时，节点容易受高山、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。 1.2.4部署容易且成本低 只需要在目标区域进行随机部署，不需要指定特定的位置。相对于有线网络传输，无线网络传输降低了各种成本。 1.2.5可靠性高 无线传感器节点资源有限，其生命周期主要取决于电池。对无线传感器节点进行维护、回收和替换的可能性很小。因此，无线传感器网络要具有信息传输的高度可靠性和对节点失效的高度容错性。 2.无线传感器网络的应用 2.1军事建设 无线传感器网络以其快速布署、自组织和容错等特点，成为军事通信控制系统的重要组成部分，可用于兵力、装备弹药和物资的监控，阵地和敌情的侦查，战场的监视，生物化学攻击的判断、目标的指示，战损的评估等。 2.2工农业生产 通过传感器监测设备的震动、润滑和磨损情况，可以迅速得到设备的健康状态;通过在生产线上布署传感器网络，可以方便的实现在线质量控制。无线传感器网络为提高设备性能、提升产品质量、降低成本，提供了一种很好的技术方案。 我国是一个农业大国，深化现代技术在农业中的应用，对推进我国农业生产产业化和现代化进程具有重要作用。将无线传感器网络技术应用于现代农业，可实现农业信息采集以及远程传输，为科学决策提供可靠依据。 2.3环境监测 在环境科学研究中，无线传感器网络为大规模野外数据采集和气候气象监测提供了便利，可用于跟踪候鸟、小型动物和昆虫的迁徙地球探测，林火和洪水监测等。如美国Berkley 等单位在美国缅因州的GreatDuck 岛对海燕栖息地的生态环境监测；肯尼亚MPala 研究中心对大规模野生动物(野马，斑马等)的栖息地进行考察研究；挪威对冰河观测以了解地球气候的变化。 2.4安全监控 通过在监控藏所部署无线传感器网络，利用场所附近的声音、震动、光、温度等物理信息的变化，了解被监控对象的状态，来防止非法入侵、安全事故等。目前应用较多的是煤矿、电站、通信枢纽、行政中心等。如实时监控煤矿井下环境来进行灾害预警，实时监控井下人员和设备的位置来对其进行资源调度，并为灾后的辅助救援提供支持。 2.5智能交通 将无线传感器网络应用到智能交通系统，作为它的一个信息采集和通信子系统。这个子系统充分利用了无线传感网络覆盖范围广、灵活性好和易于大规模部署等特点，来采集全路段的车辆和路面信息。相对于有线交通信息采集通信系统而言，大幅度地降低现有交通监控网络的成本。通过车载和道路传感器的配合，驾驶者和交通控制人员可以实时地了解路况和交通信息。布置于道路上的速度识别传感器，可以监测交通流量等信息，为出行者提供信息服务，并且在发现违章时能及时报警和记录。（下转第143页） 无线传感器网络的应用 孙跃 （华北电力大学中国北京 102206） 【摘要】无线传感器网络作为目前最有前途的新技术之一，受到了学术界众多科研人员的关注，成为了当今科学研究的一个热门课题。文章介绍了无线传感器网络的内涵和体系结构，分析了无线传感器网络的特点，阐述了无线传感器网络的应用领域。 【关键词】无线传感器网络;特点;应用 作者简介：孙跃（1990—），男，北京人，本科学历，主要研究方向为通信工程 。 ◇高教论述◇ 《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/77309863.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 1-2.什么是无线传感器网络? 无线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。目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息,并报告给用户。 1-4.图示说明无线传感器网络的系统架构。 1-5.传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别是什么? (1)传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块电源模块和嵌入式软件系统 (2)传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。另外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。 1-8.传感器网络的体系结构包括哪些部分?各部分的功能分别是什么? (1)网络通信协议：类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系。它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。 (2)网络管理平台：主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理。包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。 (3)应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。 1-9.传感器网络的结构有哪些类型?分别说明各种网络结构的特征及优缺点。 （1）根据结点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。如果网络的规模较小，一般采用平 面结构；如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。 （2）平面结构： 特征：平面结构的网络比较简单，所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。 优点：源结点和目的结点之间一般存在多条路径，网络负荷由这些路径共同承担。一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。 缺点：①影响网络数据的传输速率，甚至造成网络崩溃。②整个系统宏观上会损耗巨大能量。③可扩充性差，需要大量控制消息。 分级结构： 特征：传感器网络被划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。簇头结点负责簇间数据的转发，簇成员只负责数据的采集。 优点：①大大减少了网络中路由控制信息的数量，具有很好的可扩充性。②簇头可以随时选举产生，具有很强的抗毁性。 缺点：簇头的能量消耗较大，很难进人休眠状态。 1-13.讨论无线传感器网络在实际生活中有哪些潜在的应用。 (1)用在智能家具系统中，将传感器嵌入家具和家电中，使其与执行单元组成无线网络，与因特网连接在一起。 (2)用在智能医疗中，将传感器嵌入医疗设备中，使其能接入因特网，将患者数据传送至医生终端。 (3)用在只能交通中，运用无线传感器监测路面、车流等情况。 2-2.传感器由哪些部分组成?各部分的功能是什么? 2-5.集成传感器的特点是什么? 体积小、重量轻、功能强、性能好。 2-7.传感器的一般特性包括哪些指标? 灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、重复性、漂移、精度、分辨（力）、迟滞。 2-15.如何进行传感器的正确选型？ 1.测量对象与环境：分析被测量的特点和传感器的使用条件选择何种原理的传感器。 2.灵敏度：选择较高信噪比的传感器，并选择适合的灵敏度方向。 3.频率响应特性:根据信号的特点选择相应的传感器响应频率，以及延时短的传感器。 4.线性范围：传感器种类确定后观察其量程是否满足要求，并且选择误差小的传感器。 5.稳定性：根据使用环境选择何时的传感器或采用适当的措施减小环境影响，尽量选择稳定性好的传感器。 6.精度：选择满足要求的，相对便宜的传感器。 2-17.简述磁阻传感器探测运动车辆的原理。 磁阻传感器在探测磁场的通知探测获得车轮速度、磁迹、车辆出现和运动方向等。使用磁性传感器探测方向、角度或电流值，可以间接测定这些数值。因为这些属性变量必须对相应的磁场产生变化，一旦磁传感器检测出场强变化，则采用一些信号处理办法，将传感器信号转换成需要的参数值。 3-2.无线网络通信系统为什么要进行调制和解调?调制有哪些方法? （1）调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响。采用什基于无线传感网络的大型结构健康监测系统_尚盈
无线传感器网络技术的应用
无线传感器网络的应用
2013秋川大无线传感器网络及应用第一二次作业答案
无线传感器网络课后习题含答案
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