无线传感器网络在精细农业中的应用
罗娟，刘慧中，吕磊，李仁发
湖南大学计算机与通信学院, 湖南长沙（410082）
E-mail: juanluo@https://www.doczj.com/doc/9d7337798.html,
摘要：无线传感器网络(Wireless Sensor Network ,WSN)技术在精细农业（Precision Agriculture，PA）中存在着巨大的应用价值。然而当前无线传感器网络在精细农业中的应用都采用传统的客户/服务器模型，数据从源端发送到目的端，受精细农业中数据量大、并发性强、信号干扰强及传感器网络资源极端受限的影响，这种客户/服务器模型阻碍着传感器网络在精细农业中应用，导致了当前传感器网络大规模成功应用于精细农业的例子很少。本文提出了一种基于移动代理的传感器网络模型MAPA，通过将计算移到资料源处处理，避免大量农业中间资料的传输，从而延长了传感器网络寿命、促进了传感器网络在精细农业中的应用。
关键词：精细农业；无线传感器网络；移动代理
1.引言
随着人类对生态环境越来越多的关注，传统农业中化肥和农药对环境的负面影响也逐渐被人们所了解和关注。精细农业是上个世纪90 年代初最先由美国农业工作者倡导并实施的[1]，是现代农业发展的必然结果。其核心是利用新型的计算机、通讯和电子等信息技术，通过可变尺度的田块区别管理方式获得农业的基础信息，从而确定经济、合理的投入,最终达到经济、环境等方面最高回报的一种管理策略和技术体系。
精细农业实施的前提是获取大量的田间资料。尽管允许通过远程遥感技术（卫星和航空照片）等方式间接获取数据，但直接测量田间数据是最基本和必要的[3]。当前已存在一些便携的徒步数据采集工具和农业机器人，但大部分采集设备都被嵌入到农业机器上，通过机器在田间作业，如耕田、种植、施肥和收获等，获取田间资料。然而，由于机器使用次数有限，限制了数据采集的机会。因此在田间分布廉价的网络设备来采集数据一直是精细农业研究的方向。
无线传感器网络技术是20世纪初涌现的新型技术，集传感器、嵌入式计算及无线通信3大技术为一体，被认为是解决精细农业数据采集的一种好方案[4]。然而，受传感器网络资源有限及难于开发健壮的传感器网络应用系统的影响，其在精细农业中的成功应用很少[5]。撇开硬件与通信系统原因，本文着重分析了当前传感器网络的体系结构及其在精细农业应用中的缺陷，提出了一种新的基于移动代理的应用模型及其在精细农业中的可行的方案MAPA。
2.研究背景
2.1.WSN背景
传感器网络通常由随机部署在感知区域的大量资源受限的节点组成。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以随时对任意地点信息进行采集，处理和分析。这种以自组织形式构成的网络，通过多跳中继方式将数据传回sink 节点(接收发送器），最后借助sink链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理.
迄今为止，无线传感器网络主要硬件平台有伯克利大学的motes和Smart Dust、UCLA的WINS、NEST的Tmotes等。由于应用的不同，这些节点的组成略有不同，但都包括以下基本单元: 传感器单元(传感器及相关信号调理和数模转换等)、处理单元(CPU、内存、嵌入式操
作系统)、通信单元及电源(包括相关电源管理)[6]。此外定位系统、移动系统、执行机构、电源自供电装置及复杂信号处理(包括声音、图像、数据处理及信息融合) 即图中虚线所示, 可以根据不同的应用做出取舍。
图1 传感器节点组成
从应用角度考虑，传感器节点都具有体积小、廉价等特性，其处理能力、内存资源、通
信能力等都是极为有限的。另外，由于其通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中,节点能源无法替换,所以设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题. 文献[7,8]指出主机模块MCU7和无线收发模块占据电源消耗的绝大部分比重，其中收发模块比MCU耗能要多很多。发送一个字节（byte）消耗的能量约等于11000个MCU计算周期所消耗的能量，或是收发一位（bit）消耗的能量可以使MCU处理100条指令.因此设计有效的传感器网络模型，减少数据传输量及数据冗余度对无线传感器网络的实际应用有极大的意义。
2.2. WSN的精细农业应用
早在2002 年英特尔公司就率先在俄勒冈州建立了第一个无线葡萄园，为了确保葡萄可以健康生长, 进而获得大丰收，传感器节点被分布在葡萄园的每个角落,每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度和该区域的有害物的数量以确保葡萄可以健康生长。然而，目前WSN在精细农业中的成功应用仍很少。主要原因是WSN有限资源与精细农业需求之间的矛盾，具体体现在WSN有限的通信能力和存储资源不能满足精细农业中数据传输量的需求。因此如何增大传感器网络的吞吐量是解决WSN在精细农业中应用的关键。本文撇开硬件与通信系统，从当前WSN的应用模型入手，深入探讨WSN如何有效应用于精细农业。
WSN的精细农业应用模型，如图[2],节点周期性采集数据经中间节点转发给sink节点，Sink节点解包后将数据发给处理中心，处理中心通常运行了包括专家系统、决策支持系统及模拟系统等精细农业相关数据处理技术，处理中心分析数据并将结果显示出来，必要时还将通过控制控制设备来实施如灌溉、施肥等精细操作，或打开报警器。WSN在整个精细农业体系中承担数据采集的任务。
当前WSN的精细农业应用模型类似如传统的client/server模式，数据由源节点发送到目的节点进行处理。然而，该模式并不适合于精细农业。首先，在精细农业中,需要获取土壤水分、土壤养分、土壤压实、耕作层深度和作物病虫草害及作物苗情分布等信息, 其信息具有量大、动态、相关性强等特点；而WSN由于受硬件和经济因素的制约，其通信能力、带宽都是受限的，难以承受如此巨大的通信量。尽管当前提出了许多关于WSN资料融合的思想，但这都不足以从根本上解决精细需求的巨大数据量和WSN受限的吞吐量之间的矛盾。其次，精细的应用存在一定的季节性，需要WSN在不同的季节完成不同的任务，即要求WSN
配置多个应用。由于内存等资源的限制，WSN不能将所有任务都配置在节点上，因此需求网络具备动态编程功能。但是，这在当前
处
理
图2 当前WSN的精细农业应用模型
WSN模式中是难以完成的。第三，在精细农业中，由于农作物、杂草等对信号的干扰很强，因而WSN 节点的传输半径变得更小，因此，在精细农业中部署WSN要求节点的分布密度大，网络并发性增强，，网络失效次数增加。这将导致包传输次数增加，能量消耗过大，传感器网络寿命大大减少。而且，节点的分布密度大还使得节点数据重复性强，数据冗余度高，数据融合机制不易消除这种冗余。本文提出一种基于移动代理的WSN应用模型MAPA，相对于传统WSN模型，网络中传递的不仅是数据还有处理代码，通过将计算（处理代码）传送给数据源节点，在该源节点上进行相应处理后再将结果返回给sink节点，这将有效解决网络负载、带宽、时延和能量消耗问题。
3.MAPA模型
3.1.移动代理
移动代理(mobile agent)是一种由自主控制、能够代表用户或者其它程序来执行一定任务的智能软件程序，它根据一定条件，选择时刻和目的进行迁移，并在到达目的后继续执行，执行完毕后将结果返回给最初生成它的节点。
基于移动代理的网络模型，如图3，跟传统client/server模式相比是一种新的计算模式，网络中传递的不仅是数据还有代码；在基于移动代理的网络中不存在纯粹路由器或者交换机这样的中间节点，它的每一个节点都可以看成终端系统，都可以对流经其的包进行计算处理。图3是移动代理应用模型，sink节点通过移动代理方式挨个对目标区域的多个目标节点进行查询，将每个目标节点数据进行收集并处理，最后将结果返回终端用户。
图3 移动代理应用模型
3.2.基于移动代理的WSN的精细农业应用模型的优点
首先，通过将计算从目的端移动到数据源端，避免了大量数据在网络中传输，节省了网络带宽，减少了系统能量消耗，延长了网络寿命。其次，移动代理在移动过程中，对其访问的每个节点都会进行相应的数据融合和处理，从而最大限度的消除数据冗余。文献[9]提到，可以从节点层、任务层、联合任务层三方面消除数据冗余，减少网络数据量。第三，移动代理模型是一种“计算”模式，允许用户在任何时刻发送自定制的“程序”完成特定任务，解决了“一个配置多个应用”的问题。第四，移动Agent能轻易带着自身代码移动到目标机器上无需预先安装就能运行，可以很方便地实现负载平衡。第五，Agent的反应性使之能及时感知网络节点的失效，自主性又使之能自主地处理并修正错误，增强网络的健壮性和容错性。
3.3. MAPA系统实现
MAPA结构，如图4，在操作系统之上，系统需要移动代理执行环境来支持移动代理的运行，因此构建了一个中间件层,这也方便了应用程序的开发；同时，为消除冗余数据，中间件层还提供数据融合机制；MAPA应用层由许多不同类型的代理组成，每个代理完成一个特定任务，代理分散在整个网络中。整个系统最大的挑战是在资源受限的WSN中构建移动代理的执行环境，即中间件层的设计。中间件层应支持移动代理的配置、运行、协作等机制。
3.3.1.MAPA中间件结构
MAPA中间件结构，如图5，由代理管理器、代理引擎和元组空间组成。代理管理器包括代理仓库、代理上下文和代理操作集。代理仓库保存了节点当前所有的移动代理,包括系统预定义移动代理和接收的移动代理；代理上下文保存了节点上各个移动代理的执行环境、状态及其所需的数据；代理操作集是代理管理器与代理引擎之间的接口。代理引擎是MAPA 中间件的核心，控制节点上所有移动代理的执行过程，解释其所有指令。由于当前绝大部分传感器网络操作系统，如Tinyos[2]，不支持动态内存分配机制，而移动代理又需求动态内存分配机制，因此它还提供内存动态分配功能。另外，代理引擎还运行一个简单的时间片轮转(round-robin)调度器，控制每个移动代理最多可以运行的指令，将移动代理置于不同的状态，阻塞、就绪或运行态。代理引擎也负责代理的发送和接收工作。
元组空间是共享的内存池，如同装满了元组的容器，供节点上所有代理访问。元组空间
通常被用来实现代理间的通信和异步操作，提供store ， wit- hdraw ，find 等原语。
代理管理器、代理引擎和元组空间构成了移动代理的执行环境，应用程序只需封装其移动代理来执行任务；系统预定义的移动代理被用作提供一般性的系统服务。
图4 MAPA 结构 图5 MAPA 中间件结构
3.3.2. MAPA 移动代理的实现
移动代理由行为、事件、条件、资料组成，如图6。
图6 代理结构
行为描述了移动代理所需执行的任务，由于移动代理通常需要额外的参数来确定其实际执行的操作，因此行为可以被分成两部分，一部分用来保存代码，另一部分用来保存参数。事件定义了代理被触发的事件，允许为空。一个条件是一个简单的表达式，由代理引擎负责判定，也允许为空。当事件被触发时，代理引擎判断是否满足其定义好的条件，如果满足则进入就绪或运行状态。数据段也可分为两部分，一部分为代理本身的属性，如代理ID 、代理的移动路径，另一部分用于保存代理执行所需的数据。
3.3.3. MAPA 移动代理的调度及执行
代理引擎周期地检查代理仓库、判断移动代理的条件是否满足、移动代理事件是否被触发、查看是否存在被挂起的代理；若条件符合，代理引擎将调度这个移动代理执行特定任务；
否则，代理引擎将休眠；被调度执行的移动代理的执行时间是有限制的，最多允许执行8条指令。移动代理的生命周期被划分为四个状态：创建态、移动态、静止态和结束态。处于“静止态”的移动代理还可细分为阻塞、就绪或运行态，如图7所示，是移动代理状态切换图。正在执行的代理处于运行态；而代理条件满足以及代理事件被触发但未投入运行的代理为就绪态；代理条件不满足或事件未被触发的代理处于阻塞态。
图7 代理状态转换图
所有移动代理构成一个“权值”队列；处于阻塞态的权值为0；而就绪态的代理权值与其上次被调用的时间和代理类型有关。MAPA中，事件检测类型的代理权值高于监控类型的代理权值，上次运行时间越早的代理权值高于越晚的代理权值；代理总的权值是这两个因素迭加的结果。
3.3.
4.MAPA移动代理协作
移动代理被创建后，通常还需要接收命令、跟其它的代理通信、协作等。移动代理之间的协作模型可归为4类：客户/服务，面向会议，基于黑板，基于Linda 模型[10]。我们采用了基于Linda的协作模型。基于Linda 模型的协作双方通过元组空间实现了不同时空上的交互，这种协作方式本质上适合移动性和开放性的应用。元组空间是一个规则数据库中所有元组的集合。元组是构成元组空间的最小单位，是规则域(field)的集合，每个域都是由类型(type)、值(value)字段组成。type字段指定的是数据类型，如int，string等；value字段指定该域的数值。
4.结论
本文分析了无线传感器网络技术在精细农业中的应用前景及所存在的问题，提出了一种新的网络模型，通过引入移动代理技术，有效的解决了精细农业巨大数据传输量和传感器网络有限通信能力的矛盾，以及传感器网络配置多个应用等问题。无线传感器网络技术在精细农业中的应用价值已经逐步显示出来，但实际应用于精细农业还需进一步努力。
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Wireless Sensor Network Solutions for Precision Agriculture
Luo Juan, Liu Huizhong,Lv Lei, Li Renfa
School of Computer and Communication, Hunan University (410082)
Abstract
Wireless Sensor Network (WSN) technology has the potential to have impact on many aspects of Precision Agriculture (PA). However, current WSN applications in Precision Agriculture all adopt the traditional client/sever model, data are sent from the source to the destination, because of hugeous data, high concurrency and strong signal interference in Precision Agriculture and the extremely limited sensor network resources, such client/sever model hampers WSN applications in Precision Agriculture. This paper presents a mobile-based agent of wireless sensor network model MAPA, MAPA avoids the large agricultural intermediate data transmission through migrating the computing to the resource source, and consequently it prolongs the sensor network lifetime and promotes the WSN applications in Precision Agriculture.
Keywords:P recision Agriculture; Wireless Sensor Network; Mobile Agent
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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
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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。
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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。
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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 《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/9d7337798.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 30 无线传感器网络集传感器技术、微机电系统（MEMS）技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术于一体，它由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个网络系统，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。无线传感器网络因其具有成本低、能耗小等特点，已经展现了非常广阔的应用前景，参考文献[1]和参考文献 [2]中分别介绍了其在农业与医药学领域的应用。2003年MIT技术评论Technology Review在预测未来技术发展的报告中，将其列为改变世界的十大新技术之一。 随着社会经济的发展及生活条件的改善，人们对工作和生活环境的安全性和舒适度提出了更高的要求，而室内环境与人们的生活与工作息息相关，因此室内环境的监测与控制引起了人们越来越多的关注。为了实现各式各样的生活与工作要求，室内环境的结构也是多种多样的，正是这种结构复杂多样性及区域差异性，给室内环境的监测与控制带来了诸多挑战。但是，随着无线传感器网络技术的发展及应用，这些挑战均迎刃而解。 1 系统工作原理 系统的监控功能主要利用了无线传感器网络技术来实现。系统分为三个部分，分别为监控节点、 下位机和上位机。系统结构如图1所示： 图1 系统结构示意图 监控节点：作为无线传感器网络的基本组成部分，它可以利用搭载的多种传感器来获取室内的环境参数，通过微机电系统将这些参数进行数字化处理，并打包通过无线通讯模块发送至下位机。 下位机：作为无线传感器网络的中心节点，下位机起着承上启下的作用。它既能够通过无线通讯模块与诸传感器节点通讯，又能通过串口与上位机实现信息交互，最终实现了传感器节点与上位机的协调。 上位机：作为无线传感器网络的“大脑”，上位机负责整个传感器网络的正常运行。通过对下位机呈递的数据包进行解码，上位机能够提取各环境参数信息，并将其图形化显示。此外，通过设置环境参 数阈值，上位机可以实现整个系统的自动控制。 基于无线传感器网络的室内监控系统 张新耀 冯启朋 霍 鹏 王亚慧 （中国海洋大学信息科学与工程学院，山东 青岛 266100） 摘要： 室内环境与人的生活、工作密切相关，一般具有结构复杂及区域差异性大的特点。无线传感器网络是由具有感知能力、计算能力、无线通讯能力的传感器节点组成的智能网络，可以有效地监测环境参数变化，并能够对环境异常做出实时处理，从而实现复杂环境下的分区域环境监控，由此设计了一套基于无线传感器网络（WSN）的智能室内监控系统。文章通过对整个系统的设计方法、软硬件实现及系统测试结果进行了分析研究，最终证明了由无线传感器网络构成的系统可以高效地实现室内环境监控的任务。关键词： 无线传感器网络；室内监控系统；环境监控；环境参数中图分类号： TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）30-0030-032012年第30期（总第237期）NO.30.2012 （CumulativetyNO.237） 计算机研究与发展 ISSN 100021239ΠCN 1121777ΠTP Journal of Computer Research and Development 45(1):1～15,2008 收稿日期:2007-11-08 基金项目:国家“九七三”重点基础研究发展规划基金项目(2006CB303000);国家自然科学基金重点项目(60533110);国家自然科学基金项 目(60473075);国家教育部新世纪优秀人才支持计划基金项目(NCET 20520333) 无线传感器网络的研究进展 李建中 高 宏 (哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院 哈尔滨 150001)(lijzh @hit 1edu 1cn ) Survey on Sensor N et work R esearch Li Jianzhong and G ao Hong (School of Com puter Science and Technology ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001) Abstract Recent advances in sensing techniques ,embedded computing techniques ,distributed information processing techniques and communication techniques have enabled the development of wireless sensor net 2works 1As there is a bright future in their application ,wireless sensor networks have become a new research area in the 21century 1There are large numbers of challenge problems in science and engineering in the wireless sensor network area 1Since 2000,more and more researchers have been engaged in the research work on wireless sensor networks and a lot of research results have already been obtained 1Suiveyed in this paper is the research work on wireless sensor networks ,including the wireless sensor network communica 2tion techniques ,infrastructure techniques ,middleware techniques ,data management techniques ,sensor node and embedded software techniques 1The existing problems in the current research work and the new research issues are also discussed 1At the end of the paper ,many significant references are listed for the re 2searchers 1 K ey w ords sensor node ;sensor network ;communication protocol ;infrastructure ;middleware ;data man 2agement 摘 要 随着传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术的迅速发展,无线传感器网 络应运而生1由于无线传感器网络的广阔应用前景,它已经成为21世纪的一个新研究领域,在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量挑战性问题1从2000年开始,国内外无线传感器网络的研究日趋热烈,取得了大量研究成果1从无线传感器网络的网络通信技术、基础设施技术、中间件技术、数据管理技术、节点及其嵌入式软件技术等5个方面系统综述了无线传感器网络的研究进展,讨论目前存在的问题和需要进一步研究的方向,并提供了广泛的参考文献1 关键词 传感器节点;传感器网络;通信协议;基础设施;中间件;数据管理中图法分类号 TP393 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,人们研制出了各种具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器1由许多微型传感器构成的无线传感器网络(WSN )引起了人们的极大关注1WSN 综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环 境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得 详尽准确的信息,传送到需要这些信息的用户1WSN 可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件 下获取大量详实可靠的物理世界的信息,并可以被广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域1WSN 是信息感知和采集的一场革命,在新一代网络中具有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
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
基于无线传感器网络的室内监控系统
无线传感器网络的研究进展
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