无线传感器网络技术与应用现状的研究毕业论文 精品
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无线传感器网络技术研究与应用分析一、概述无线传感器网络技术是一种新型的无线通信网络技术,它由多个无线传感器节点组成,用于监测、控制和采集物理和环境数据。
无线传感器网络技术可以用于智能交通、智能家居、环境监测等领域。
本篇文章将从技术原理、研究进展和应用分析等方面来探究无线传感器网络技术。
二、技术原理无线传感器节点通常包括传感器、处理器、通信模块和电源等。
传感器负责采集环境数据,处理器进行数据处理和决策,通信模块实现节点之间的通信,电源为无线传感器节点提供电力。
无线传感器网络技术实现的关键是多跳无线通信技术。
当无线传感器的通信距离比较远时,需要通过多跳方式来实现通信。
多跳无线通信技术的基本原理是将数据以一定的速率,通过多个节点进行中继传输,从而突破单个节点的通信距离限制。
三、研究进展无线传感器网络技术具有自组织、动态调整、自适应和灵活部署等优势,广泛应用于智能交通、智能农业、智能家居、环境监测等领域。
在数据传输方面,无线传感器网络技术中的MAC协议实现了低延迟、低功耗、高可靠性数据传输的特点。
同时,为了解决无线传感器网络技术中的能量消耗问题,提出了各种省能算法和能量平衡技术。
在数据计算方面,为了解决传感器节点处理能力较低的问题,提出了分布式计算、异构网络、云计算等技术手段来提高数据处理效率。
在安全性方面,无线传感器网络技术中的数据加密、身份认证、密钥管理等技术手段用来保护数据隐私和网络安全。
四、应用分析无线传感器网络技术在智能家居、智能农业、环境监测等领域得到广泛应用。
在智能家居方面,通过无线传感器节点采集室内温度、湿度等环境数据,实现对居家环境的实时监测与调整。
在智能农业方面,通过无线传感器节点对土壤、光照、湿度等环境数据进行采集,实现高效自动化农业生产。
在环境监测方面,通过无线传感器节点采集环境污染、气候等环境数据,实现环境数据的实时监测和预警。
五、结论无线传感器网络技术是一种创新的通信网络技术,具有广泛的应用场景和潜力。
无线传感器网络研究现状与应用姓名:刘琦学号:G012012127单位:二旅一营无线传感器网络研究现状与应用摘要:针对传感器、微处理器和无线通信技术的最新发展,为了深入研究无线传感器网络的关键技术,在介绍无线传感器网络发展历程、体系结构的基础上,分析了国内外无线传感器网络的研究现状,从军事、医疗卫生、环境监测和智能家居等领域论述了无线传感器网络的应用,并结合已有研究,总结阐述了无线传感器网络研的热点问题。
研究结果表明,无线传感器网络朝着低成本、低能耗、安全、智能化等方向发展,对开展相关研究具有一定的参考价值。
关键词:无线传感器网络;传感器节点;体系结构;物联网1、引言无线传感器网络是新型的传感器网络,由具有感知能力、计算能力和通信能力的大量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配置的网络系统,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,并发给观察者。
强大的数据获取和处理能力使得其应用范围十分广泛,可以被应用于军事、防爆、救灾、环境、医疗、家居、工业等领域,无线传感网络已得到越来越多的关注。
无线传感器网络的出现将会给人类社会带来巨大的变革。
本文主要论述了无线传感器网络研究现状与应用。
2、无线传感器网络的体系结构传感器节点经多跳转发,再把传感信息送给用户使用,系统构架包括分布式无线传感器节点群、汇集节点、传输介质( Internet 或卫星通信)和网络用户端。
节点通过飞行器撒播、人工埋置或火箭弹射等方式任意散落在被监测区域内。
传感网络是核心,在感知区域中,大量的节点以无线自组网( ad-hoc network) 方式进行通信,每个节点都可充当路由器的角色,并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力,传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户,数据传送的过程是通过相邻节点接力传送的方式传送回基站,然后通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给最终用户。
无线传感器网络研究现状与应用一、本文概述无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种由许多在空间上分布的自动装置组成的网络,这些装置能够使用传感器协作地监控不同环境或对象的物理或化学现象,并通过无线方式进行信息传输。
近年来,随着物联网、大数据和等技术的飞速发展,无线传感器网络的研究和应用日益受到关注,成为信息技术领域的一个研究热点。
本文旨在全面综述无线传感器网络的研究现状和应用领域。
我们将对无线传感器网络的基本概念、特点和关键技术进行介绍,包括传感器节点的设计与优化、网络通信协议、能量管理策略等。
接着,我们将对无线传感器网络在环境监测、智能交通、农业物联网、医疗健康、军事防御等领域的应用进行深入探讨,分析其在不同场景下的优势和挑战。
我们还将对无线传感器网络的发展趋势和未来研究方向进行展望,以期为该领域的进一步发展提供参考和借鉴。
通过本文的阐述,我们希望能够为相关领域的学者和工程师提供一个全面而深入的无线传感器网络研究现状和应用概览,同时推动无线传感器网络技术的进一步发展和应用推广。
二、无线传感器网络研究现状无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)是近年来物联网领域研究的热点之一。
随着微型化、低功耗、高性能传感器技术的快速发展,以及无线通信技术的进步,无线传感器网络得到了广泛的应用和深入的研究。
网络拓扑与协议研究:无线传感器网络拓扑结构的研究主要关注如何有效地组织传感器节点,以提高网络的覆盖范围和连通性。
针对传感器节点的能量限制,研究人员还设计了多种节能的通信协议,如跳频扩频、时分复用等,以延长网络的生命周期。
数据融合与处理技术:在无线传感器网络中,由于传感器节点数量众多,产生的数据量巨大。
因此,数据融合与处理技术成为了研究的重点。
数据融合旨在将多个传感器节点的数据融合成一条或多条有用信息,减少数据传输量并提高数据的准确性。
无线传感器应用与发展关键词:无线传感器网络;组成;应用;发展科技发展的脚步越来越快,人类已经置身于信息时代。
而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术,也得到了极大的发展。
传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展,并将会带来一场信息革命。
具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器网络(WSN,wirelesssensornetworks)综合了传感器技术、嵌人式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作地实时监测、感知和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,获得详尽而准确的信息,传送到需要这些信息的用户。
由于WSN的巨大应用价值,它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的广泛关注,被广泛地应用于军事,工业过程控制、国家安全、环境监测等领域。
无线传感器网络综合了传感器技术、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,是当前计算机网络研究的热点。
一、发展概述早在上世纪70年代,就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形,我们把它归之为第一代传感器网络。
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。
无线传感器网络是新一代的传感器网络,具有非常广泛的应用前景,其发展和应用,将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。
发达国家如美国,非常重视无线传感器网络的发展,IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展,波士顿大学(BostonUniversity)还于最近创办了传感器网络协会(SensorNetworkConsortium),期望能促进传感器联网技术开发。
无线传感器网络技术论文:无线传感器网络技术发展现状及趋势摘要:无线传感器网络是多学科融合的结果,其应用领域广泛,应用前景无限,受到政府、学术界和工业界越来越广泛的重视。
介绍了无线传感器网络的基本概念及其应用结构和体系结构,总结了无线传感器网络的特点,简要介绍当前无线传感器网络技术研究热点的最新进展,并对无线传感器网络及其技术的发展趋势进行了论述。
关键字:无线传感器网络网络体系结构网络协议中图分类号:TP393文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2011)05-0139-02无线传感器网络是传感器技术、通信技术和计算机技术发展的产物,它将信息采集、传输和处理集于一体,实现了传感器、通信和计算机等技术的融合[1]。
无线传感器网络正逐渐成为现代信息技术中的一个热门的研究领域,受到广泛关注。
美国的“Business Week”曾在1999年预测无线传感器网络将成为2l世纪最有影响力的2l项技术之一[2]。
1、无线传感器网络的概念及其演化历程无线传感器网络(WSN)是由部署在检测区域内大量的传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统,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,并发送给观察者作进一步处理和应用,实现了物理世界、计算世界以及类社会三元世界的连通。
一个WSN 主要包括传感器节点、无线传感器网络、远程通信网、管理中心、用户等元素。
WSN经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。
[3]2、无线传感器网络技术研究现状无线传感器网络技术是多学科交叉的研究领域,因而包含众多研究方向,目前的研究主要集中在如下几方面:2.1 MAC协议的研究MAC协议解决无线传感器网络中的通信冲突问题,控制无线通信模块的运行,MAC层的运行效率直接反应整个网络的能量效率, MAC协议成为WSN最为活跃的研究热点。
MAC协议一般采用“侦听/休眠”交替的信道侦听机制,以减少空闲侦听,节约能耗。
无线传感器网络技术的研究与应用随着物联网技术的发展,无线传感器网络技术备受关注。
无线传感器网络是指由大量的微型传感器节点组成的网络,这些节点通过无线通信进行数据交互和协调。
在无线传感器网络中,传感器节点具有自我组织、自我管理、自我维护和自我适应等能力。
本文将探讨无线传感器网络技术的发展历程、关键技术和应用。
一、无线传感器网络技术的发展历程无线传感器网络技术起源于20世纪90年代,随着微型化、智能化技术的不断发展,无线传感器网络得到了极大的发展。
2001年,美国国家科学基金会(NSF)发起了“智能结构无线传感器网络”项目,这标志着无线传感器网络正式进入人们的视野。
随后,研究者们对无线传感器网络开展了大量的研究和实验。
2002年,美国Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)组织了“传感器网格散发和协调试验”(SensorNet)项目,这是无线传感器网络领域的第一个大规模实验,成功展示了无线传感器网络的潜力。
2003年,全球无线传感器网络会议(Global Sensor Network Conference)首次在美国加州圣地亚哥召开,这也是无线传感器网络领域的第一个国际性学术会议。
二、无线传感器网络技术的关键技术无线传感器网络技术是一个综合性的技术领域,其中涉及到传感器节点的设计、数据传输和处理、网络拓扑配置、协议设计等多方面的技术。
1. 传感器节点设计传感器节点设计是无线传感器网络中非常重要的一环。
传感器节点要能够采集、处理并传输数据。
因此,传感器节点需要具备较好的数据处理能力、存储能力以及通信能力。
传感器的电池寿命也很重要,因为传感器节点通常需要在野外环境长期运行。
2. 数据传输和处理数据传输和处理是无线传感器网络中的另一个重要领域。
数据传输需要通过无线通信进行,因此无线传感器网络的信道选择、信号调制和编码等技术显得尤为重要。
数据的处理和存储也非常重要,传感器节点通常需要对采集到的数据进行处理和分析,并将结果传输到目标节点或中心节点。
无线传感器网络技术与应用无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)是一种由成百上千个分布在广阔空间中的传感器节点构成的网络系统。
每个传感器节点都能够感知环境中的物理信息,并将其通过网络传输到中心节点进行处理和分析。
随着物联网的快速发展,无线传感器网络技术也得到了广泛应用。
本文将探讨无线传感器网络技术的原理、应用领域以及未来发展趋势。
一、无线传感器网络技术的原理无线传感器网络由若干个传感器节点、中心节点和通信网络组成。
每个传感器节点包含感知单元、处理单元、存储单元和通信单元等关键组成部分。
感知单元负责采集环境信息,处理单元对采集到的数据进行处理和分析,存储单元用于存储数据,通信单元负责与其他节点进行通信。
传感器节点通过无线通信技术将感知到的数据传输到中心节点。
无线传感器网络采用自组织、分散式的工作方式,节点之间通过多跳通信建立起网络连接,中心节点负责整合和管理传感器节点上传的数据。
二、无线传感器网络的应用领域无线传感器网络技术在众多领域中都有广泛的应用。
以下介绍几个典型的应用领域:1. 环境监测无线传感器网络可以实时监测环境中的温度、湿度、空气质量等参数。
在环境保护和生态研究中,可以通过部署大量的传感器节点来监测自然环境的变化,并为科研人员提供准确的数据支持。
2. 智能交通无线传感器网络可以应用于智能交通系统中,实时收集道路交通信息,如车流量、车速等,并通过智能算法做出交通调度和路况预测,提高交通效率和安全性。
3. 农业领域无线传感器网络可以帮助农业生产实现智能化管理。
通过监测土壤湿度、光照强度等关键参数,可以精确地调整灌溉和施肥措施,提高农作物产量和质量。
4. 工业自动化无线传感器网络在工业自动化中起到关键作用。
通过在工厂内部部署大量传感器节点,可以实时监测设备运行状态、温度、压力等参数,及时预警并防止潜在故障,提高生产效率和安全性。
五、无线传感器网络技术的未来发展趋势无线传感器网络技术在未来将继续迎来新的发展机遇和挑战。
无线传感器网络技术的理论与应用研究随着信息技术的飞速发展,无线传感器网络技术也得到了越来越广泛的应用。
无线传感器网络是一种自治的、分布式的监控系统,其核心是由节点组成的网络。
这些节点通过无线通信方式传输数据,能够在大范围内实现监控、控制和通信等功能。
无线传感器网络技术的理论与应用研究,成为了当前科技发展的热点问题。
无线传感器网络技术的原理无线传感器网络技术的目的是通过成百上千个节点,实现远距离并分布式地收集信息、传输数据和完成任务。
一个典型的无线传感器网络由若干个节点、一些链路和无线网络组成。
其中,节点是无线网络的核心部分,用于收集数据和执行任务。
节点可以采用不同的传感器来完成不同的任务。
无线传感器网络中最基本的节点具有以下特点:小体积、低功耗、自组织、高可靠性和低成本。
基于这些特点,节点可以有效地使用局部信息来迅速响应环境变化,实时反馈数据给用户。
无线传感器网络中的链路是指用于传输数据的无线通信媒介,通常使用无线电波传播数据。
无线传感器网络中的链路通常分为:点对点、多点到点和多点到多点。
其中,点对点链路是指两个节点之间的通信链路,多点到点链路是指多个节点共同向中心节点发送数据,多点到多点链路是指多个节点之间形成的通信链路。
无线传感器网络技术的应用研究无线传感器网络技术在很多领域都得到了广泛应用。
其中,环境监测是无线传感器网络技术的主要应用之一。
无线传感器网络可以测量气象、地质、水源和草原等环境数据,为环境保护和自然灾害的监测等方面提供了重要的技术手段。
另外,军事领域也是无线传感器网络技术的重要应用领域之一。
利用无线传感器网络可以实现极低功耗、高时效性和多层次的目标跟踪、侦察等功能。
此外,医疗和健康是无线传感器网络技术的另一个应用领域。
不同的传感器可以用于监测人体的生命体征和健康状况,而无线传感器网络技术可以实现远程传输和监控,为医疗保健等提供更加便捷和及时的数据支持。
无线传感器网络技术的发展趋势随着物联网技术的迅速发展,无线传感器网络技术也会呈现出一些新的趋势。
无线传感器网络技术的研究与应用随着移动互联网时代的到来,各行各业传感器网络的应用越来越广泛,其中,无线传感器网络技术尤其受到关注。
本文将对无线传感器网络技术的研究与应用进行探讨。
一、无线传感器网络技术的概念与特点无线传感器网络是由大量相互连接的微型传感器节点组成的一种新型无线网络,其节点可以自主感知周围环境信息,将采集到的信息通过网络汇聚给远程服务器进行处理和分析。
无线传感器网络具有以下几个特点:1. 高度分散:节点数量众多,分布范围广,不易取得直接连接的方式。
2. 节点能力受限:节点体积小,存储和计算能力有限,传输距离和带宽也受到限制。
3. 自组织:网络是一种自组织的网络,每个节点都具备传输和接收信息的能力,能够通过局部信号协调、大规模协作完成全局任务。
二、无线传感器网络技术的研究1. 网络拓扑结构无线传感器网络具有多种不同的网络拓扑结构,包括星状拓扑、环状拓扑、树状拓扑、网状拓扑等等。
在实际应用中,需要根据具体需求选择最适合的拓扑结构。
2. 路由协议路由协议是实现无线传感器网络通信的关键技术,常见的路由协议包括链路状态路由协议、距离向量路由协议、分层协议、多路径协议等等。
选择合适的路由协议能够提高网络性能和稳定性。
3. 能量管理技术由于节点能力受限,能耗管理成为无线传感器网络技术研究的一个重要方向。
研究人员通过设计各种能量优化技术来延长节点寿命,包括节能路由协议、能量管理算法、能源回收技术等。
三、无线传感器网络技术的应用1. 智能家居智能家居是当前无线传感器网络技术应用的热点之一,在家中安装各种传感器,能够自动化地调节照明、温度、空气质量等环境,带给人们智慧而高效的生活体验。
2. 工业制造工业制造领域,无线传感器网络技术可以监测生产设备的状态、物流系统的实时信息等,实现可追溯性和自动化管理。
3. 城市智能化管理在城市建设中,无线传感器网络技术可以收集海量城市各个方面的数据,如道路交通、环境污染、垃圾管理等,为城市智能化管理提供了可靠数据支持。
无线传感器网络应用及研究现状【摘要】无线传感器网络作为一项新的网络已经走人到了我们的生活,并且已经为我们的生活带来了很多的便利,已经广泛引进到我国社会各方面的工作,是一项新型的信息获取和处理技术,它可以给人们创造一个更高效,更加便捷的生活或是工作环境,它是现代高科技的一个产物,时时刻刻的影响着人们的生活,帮助人们方方面面提高了效率,让我们进入一个更加高效的时代,但在无线传感器给人们带来便利的同时,也暴露出了一些问题,因此本文开展了对无线传感器网络应用及研究现状的深入研究,主要帮助我们发现无线传感器网络应用及研究现状的问题并提出一些相对性措施来建设更好的无线传感器网络。
【关键词】传感器;信息化;高效率;研究现状1.前言现在随着人们传感器的要求的提高,并且我国一些物理研究的高速发展,进而可以更好的帮助我国进行无线传感器网络应用的研发,让我们提早的进入无线传感器时代,再加上传感器的廉价,让我们几乎人人都可以接触到无线传感器的网络应用,但随着科技的进步,无线传感器的一些不足也出现在了人们的面前。
所以本研究通过分析无线传感器网络应用存在的一些问题,提出了加大无线传感器网络的能量投入,进一步开发传感器的计算能力,加大传感器节点保护力度等针对性解决方案,希望能在以后我国无线传感器网络应用中有所帮助。
2.况无线传感器网络应用中存在的一些问题2.1 无线传感器网络中能量受限问题无线传感器网站中的能量受限问题是传感现在面临的一个非常棘手的问题,这也是所有自组织网络共同的特点。
随着传感器的用途越来越广,它的能力受限问题主要是由于电量供电不足造成的,目前为止无线传感器网络通常由电量有限且不可更换的电池供电,所以传感器的电源能量极其有限。
往往会造成供电不足的现象,这是经常会因为电源能量问题而放弃某些节点,造成无线传感器网络应用受到阻断或是限制。
电源能量约束是阻碍无线传感器网络的严重问题。
节点传感、处理数据及通信都需要消耗很多能量,而当前民用无线发送接收器电源远远不能满足无线传感器网络需要,这就造成了无线传感器网络应用中的许多麻烦。
无线传感网络研究与运用综述无线传感网络是一种由大量分布式的传感器节点组成的自组织网络。
每个节点都能够感知环境中的特定参数,并将数据通过无线信号传输给网络中其他节点或基站。
无线传感网络被广泛应用于农业、环境监测、物流、智能交通等领域。
本文将对无线传感网络的研究现状和应用进行综述。
无线传感网络的研究主要涉及节点通信、节能机制、网络拓扑控制、安全保障等方面。
首先,节点通信是实现信息传输的基础。
研究者们通过改进MAC(介质访问控制)协议、路由算法等手段提高了网络的通信效果。
例如,引入时隙指派技术来提高网络的吞吐量和能量利用率。
其次,节能机制是无线传感网络中的关键问题。
由于传感器节点一般是由电池供电,能源问题是制约传感网络应用的关键。
因此,研究者们提出了很多节能机制。
例如,通过动态调整节点传输功率和休眠机制来减少能量消耗。
另外,充分利用网络中各个节点的资源,并以最小的能量精确收集到所需数据,对于节能也非常重要。
网络拓扑控制是为了提高网络的可扩展性和生存时间。
研究者们提出了拓扑控制算法来优化网络拓扑结构。
例如,通过节点间的选择、节点的部署等方式,使网络具有良好的覆盖和连接性。
安全保障是无线传感网络研究中的一个重要方面。
由于无线传感网络一般部署在不受保护的环境中,因此容易受到各种安全攻击。
研究者们提出了各种安全机制,如对数据进行加密、身份认证、密钥管理等,以保障网络的安全性。
在应用方面,无线传感网络在农业、环境监测、物流等领域发挥着重要作用。
在农业领域,无线传感网络可以用于土壤湿度、温度、光照强度等参数的监测,实现智能化的灌溉和农作物管理。
在环境监测方面,无线传感网络可以实时监测大气、水质等环境参数,以及监测自然灾害的发生情况。
在物流方面,无线传感网络可以用于货物的追踪和管理,提高物流的效率和安全性。
综上所述,无线传感网络的研究与应用已经取得了很大的进展。
未来的研究方向包括进一步提高网络的通信效果和节能性能,改进网络拓扑结构和安全机制,以及探索新的应用领域。
无线传感器网络技术研究及应用随着互联网的不断发展,无线传感器网络技术也逐渐成为热门话题。
无线传感器网络技术是一种通过无线传输数据的网络技术,它包含多个传感器节点,这些传感器节点可以自主监测物理环境,并将数据传输到基站或主节点进行处理和分析。
无线传感器网络技术已经得到广泛的应用,在工业自动化、石油勘探、安保监测等领域都有着较多的应用。
一、无线传感器网络技术的基础和特点无线传感器网络技术的基础是互联网技术和传感器技术。
传感器技术可以监测物理或化学环境的量或状态,其实质是通过一些电子元器件将物理量转化为电信号。
随着集成电路技术和微电子技术的发展,传感器已经变得越来越小,功耗越来越低,构成一个低功率、低成本的传感器节点变得非常容易。
互联网技术则提供了高速、低功耗、广域的通信技术,保证了传感器节点之间的实时通信,将无线传感器网络技术研究和应用的发展推向了更高的层次。
无线传感器网络技术的特点是具有自组织能力、灵活性和实时性。
自组织能力是指传感器节点之间可以自主组织网络,实现传感器之间的有效通信和数据协同处理,数据传输路径是动态变化的。
这使得无线传感器网络对环境变化的适应能力更加灵活。
灵活性是指传感器节点可以根据需要被插拔-就是说,传感器节点可以随时从网络中增加或减少。
这大大增强了无线传感器网络的可扩展性,特别是在需要加强监测的区域,可以随时增加传感器节点。
实时性是指传感器节点可以立即响应物理环境变化,并将数据传输到基站或主节点进行实时处理和分析。
这种实时性对于诸如环境监测、安全监控等使用场景是尤为重要的。
二、无线传感器网络技术的应用无线传感器网络技术的应用已经非常广泛。
以下是几个典型的应用场景。
1、环境监测无线传感器网络技术在环境监测方面有着广泛的应用。
例如,可以布设低功耗传感器节点,实时监测海洋范围内的温度、水质等物理和化学参数,并将数据传输到海洋研究机构进行处理和分析,从而可以及时了解海洋壮观情况,预测海洋变化趋势,为海洋资源评估和开发提供数据支撑。
无线传感器网络技术的研究与应用随着计算机科技的不断进步,人们使用计算机的场景越来越多。
同时,无线传感器网络技术也在不断地得到发展和应用。
无线传感器网络是指由若干个带有处理能力和无线通信能力的微型传感器节点组成的网络,它们能够采集、处理和传输周围环境的物理信息。
无线传感器网络技术的研究与应用,为我们的生产和生活带来了很多便利,也具有着广阔的前景。
一、无线传感器网络技术的基本原理无线传感器网络的基本原理是利用多个具有感知环境、数据处理和通信能力的传感器节点组成一个自组织的网络,节点之间通过无线通信进行协调和传输数据。
传感器节点需要进行感知环境和采集信息,同时还需要对数据进行处理和存储,最终将处理好的数据通过无线传输方式传输到目标位置。
由于无线传感器节点一般来说比较小且能量有限,所以需要特殊的设计,以满足其长时间运行的特定需求。
二、无线传感器网络技术的研究在无线传感器网络技术的研究方面,目前主要探讨的问题包括节点定位、链路质量、能量消耗、网络安全等。
其中主要研究方向之一是如何提高节点的能量效率,因为能量对于无线传感器网络节点来说是至关重要的。
一些研究者提出了能量感知技术和自适应能量管理方法等,从而实现节点能量的有效利用和优化。
此外,对于数据的处理和传输也是无线传感器网络研究中比较重要的一个方向。
目前,一些针对数据压缩、编码和优化传输技术的研究正在进行中,在不影响数据传输质量和准确性的前提下,大大减少了传输所需的带宽和能量消耗。
三、无线传感器网络技术的应用随着无线传感器网络技术的不断发展,它也逐渐地应用到了我们的生活和生产中。
目前,无线传感器网络技术主要应用于以下几个方面:1、环境监测。
无线传感器网络可以监测环境各种物理因素,如温度、湿度、气体浓度、噪声等,为环境监测提供专业的数据支持。
2、智能家居。
无线传感器网络能够实现对家电的自动控制和调节,让家庭更加智能化。
3、智慧城市。
通过在城市中布置无线传感器节点,可以实现交通监测、环境监测、公共设施优化等多种应用。
1 绪论1.1 课题背景和研究意义无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术等多种先进技术。
其主体是集成化微型传感器,这些微型传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作的功能。
无线传感器网络就是由成千上万的传感器节点通过自组织方式构成的网络,它通过这些传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,通过嵌入式系统对信息进行处理,并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端,使用户完全掌握监测区域的情况并做出反应[1]。
无线传感器网络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,所以传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境,包括监控我军兵力、装备和物资状态;监视冲突区域,侦察敌方地形和布防,定位攻击目标;评估损失,侦察和探测核、生物及化学攻击等。
在战场上,铺设的传感器将采集相应的信息,并通过汇聚节点将数据送至数据处理中心,再转发到指挥部,最后融合来自各战场的数据,形成我军完备的战区态势图。
也可以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防,或直接将传感器节点撒向敌方阵地,在敌方还未来得及反应时迅速收集有利于作战的信息。
在生物和化学战中,利用传感器网络,可及时、准确地探测爆炸中心,这会为我军提供宝贵的反应时间,从而最大可能地减小伤亡。
无线传感器网络是继因特网之后,将对21世纪人类生活方式产生重大影响的IT 热点技术。
如果说因特网改变了人与人之间交流、沟通的方式,那么无线传感器网络则将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起,将改变人与自然交互的方式[2][3]。
无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络,最早的代表性论述出现在1999年,题为“传感器走向无线时代”。
随后在美国的移动计算和网络国际会议上,提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。
2003年,美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时,无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。
同年,美国《商业周刊》又在其“未来技术专版”中发表文章指出,传感器网络是全球未来四大高技术产业之一,将掀起新的的产业浪潮。
美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展,将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。
2004年《IEEE Spectrum》杂志发表一期“传感器的国度”,论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。
可以预计,无线传感器网络的发展和广泛应用,将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。
1.2 国内外研究现状1.2.1 无线传感器网络节点结构在不同应用中,传感器节点的结构不尽相同,但一般都由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成[4],如图1.1所示。
传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换,传感器的类型是由被监测物理信号的形式决定的,如用于温度监测的铂电阻传感器,用于压力传感的电容式传感器等;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点发送来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制信息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量,通常采用微型电池,不过己有公司探索从周围环境取得能量并将其转换成微瓦电能的方法。
图1.1 传感器节点结构1.2.2 无线传感器网络协议栈无线传感器网络协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层,与互联网协议栈的五层协议相对应,如图1.3所示。
另外,协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。
这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作,在节点移动的传感器网络中转发数据,并支持多任务和资源共享.各层协议和平台的功能如下[5],(1)物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术;(2)数据链路层负责数据成帧,帧检测、媒体访问和差错控制;(3)网络层主要负责路由生成与路由选择;(4)传输层负责数据流的传输控制,是保证通信服务质量的重要部分;(5)应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件;(6)能量管理平台管理传感器节点如何使用能源,在各个协议层都需要考虑节省能量;(7)移动管理平台检测并注册传感器节点的移动,维护到汇聚节点的路由,使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置;(8)任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。
图1.2 无线传感器网络协议栈1.2.3 无线传感器网络的拓扑结构无线传感器网络特定的应用环境及其固有的特征,对传感器网络拓扑结构的设计提出了新的要求。
在无线传感器网络中,节点需要完全以自组织的形式构成自治型网络,并且能够工作在无人值守的恶劣环境当中。
到目前为止,无线传感器网络拓扑结构的研究主要集中在两个方向,即平面型拓扑结构和层次型拓扑结构[6]。
平面型拓扑结构,所有节点的地位平等、作用相同,既采集数据又进行数据通信的中转,网络中不存在集中式控制中心。
为了有效地节省能量,远距离节点之间以多跳通信方式,如图1.4所示。
平面结构网络比较简单,无需任何的结构维护过程,节点根据预定的路由协议自组织成无线网络。
由于随机分布、高密度等特性,源节点和目的节点之间可能存在多条传输路径,如图1.4中节点A和E之间存在两条路径:A→C→D→E和A→C→F→E,既可以使用多条路径实现负载分担,也可以为不同的数据传输需求选择适当的路径。
平面结构网络中所有的传感器节点理论上是对等的,不存在瓶颈和单点故障,所以比较健壮,但是网络规模受限,动态扩展性差,难以维护。
在平面结构中,源节点为了获得目的节点信息通常需要传输大量的查询消息,而且由于网络的动态性,如节点失效、增加等,维护这些动态变化的路由信息需要发送大量的控制消息.网络规模越大路由维护的开销就越大,当网络的规模增加到某个程度时,网络的所有带宽可能被路由协议消耗掉,所以平面式结构的网络扩展性较差。
图1.3 平面型拓扑结构层次型拓扑结构中,网络根据具体应用需求,如地理区域、能源、应用类型等,划分为簇,每个簇由一个簇头节点和多个簇成员构成,多个簇头节点抽象成高一级的网络,在高一级网络中可以继续分簇,形成更高一级网络,最终形成多层次组织结构的传感器网络,如图1.4所示。
图1.4 层次型拓扑结构层次型拓扑结构中,不同层次以自己的局部概念进行交互,聚集起来实现期望的全局任务。
分层组织结构中,簇内成员节点负责感知任务,以多跳方式将采集的信息发送到簇头节点。
簇头节点作为簇类的中心节点,担负着与远程终端通讯、发布簇类管理信息、执行更高层次的数据融合和数据分析等使命。
为了有效利用能源和延长网络的生命周期,簇头节点通常依据能量概率分布由网络节点轮流充当。
这样可以使簇头节点的高能量消耗平均到网络节点上,同时也避免了固定簇头引起的网络的脆弱性和不稳定性,而且可以通过簇拆分来增加簇的个数或者簇聚合形成更高一级网络来提高整个网络的容量。
但缺点是,为了维护层次化结构需要仔细设计簇头选择算法。
而且簇间节点为了完成数据通信需要经过簇头转发,因此不一定能使用最佳路由,例如图1.5中的A,B节点,物理距离很接近,在平面结构中可以直接通信,但分簇后需要通过两个簇的簇头中继进行通信。
1.2.4 无线传感器网络研究内容由于无线传感器网络涉及信息领域多个研究领域,有非常多的关键技术有待研究.(1)对网络协议有效性的研究。
主要是通过各种网络协议的设计与仿真来提高网络的综合性能。
传感器网络协议负责使各个独立的节点间形成一条安全可靠的数据传输路径。
通过提出适应传感器网络特点的路由协议,提高传输数据的能量有效性;通过研究和改进己有的MAC层协议,来增强节点之间数据传输的可靠性。
较经典的MAC协议有近期提出的基于竞争的S-MAC协议,TDMA与FDMA相结合的MAC协议[7]。
(2)对时间同步技术的研究。
时间同步用来精准确定来自不同节点的监测事件的先后关系。
WSN中的通信协议和应用,比如基于TDMA的MAC协议和敏感时间的监测任务等,都要求节点间的时钟必须保持同步。
设计高精度的时钟同步机制是传感网络设计和应用的难点。
已有的NTP(Network Time Protocol)就是一种经典的同步策略[8]。
(3)对定位技术的研究。
定位技术就是位置未知的节点根据少数信标节点,按照某种定位机制确定自身的位置。
节点不能完全依靠GPS来实现定位机制,这就要求相应的机制与算法。
已有的定位机制与算法包括两部分:节点自身定位和外部目标定位,前者是后者的基础。
通常方法有三边测量法、三角测量法或极大似然估计法。
(4)对传感器基础层的软、硬件资源的研究。
提高电池的供电能力,接收信号的处理能力和芯片的集成能力。
由于传感器节点一方面特点是并发性密集;传感器节点的另一方面特点是高度的模块化。
美国加州大学伯克利分校针对无线传感器网络研发了TinyOS操作系统,在科研机构的研究中得到比较广泛地应用。
(5)对数据管理和数据融合技术的研究。
由于传感器网络感知数据的海量性,因此必须对采集到的数据进行提取、压缩和融合等处理,来保证采集数据的高效性[9]。
在应用层设计中,利用分布式数据库技术对采集到的数据进行筛选,达到融合的效果;在MAC层,通过减少数据发送冲突和头部开销达到节省能量的目的。
美国加州大学伯克利分校的TinyDB+71系统和Cornel大学的Cougar[18]系统就是典型的传感器网络数据管理系统[10]。
(6)对传感器网络安全性的研究。
主要包括两方面内容:利用较少的能量和较小的计算量来完成数据加密、解密和身份认证;在受破坏或受千扰的情况下可靠的完成执行任务。
由于WSN的工作环境,可能面临着信息被窃听或被伪造的危险。
这对该网络的拥有者会造成极大的威胁,因此必须综合考虑网络安全性的影响。
1.3 无线传感器网络的应用无线传感器网络具有广阔的应用前景,被认为是将对21世纪产生巨大影响力的技术之一己有和潜在的传感器网络应用领域包括:军事侦察、环境监测、医疗监护、空间探索、城市交通管理、仓储管理等等。
随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善,无线传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。
(1)军事应用在军事领域,传感器网络将会成C41SRT系统不可或缺的一部分。
C41SRT系统的目标是利用先进的高科技技术,为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统,受到了军事发达国家的普遍重视。
因为传感器网络是由密集型、低成本、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,这一点是传统的传感器技术所无法比拟的,在军事应用中,与独立的卫星和地面雷达系统相比,传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面:①分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比,这一直是卫星和雷达这类独立系统难以克服的技术问题之一;②传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力;③传感器节点与探测目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能的影响;④节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标;⑤多节点联合,形成覆盖面积较大的实时探测区域;⑥借助于个别具有移动能力的节点对网络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。