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无线传感器网络中的能量采集与管理技术研究随着无线传感器网络的快速发展，越来越多的无线传感器被广泛应用于各个领域，如环境监测、智能家居、工业自动化等。
然而，无线传感器节点通常是由电池供电，电池寿命的限制成为限制无线传感器网络长期运行的主要因素。
因此，如何实现无线传感器节点的能量采集与管理技术成为研究的重点。
能量采集技术是无线传感器网络中的重要组成部分。
它通过从环境中提取能量，如光能、振动能、热能等，以补充或替代电池供电的能量。
能量采集技术可以显著延长无线传感器节点的寿命，并减少更换电池的频率，降低维护成本。
目前，已经有多种能量采集技术被广泛研究和应用。
其中，太阳能是应用最广泛的能量采集技术之一。
太阳能电池板可以将太阳能转换为电能，供无线传感器节点使用。
由于太阳能电池板的尺寸较大，无法直接应用于微型无线传感器节点。
因此，研究人员提出了一些压缩型太阳能电池板的设计，以适应微型无线传感器节点的需求。
此外，还有研究者提出了基于光热效应的太阳能电池板，可以同时利用太阳能和热能，进一步提高能量利用效率。
除了太阳能，振动能也是一种常见的能量采集技术。
振动能收集器通过捕捉环境中的振动能并将其转换为电能，从而为无线传感器节点提供能量。
振动能收集器的设计需要考虑到其在实际应用中的可用性和可靠性。
例如，如何选择合适的材料和结构，以增强振动能收集器的性能和效率。
同时，如何在不影响无线传感器节点正常工作的情况下收集振动能，也是一个需要解决的问题。
热能也是一种潜在的能量采集技术。
通过利用无线传感器节点产生的热能，可以为其提供能量。
热能的采集过程需要考虑到如何有效地转换热能为电能，以及如何避免热能采集过程对无线传感器节点的正常工作产生干扰。
因此，热能采集技术的研究还有待进一步发展。
能量管理技术是实现无线传感器节点长期运行的关键。
它通过有效地管理能量的获取、存储和消耗，以最大程度地延长无线传感器节点的寿命。
能量管理技术包括电能管理和能量优化两个方面。
收稿日期:2006-12-18 第一作者 杜林林 女 30岁 硕士研究生无线传感器网络系统综述杜林林1 张玺栋1 屠 东2(1.解放军理工大学通信工程学院,江苏南京21000;2.总参陆航部通信站,北京101123)摘 要:介绍了无线传感器网络的概念、几种主要的无线传感器网络协议,尤其是MAC 层协议的研究情况,给出了一些比较经典的无线传感器网络MAC 协议的思想。
关键词:无线传感器网络;Ad Hoc 网络;MAC 协议中图分类号:TN92 文献标识码:A0 引言无线传感器网络是由分布在给定局部区域内足够多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的(Ad hoc )网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息,并发布给观察者[1]。
每一个传感器节点具有一种或多种感知器(如声感应器、红外线感应器等),并具有一定的计算能力。
各节点之间通过专用网络协议实现信息的交流汇集和处理,从而实现给定局部区域内目标的探测、识别、定位与跟踪。
在传感器网络中,大量传感器节点被布置在整个观测区域中,各个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,然后再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[2]。
传感器网络与其他传统的网络相比有一些独有的特点,比如,网络的节点数量大、密度高;节点有一定的故障率;节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制;网络的拓扑结构变化快;以数据为中心等等[3]。
这些特点甚至使得Ad hoc 网络的一些网络协议也不能不加变化地应用于无线传感器网络中。
无线传感器网络功能结构可归纳如图1[3],其中基础层以传感器集合为核心;(广义的)网络层以通信网络为核心;数据管理与处理层以传感器数据管理与处理软件为核心;应用开发环境层为用户能够在基础层、网络层和数据管理与处理层的基础上开发各种传感器网络应用软件提供有效的软件开发环境和软件工具;应用层由各种传感器网络应用软件系统构成。
Energy HarvestingEnocean & Advanced Linear Devices到目前为止，至少有两家能量收集公司报告了急剧的销售增长，除了在无线传感器网络中广泛应用以外，其客户发现了能量收集产品的多种应用。
无线传感器网络中的能量收集使远程节点在无人照看下能够运行很多年。
目前的市场还很小，但预计其增速达65%，到2010年超过2亿套。
Advanced Linear Devices公司CEO Bob Chao表示，该公司的能量收集部件销售增加了78%，需求来自许多行业。
能量收集技术最红火的一个应用是使用不需要电池的无线开关来替换有线电灯开关。
例如，马德里一栋57层高的大楼使用4200个无线按钮来控制4500盏电灯，这样在移动内墙时无需对电灯开关进行重新布线。
建筑师们使用EnOcean公司制造的无线按钮，将按下按钮的动作转变为RF信号来打开电灯。
所有的电灯连成一个网络，网络提供电源和开关电灯的控制信号。
无线接收器接受无线按钮传来的编码信号，然后将信号传递到正确的电灯。
EnOcean公司市场营销副总裁Jim O'Callaghan表示，目前其最大的竞争对手是电线。
可以收集的能量像海洋一样大，但是挑战在于制造像电池供电产品一样好的产品，但是不用电池。
Enocean也有一系列的其他能量收集产品，转换动作、声音、震动、温度、环境光线和其他能量来源。
Enocean的按钮每次充电可用五天。
O'Callaghan透露，该公司与其OEM客户正形成一个联盟，并将在明年制定标准。
Enocean目前正在开发自己的系统级芯片，用于无线传感器网络市场。
能量收集这是指利用原本会被浪费的能量。
如用身体热量给小电器装置供电，利用海洋洋流发电等。
现在，能量收集日益引起人们的关注，原因是世界各国在大力发展可再生能源，而且越来越小的电子系统可以通过越来越低的能量运行。
例如：大型建筑物中用来监控房间温度的小装置可以利用建筑物自身的极微小振动来获得动力。
专题报告项目名称：无线传感器网络的原理、关键技术及应用课程名称：计算机网络A班级：姓名：学号：教师：信息工程学院计算机系目录1无线传感器网络的原理 (3)1.1无线传感器网络的概念 (3)1.2无线传感器网络的系统结构 (3)2无线传感器网络的关键技术 (4)2.1无线传感器的发展历史及发展历程 (4)2.2网络通信协议 (5)2.3核心支撑技术 (5)2.4自组织管理 (5)2.5无线传感器的现在发展状况及研究状况 (6)2.6无线传感器的发展趋势 (6)3无线传感器网络的应用 (7)3.1军事应用 (7)3.2环境应用 (7)3.3医疗应用 (8)3.4家庭应用 (8)3.5其他应用 (9)4专题报告演讲 (10)5心得体会 (10)无线传感器网络的原理、技术及应用1无线传感器网络的原理1.1无线传感器网络的概念无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）就是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域里被监测对象的信息，并发送给观察者。
无线传感器网络使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下都能够获取大量翔实可靠的信息，最终成为一种“无处不在”的传感技术。
无线传感器网络涉及传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、软件编程技术等。
其应用已经由军事国防领域扩展到环境监测、交通管理、医疗健康、工商服务、反恐抗灾等多领域。
1.2无线传感器网络的系统结构无线传感器网络系统结构的一般形式如图1所示。
在传感器网络中，节点任意散落在被监测区域内，除了感测特定的对象，还进行简单的计算并维持互相之间的网络连接。
传感器网络具有自组织的功能，单个节点经过初始的通信和协商，形成一个传输信息的多跳网络。
还有就是每个传感网络装备有一个连接到传输网络的网关，传输网络是由一个单跳链接或一系列的无线网络节点组成的。
无线传感器网络应用技术综述摘要：传感器被越来越多地布置到实际的网络环境中，用于实现某些应用。
无线传感器网络已经成为了科学研究领域最前沿的课题之一，引起了工业界和学术界众多研究者的关注。
通过总结相关方面的工作，综述在不同领域中无线传感器网络的实际应用，并对具体应用的一些重要特性进行分析，在此基础上提出若干值得继续研究的方面。
关键词：无线传感器；网络应用一、无线传感器网络简介随着微机电系统的迅速发展，片上系统SoC(System on Chip)得以实现，一块小小的芯片可以传递逻辑指令，感知现实世界，乃至做出反应。
无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)，这一由大量具有片上微处理能力的微型传感器节点组成的网络，引起了工业界和学术界众多研究者的关注。
传统的传感器网络通常由两种节点：传感器节点(sensor)和接收器节点(sink)组成。
传感器节点负责对事件的感知和数据包的传输；接收器节点则是数据传输的目标节点，一般具有人机交互界面，并可以接入其它类型的网络体系。
传感器网络以其低成本、低功耗的特点，在军事、环境监测、医疗健康等领域都有着广泛的应用。
在本文中，对大量现有无线传感器和无线传感器网络的应用进行分析，从节点移动性、节点互联方式、网络数据规模、网络分层结构等方面进行分析和比较。
并在此基础上，提出若干值得继续研究的方面，为挖掘传感器网络新的应用打下基础。
二、无线传感器网络的特点目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、ad hoc网络等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下特点：（1）硬件资源有限。
节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。
这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。
（2）电源容量有限。
网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。
任何技术和协议的使用都要以节能为前提。
（3）自组织。
无线传感网络中的能耗优化与数据采集无线传感网络是一种由大量分布在空间中的微小无线传感器节点组成的网络系统。
这些节点能够感知、测量和收集环境中的各种信息，例如温度、湿度、压力等。
然而，由于节点通信和数据采集的需求，无线传感网络往往面临能耗限制的挑战。
因此，如何优化无线传感网络的能耗并高效地进行数据采集是一个重要的研究领域。
能耗优化是无线传感网络设计和管理中的一个关键问题。
由于节点通常都是由电池供电，能耗必须被严格控制以延长网络寿命。
因此，研究者们提出了许多方法来优化能耗，其中包括以下几个方面：首先，通过优化无线传感器节点的通信协议，可以显著减少能耗。
传统的协议通常使用固定功率进行通信，而现代的协议可以根据通信距离动态调整功率。
此外，采用低功耗的睡眠模式来减少节点通信的时间，也是降低能耗的有效方法。
其次，采用数据压缩和聚合技术可以减少无线传感节点的数据传输量，从而降低功耗。
数据压缩技术可以通过消除数据中的冗余信息来减少数据量，而数据聚合技术可以将多个节点的数据合并为一个单一的数据包进行传输，减少通信次数。
另外，能耗优化还可以通过优化路由算法来实现。
传感器节点之间的通信通常是通过多跳方式进行的，而合理的路由选择可以减少通信的距离和功耗。
一些优化算法，如最短路径算法、贪心算法和基于启发式的算法，可以帮助确定最佳的通信路径。
此外，数据采集是无线传感网络中另一个重要的问题。
在大规模无线传感网络中，节点通常分布在广阔的地理区域内，因此数据采集需要有效地协调大量节点之间的数据传送。
以下是一些常用的数据采集方法：首先，时间同步是数据采集中的一个关键问题。
由于节点的时钟可能不同步，数据的时间戳无法准确对齐，导致数据的不一致。
为了解决这个问题，研究者们提出了各种同步协议和算法，如基于GPS的同步、时钟偏差估计和校正算法等。
其次，数据聚集是一种有效的数据采集方法。
它通过将多个节点的数据集中到一个或少数几个节点上，减少了网络的通信负载。
1、无线传感网络简介无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区中观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。
2、无线传感网络的特点1）硬件资源有限：节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。
这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。
2）传感节点数目多、易失效：根据应用的不同，传感器节点的数量可能达到几百万个，甚至更多。
此外，传感器网络工作在比较恶劣的环境中，经常有新节点加入或已有节点失效，网络的拓扑结构变化很快，而且网络一旦形成，人很少干预其运行。
因此，传感器网络的硬件必须具有高强壮性和容错性，相应的通信协议必须具有可重构和自适应性。
3）通信能力有限：考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，传感器网络采用多跳路由的传输机制。
传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps 的速率。
由于节点能量的变化，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，无线通信性能可能经常变化，频繁出现通信中断。
4）电源能量有限：网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。
其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用。
因此在无线传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。
5）以数据为中心是网络的核心技术：对于观察者来说，传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。
例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。
以数据为中心的特点要求传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。
无源无线传感网络中的能量收集技术研究第一章概述无源无线传感网络（Passive Wireless Sensor Network，PWSN）是指由许多消耗极小、无线通信能力也极为有限的被动传感器节点组成的网络，这些节点只能通过外部电磁波作为能量源实现其工作。
由于其无需现场布线，可以实现分散式自组织，是攻破传统无线传感技术的一大突破。
但由于缺乏有效的能量供应方式，其实现和实用化一直受到制约。
收集环境中不利于传输的电磁波成为了解决 PWSN 能量供应问题的一种有效手段。
能量收集技术以自然资源为能量源，通过一定的传感器和技术手段将其转化为适合 PWSN 节点使用的能量，如热能、太阳能、机械能等等，是当前 PWSN 能量供应的主要方法之一。
本文将重点从 PWSN 能量收集的现状、目前的技术手段、应用前景等方面进行阐述。
第二章现有技术手段2.1 热能收集热能收集，是指通过不同的热电转化原理将环境中的热能收集，然后转化为直流电进行供电。
当 PWSN 传感器与环境接触时，其通过热电转化原理，直接将温差转换成为电量，从而供电 PWSN网络。
该技术具有成本低廉、容易实现、可靠性较高等优点，在无人区、工业控制等场合中有广泛应用。
2.2 光能收集光能收集是将太阳能通过太阳能电池板转换成为电能以供PWSN 网络使用的一种方法。
在比较充足的阳光条件下，PWSN网络通常能够在长时间内保持良好的工作状态。
但是在光线较差等骨灰，该技术的可靠性和适用性都不足。
2.3 机械能收集机械能收集是通过采用 MEMS 技术、可变磁电耦合技术和压电效应技术等实现利用环境中的机械能量来为 PWSN 网络提供能量的一种技术。
传感器节点和环境产生接触时，机械运动的能量被转化成为电能，从而实现对 SPN 网络的供电。
这种技术能够适应不同环境下的机械震动源，有较强的适用性和可靠性，但其收集效率和实现成本需要继续提高和降低。
第三章应用前景由于 PWSN 能量收集技术具有成本低廉、无需更换电池、采集场合多变等优点，因此具有广泛的应用前景。
