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無線傳感器網絡范文1
0.引言
隨著傳感器技術、微電子技術、嵌入式計算技術和通信技術等幾種技術的融合和匯聚，具有感知信息、數據處理、存儲和通信能力的微型傳感器被應用于國防軍事、工業生產、環境監測等多個領域。無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks ,WSN)是由一組稠密布置的微型傳感器組成的無線自組織網絡，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區域內感知對象的信息，并給觀察者。相對于有線傳感器網絡而言，無線傳感器網絡具有成本低、應用靈活、部署快速等優點，具有很大的應用空間。無線傳感器網絡已在軍事、安全、環境、工業、交通、健康和家居等領域，有著廣泛的應用。
1.無線傳感器網絡的體系結構及特點
1.1無線傳感器網絡的結構
無線傳感器網絡由大量集傳感與驅動控制、計算存儲、通信于一體的的嵌入式傳感器節點構成。這些傳感器節點通常包括傳感器節點、網絡協調器節點和應用管理器節點。應用時，傳感器節點分布在不同的角落，采集節點周邊的溫度、濕度、光強度、噪聲、壓力、速度等物理信息，各傳感器節點將采集到的信息發送給特定的對象。圖1為無線傳感器網絡的結構。
圖1 無線傳感器網絡結構
傳感器節點具有信息采集和處理的能力，是由傳感器模塊、數據處理模塊和無線通信模塊組成的微系統。傳感器模塊負責采集外界環境的物理信息并將物理信號轉換為數字信號；數據處理模塊對數字信號進行編碼等處理；無線通信模塊負責將信息傳送到網絡中。傳感器節點實質是以自組織的形式構成無線網絡。網絡協調器節點具有信息處理能力和網絡管理能力，實現傳感器節點與應用管理器節點之間信息的交換。應用管理器節點是用戶于傳感器網絡的接口。用戶通過應用管理器節點實現處理無線傳感器網絡采集到的信息和向無線傳感器網絡應用指令的交互。
1.2無線傳感器的特點
無線傳感器網絡能夠得到廣泛的應用，因其具有以下特點：
1.2.1節點規模大、節點體積小
無線傳感器網絡中傳感器節點密度高，數量巨大，可能達到幾百、幾千萬，甚至更多。體積小是無線傳感器網絡節點一個重要特點，也是實現大量部署的內在要求。
1.2.2自組織
無線傳感器網絡根據組網機制和網絡協議自動對網絡進行配置和管理，傳感器節點有自組織能力，能夠自動形成無線通信系統不需要固定的基礎設施作為網絡樞紐。
1.2.3能適應復雜環境
傳感器網絡主要分布在各種條件惡劣的環境，如軍事邊界或者一些人員難以進入地區。同時，節點容易受高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風雨雷電等自然環境的影響。
1.2.4部署容易且成本低
只需要在目標區域進行隨機部署，不需要指定特定的位置。相對于有線網絡傳輸，無線網絡傳輸降低了各種成本。
1.2.5可靠性高
無線傳感器節點資源有限，其生命周期主要取決于電池。對無線傳感器節點進行維護、回收和替換的可能性很小。因此，無線傳感器網絡要具有信息傳輸的高度可靠性和對節點失效的高度容錯性。
2.無線傳感器網絡的應用
2.1軍事建設
無線傳感器網絡以其快速布署、自組織和容錯等特點，成為軍事通信控制系統的重要組成部分，可用于兵力、裝備彈藥和物資的監控，陣地和敵情的偵查，戰場的監視，生物化學攻擊的判斷、目標的指示，戰損的評估等。
2.2工農業生產
通過傳感器監測設備的震動、和磨損情況，可以迅速得到設備的健康狀態;通過在生產線上布署傳感器網絡，可以方便的實現在線質量控制。無線傳感器網絡為提高設備性能、提升產品質量、降低成本，提供了一種很好的技術方案。
我國是一個農業大國，深化現代技術在農業中的應用，對推進我國農業生產產業化和現代化進程具有重要作用。將無線傳感器網絡技術應用于現代農業，可實現農業信息采集以及遠程傳輸，為科學決策提供可靠依據。
2.3環境監測
在環境科學研究中，無線傳感器網絡為大規模野外數據采集和氣候氣象監測提供了便利，可用于跟蹤候鳥、小型動物和昆蟲的遷徙地球探測，林火和洪水監測等。如美國Berkley等單位在美國緬因州的GreatDuck島對海燕棲息地的生態環境監測；肯尼亞MPala研究中心對大規模野生動物(野馬，斑馬等)的棲息地進行考察研究；挪威對冰河觀測以了解地球氣候的變化。
2.4安全監控
通過在監控藏所部署無線傳感器網絡，利用場所附近的聲音、震動、光、溫度等物理信息的變化，了解被監控對象的狀態，來防止非法入侵、安全事故等。目前應用較多的是煤礦、電站、通信樞紐、行政中心等。如實時監控煤礦井下環境來進行災害預警，實時監控井下人員和設備的位置來對其進行資源調度，并為災后的輔助救援提供支持。
2.5智能交通
將無線傳感器網絡應用到智能交通系統，作為它的一個信息采集和通信子系統。這個子系統充分利用了無線傳感網絡覆蓋范圍廣、靈活性好和易于大規模部署等特點，來采集全路段的車輛和路面信息。相對于有線交通信息采集通信系統而言，大幅度地降低現有交通監控網絡的成本。通過車載和道路傳感器的配合，駕駛者和交通控制人員可以實時地了解路況和交通信息。布置于道路上的速度識別傳感器，可以監測交通流量等信息，為出行者提供信息服務，并且在發現違章時能及時報警和記錄。 （下轉第143頁）
（上接第131頁）2.6醫療健康
利用無線傳感器網絡節點體積小、易于植入和便于攜帶等特點，其可以用于醫院藥品控制、病人生命體征不間斷采集和監測等領域。
2.7教育教學
無線傳感器網絡作為計算機最前沿技術之一，是泛在學習的技術支撐。無線傳感器網絡的網絡實時性、網絡自組性等為我們未來的學習方式以及教學開辟了新的思路。如乒乓球訓練田、足球裁判輔助系統等可以提高教學效果。
2.8家居生活
通過布置于房間內、家電中的無線傳感器網絡節點，實現自組織無線傳感器網絡系統，感知居室不同部分的溫度、濕度、光照、空氣成分等信息，從而對空調、門窗以及其他家電進行自動控制，同時可實現家電之間的交互和遠程控制，提供給人們舒適的居住環境。
3.結語
無線傳感器網絡融合了微機電、傳感器、嵌入式計算、網絡技術、無線通信和信息處理等技術，知識高度集成，創新度高，是在國際上前沿熱點研究領域之一，應用前景廣闊，對國家安全、社會進步、經濟發展意義重大。這種多學科交叉融合的研究給人們提出了不少新的挑戰，無線傳感器網絡技術的發展還有許多要攻克的難題。
【參考文獻】
［1］孟慶斌. 無線傳感器網絡應用研究[C]. 天津大學,2009.
［2］陳聞杰.無線傳感器網絡及其應用研究[C].復旦大學,2006.
［3］滑楠.無線傳感器網絡相關理論與應用研究[C].西北工業大學,2007.
無線傳感器網絡范文2
[關鍵詞] 無線多媒體傳感器 關鍵技術 研究熱點 應用
目前，傳感器網絡研究的一個重要方面是在能量嚴重受限的微型節點上如何實現簡單的環境數據采集、傳輸與處理。然而，隨著監測環境的日趨復雜多變，迫切需要將信息量豐富的圖像、音頻、視頻等媒體引入到以傳感器網絡為基礎的環境監測活動中來，實現細粒度、精準信息的環境監測。由此，無線多媒體傳感器網絡應運而生。
一、無線多媒體傳感器網絡的特點
無線多媒體傳感器網絡(Wireless Multimedia Sensor Network, WMSN)是在傳統無線傳感器網絡(WSN)基礎上引入了音頻、視頻、圖像等多媒體信息感知功能的一種新型傳感器網絡，多媒體傳感器網絡除了具有其共性特點以外，還具有顯著的個性特點。具體表現為以下幾個方面：
（1）網絡能力增強。由于大數據量音頻、視頻、圖像等媒體的引入，多媒體傳感器節點及網絡能力都有顯著增強。為更好地滿足網絡中多媒體傳輸需求，網絡帶寬資源也相應增加。
（2）感知媒體豐富。音頻、視頻、圖像、等多種類型數據共存于多媒體傳感器網絡中。另外，媒體格式多樣，既包含單值信息，又包含流媒體信息。這些媒體信息共同服務于監測任務，實現更為全面、準確的場景監測。
（3）處理任務復雜。多媒體傳感器網絡采集的音頻、視頻、圖像信息豐富且格式復雜，我們可利用壓縮、識別、融合等多種處理以滿足多樣化應用需求。
二、無線多媒體傳感器網絡的研究現狀
由于WMSN巨大的應用價值，近年來，多媒體傳感器網絡技術的研究己引起了科研人員的密切關注，一些學者開展了多媒體傳感器網絡方面的探索性研究，在IEEE系列會議、ACM多媒體和傳感器網絡相關會議發表了一些重要的研究成果。從2003年起，ACM還專門組織國際視頻監控與傳感器網絡研討會交流相關研究成果。美國加利福尼亞大學、卡耐基梅隆大學、馬薩諸塞大學、波特蘭州立大學等著名學府也開始了多媒體傳感器網絡方面的研究工作，紛紛成立了視頻傳感器網絡組并啟動了相應的科研計劃。
三、無線多媒體傳感器網絡關鍵技術
（1）節點系統。傳感器節點系統是構成無線多媒體傳感器網絡的基礎，目前已經設計或生產的無線傳感器網絡節點可分為兩類：一類是以通用微處理器為核心部件，類似嵌入式系統方式設計的節點；另一類則是采用FPGA，ASIC等專用器件設計的平臺。
（2）MAC協議。媒體訪問協議(MAC協議)的主要功能是在相互競爭的傳感器節點之間分配有限的無線信道資源，它決定著無線信道的使用方式和網絡性能，是關系到網絡運行成功的重要技術。
（3）路由協議。路由協議是WSNs研究的重點之一，其功能是在網絡中任意需要通信的兩點間建立并維護數據傳輸路徑。針對無線傳感器網絡節點資源嚴重受限，網絡拓撲結構變化頻繁，通信方式以數據為中心等特性，目前國內外研究人員已經設計了很多路由協議，其中較為常見的有SPIN，DD，CADR，LEACH，PEGASIS等。
四、無線多媒體傳感器網絡的研究熱點及其進展
在傳統有線網絡中由于網絡傳輸中的延遲、抖動、網絡擁塞及發送端的發送速度與接收端的接收速度不匹配等問題在無線多媒體傳感器網絡中同樣存在，因此在無線多媒體傳感器網絡中保證多媒體同步除了面臨傳統網絡中的問題，還存在一些新挑戰，分析如下：
（1）網絡帶寬問題。帶寬資源是網絡資源的一個重要方面。目前大多數無線多媒體傳感器網絡QoS路由協議都以最小可用帶寬作為QoS度量。然而，無線傳輸媒介屬于廣播媒介，一個節點的帶寬資源不僅要受到一跳鄰居節點和兩跳鄰居節點的影響，還要受到這些節點自身業務量變化的影響，而且多媒體傳感器網絡的帶寬又十分有限，因此如何合理利用有限帶寬是多媒體同步的關鍵問題。
（2）網絡延遲抖動更為劇烈的問題。在無線多媒體傳感器網絡中，節點使用無線媒介進行通信，無線信號傳輸面臨著路徑損耗、多徑衰落和干擾等環境因素的影響，從而導致網絡的延遲抖動更為劇烈多變，因此造成網絡的控制開銷大大增加，使得無線多媒體傳感器網絡中的多媒體同步比固定網絡中的同步要復雜得多，導致對網絡延遲抖動的處理更加困難。
（3）采集數據節點協同工作的問題。在無線多媒體傳感器網絡中，由于任務較為復雜，因此完成一項數據采集任務時，需要多個節點協同工作，但由于控制信息從匯聚節點發出，通過不同的路徑到達各個協同工作的目的節點，導致各個目的節點收到控制信息的時間不一致，從而不能協同工作，導致在數據采集編碼階段不同媒體流之間產生了不同步現象。
五、無線多媒體傳感器網絡應用
多媒體傳感器網絡在軍事、民用、商業中都具有非常廣闊的應用前景。具體的應用領域集中在：
（1）戰場偵查與監控。多媒體傳感器網絡具有快速部署等特點，在戰場上布設大量的WSN，以收集和中繼信息，并對大量的原始數據進行過濾，然后把重要信息傳送到數據融合中心，大大提升指揮員對戰場態勢的感知水平。
（2）智能家居網絡。在智能家居無線網絡中最基本的單元是無線傳感器節點, 它的功能是負責傳感和對信息預處理, 響應監控主機的指令發送數據，如監測跟蹤孩子的活動軌跡等。
（3）環境監測。WSN非常適合應用于野外環境，極大地方便了環境研究所需的原始數據的獲取。
（4）農業監測。無線傳感器網絡具有的實時性監測，無線通信特點，使其在農業生產上有很大發展前景。
參考文獻：
[1] A survey on wireless multimedia sensor networks. Computer networks
無線傳感器網絡范文3
關鍵詞無線傳感器網絡;發展;組成;特點;關鍵技術;應用
中圖分類號tp212文獻標識碼a文章編號 1007-5739(2010)01-0016-02
隨著微機電技術、無線通信技術和數字信息處理技術的發展,低成本、低功耗、多功能、小尺寸的傳感節點變成現實,此類節點包含有傳感、數據處理和通信功能,傳感節點可以在短距離內進行通信。與傳統傳感器不同的是,此類傳感器依賴于大量傳感節點的協同工作,傳感器網絡是對傳統傳感器的一大革新[1]。傳感器網絡被美國的《商業周刊》評為影響21世紀的21個方面[2],被美國麻省理工學院《技術評論》評為即將改變世界的十大技術[3]。
1無線傳感器網絡的發展
無線傳感器網絡的構想最初由美國軍方提出,美國國防部高級研究所計劃署于1978年開始資助卡耐基-梅隆大學進行分布式傳感器網絡的研究,這被看成是無線傳感器網絡的雛形。此后,類似的項目在全美高校間廣泛展開,著名的有uc berkeley的smart dust項目、ucla的wins項目以及多所機構聯合攻關的sensit計劃[4]等。在這些項目取得進展的同時,其應用也從軍用轉向民用。在森林火災、洪水監測等環境應用中,在人體生理數據監測、藥品管理等醫療應用中,在家庭環境的智能化應用及商務應用中都已形成。
2無線傳感器網絡的組成
2.1無線傳感器網絡的節點結構
無線傳感器的網絡節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成(見圖1)[5]。傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換;處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作,存儲和處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據;無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信,交換控制消息和收發采集數據;能量供應模塊為傳感器節點提供運行所需的能量。
2.2無線傳感器網絡的網絡結構
傳感器網絡是由大量的傳感節點組成,傳感節點部署在檢測區域的附件傳感器網絡結構如圖2所示,傳感器網絡系統通常包括傳感器節點、匯聚節點和管理節點。大量傳感器節點隨機部署在監測區域內部或附近,能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節點監測的數據沿著其他傳感器節點逐跳地進行傳輸,在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理,經過多跳后路由到匯聚節點,最后通過互聯網或衛星到達管理節點。用戶通過管理節點對傳感器網絡進行配置和管理,監測任務以及收集監測數據。
3無線傳感器網絡的特點
傳感器網絡是集成了監測、控制以及無線通信的網絡系統,節點數目更為龐大(上千甚至上萬),節點分布更為密集;由于環境影響和能量耗盡,節點更容易出現故障;環境干擾和節點故障易造成網絡拓撲結構的變化;另外,傳感器節點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限。傳統無線網絡的首要設計目標是提供高服務質量和高效帶寬利用,其次才考慮節約能源;而傳感器網絡的首要設計目標是能源的高效使用,這也是傳感器網絡和傳統網絡最重要的區別之一[6]。因為無線傳感器網絡的節點數量巨大,每個傳感節點的尺寸和成本的的限制,而且還處在隨時變化的環境中,這就使它有著不同于普通傳感器網絡的獨特“個性”。
3.1無中心和自組網特性
在無線傳感器網絡中,所有節點的地位都是平等的,沒有預先指定的中心,各節點通過分布式算法來相互協調,在無人值守的情況下,節點就能自動組織起一個測量網絡。而正因為沒有中心,網絡便不會因為單個節點的脫離而受到損害。
3.2網絡拓撲的動態變化性
網絡中的節點是處于不斷變化的環境中,它的狀態也在相應地發生變化,加之無線通信信道的不穩定性,網絡拓撲因此也在不斷地調整變化,而這種變化方式是無人能準確預測出來的。
3.3傳輸能力的有限性
無線傳感器網絡通過無線電波進行數據傳輸,雖然省去了布線的煩惱,但是相對于有線網絡,低帶寬則成為它的天生缺陷。同時,信號之間還存在相互干擾,信號自身也在不斷地衰減。
3.4能量的限制
為了測量真實世界的具體值,各個節點會密集地分布于待測區域內,人工補充能量的方法已經不再適用。每個節點都要儲備可供長期使用的能量,或者從自身以外汲取能量(如太陽能)。
3.5安全性的問題
無線信道、有限的能量,分布式控制都使得無線傳感器網絡更容易受到攻擊。被動竊聽、主動入侵、拒絕服務則是這些攻擊的常見方式。因此,安全性在網絡的設計中至關重要。
4無線傳感器網絡的關鍵技術
4.1物理層技術
無線傳感器網絡是一個開放系統互聯,按照國際標準化組織(iso)的規定,為數據流傳輸所需的物理連接的建立、維護和釋放提供的機械的、電氣的、功能和規程性的模塊就叫做物理層。從這個定義可以看出,物理層需要承擔為數據終端提供數據傳輸通路、傳輸數據和完成管理工作的職責。具體到無線傳感器網絡就是介質的選擇、頻段的選擇、調制技術以及擴頻技術[7]。由于是無線網絡,傳輸介質自然要選電磁波。不過,源信號要依靠電磁波傳輸必須通過調制技術變成高頻信號,當抵達接受端時,又通過解調技術還原成原始信號。
在物理層面上,無線傳感器網絡遵從的主要是ieee 802.15.4標準。依照此標準,其物理層主要進行如下工作:激活和去活無線收發器,檢測當前信道的能量,發送指示,信道頻率的選擇,數據發送與接收。ieee 802.15.4標準規劃了幾個工作頻段。其中,2.4ghz頻段的物理層可提供250kb/s的數據傳輸率,適用于高吞吐量、低延時或低作業周期的場合;工作在869/915mhz頻段的物理層則能提供20kb/s的數據傳輸率,適用于低速率、高靈敏度和大覆蓋面積的場合。依據ieee 802.15.4標準的協議被稱為zigee,其傳輸帶寬雖然不及wi-fi和blue tooth,但是能耗較低,非常適合無線傳感器網絡[8]。圖3為各無線協議工作的頻段。
4.2mac層協議
信號的傳輸要靠信道,因此信道也就成為了一種寶貴的資源。如何合理有效地分配信道,是數據鏈路層中的mac子層要解決的問題。
無線傳感器網絡經常使用的有3種mac協議,即傳感器協議(s-mac)、分布式能量意識協議(de-mac)和協調設備協議[9]。s-mac協議通過調配節點的休眠方式來有效地分配信道;de-mac則采用周期性監聽和休眠機制,避免空閑監聽和串音,其目的是減少能耗和增加網絡的生存周期;md協議則能為大規模、低占空比運行的節點提供不需要高精度時鐘的可靠通信?？傮w來說,無線傳感器網絡的mac協議在分配信道的同時還要保證系統的能耗最低。
4.3路由協議
在具備底層傳輸協議的保障后,信息如何快速地從源傳輸到目的地是由路由協議來解決的。路由要實現2個基本功能,即確定最佳路徑和通過網絡傳輸信息。數據傳輸的途徑存于路由表,由路由算法初始化并負責維護[8]。無線傳感器網絡與普通的網絡不同,它具有能量受限、通信方式以數 據為中心、相鄰節點的數據具有相似性、拓撲結構也在不斷變化等特點。與此對應,常規網絡的路由并不一定能適應無線傳感器網絡。
4.4能量管理
能耗是無線傳感器網絡所面臨的最大問題,因為節點長期處于無人值守的狀況下,有效的能耗策略必不可少。目前最常使用的策略是休眠機制,即在節點空閑時,使其處于休眠狀態,此時其能耗降到最低。但是休眠的節點在轉回正常狀態的時候,往往會消耗大量的能量,因此尋找合理的狀態轉換策略是確保休眠機制成功的關鍵[10]。數據融合是另一項節能技術。多個鄰近節點經常會采集同樣的信息,發送這些冗余信息就給系統增加了不必要的負擔。因此,通過本地計算和篩選,確保發送出最有效的信息就是數據融合的任務。其他能量管理策略還有沖突避免和糾錯以及多跳短距離通信等。
4.5軟件支持
tinyos是uc berkeley針對其無線傳感器網絡節點開發的操作系統。該系統不同于傳統意義上的操作系統,它更像一個編程構架,在此構架下,搭配一組必要的組件,就能方便地編譯出面向特定應用的操作系統。tinyos由眾多組件組成,包括了主組件、應用組件、執行組件、傳感組件、通信組件和硬件抽象組件。每一個組件在其內部都封裝了命令處理程序和事件處理程序,它們通過接口聲明所調用的命令和將要觸發的事件。調度器則負責根據任務的輕重緩急來安排系統的工作。crossbow公司生產的mica傳感器平臺上就使用了tinyos系統[11]。實踐證明,其基本應用只占用很少的系統資源,能圓滿的完成數據采集、處理和通信組網以及數據傳輸等任務。
5無線傳感器網絡的應用
無線傳感器網絡范文4
【 關鍵詞 】 無線傳感器網絡；組成；特點；關鍵技術
Analysis of Key Technologies for Wireless Sensor Network
Yin Jun
（Yuxi Agricultur YunnanYuxi 653106）
【 Abstract 】 With the development of micro-electromechanical system，wireless communication technology and digital information processing techniques，wireless sensor networks has been developed in such cross-disciplinary research area，with a very broad application prospects. In this paper，the definition of wireless sensor networks，the structure，characteristics，key technology of wireless sensor networks were described and analysised.
【 Keywords 】 wireless sensor networks; structure; characteristics; key technology
1 前言
近年來，隨著微機電技術、無線通信技術和數字信息處理技術的飛速發展，集成了感知、計算、通信能力，具有低成本、低功耗、多功能、體積小和短距離無線通信等特點的傳感器節點變成現實，由數量不等的無線傳感器節點構建的網絡，被稱為無線傳感器網絡（WSN）。WSN可以協同工作，實時或長期監測被監測區域內的各種對象數據，并對這些數據進行分布式預處理后傳遞給最終用戶，從而為用戶提供直觀的觀察效果，因此可將其廣泛配置于各種不同領域的應用中，如軍事國防、工農業、城市管理、生物醫療、環境監測、搶險救災、防恐反恐、危險區域遠程控制等，將對人類生活帶來深遠的影響，這也使得無線傳感器網絡技術成為目前在國際范圍內備受關注，非?；钴S的研究熱點領域。
2 無線傳感器網絡概述
2.1 無線傳感器網絡的定義
無線傳感器網絡可以看成是由數據獲取網絡、數據分布網絡和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的節點,如圖1所示,各節點通過協議自組成一個分布式網絡,再將采集來的數據通過優化后經無線電波傳輸給信息處理中心。無線傳感器網絡操作系統Tiny0S141的研制者，Jason Hill博士把WSN定義為：Sensing＋CPU＋Radio＝Thousands of potential application。
2.2 無線傳感器網絡的特點
WSN與傳統傳感器和測控系統相比具有明顯的優勢。它采用點對點或點對多點的無線連接，大大減少了電纜成本，在傳感器節點端即合并了模擬信號／數字信號轉換、數字信號處理和網絡通信功能，節點具有自檢功能，系統性能與可靠性明顯提升而成本明顯縮減。無線傳感器網絡具有多種特點。
1）硬件資源有限。WSN節點采用嵌入式處理器和存儲器，計算能力和存儲能力十分有限。所以，需要解決如何在有限計算能力的條件下進行協作分布式信息處理的難題。
2）電源容量有限。為了測量真實世界的具體值,各個節點會密集地分布于待測區域內,每個節點都要儲備可供長期使用的能量,或者自己從外汲取能量（太陽能）。
3）無中心。在無線傳感器網絡中,所有節點構成一個對等式網絡，沒有預先指定的中心，節點可以隨時加入或離開網絡，任何節點的故障不會影響整個網絡的運行，具有很強的抗毀性。各節點通過分布式算法來相互協調,在無人值守的情況下,節點就能自動組織起一個測量網絡。
4）自組織。網絡的布設和展開無需依賴于任何預設的網絡設施，節點通過分層協議和分布式算法協調各自的行為，節點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網絡。
5）多跳路由。WSN節點通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十到幾百米，節點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節點進行通信，則需要通過中間節點進行路由。WSN中的多跳路由是由普通網絡節點完成的。
6）動態拓撲。WSN是一個動態的網絡，一個節點可能會因為電池能量耗盡或其他故障，退出網絡運行，也可能由于工作的需要而被添加到網絡中。這些都會使網絡的拓撲結構隨時發生變化，因此網絡應該具有動態拓撲組織功能。
7）節點數量眾多，分布密集。WSN節點數量大、分布范圍廣，難于維護甚至不可維護。因此傳感器網絡的軟、硬件要求有好的健壯性和容錯性。
8）傳輸能力的有限性。無線傳感器網絡通過無線電波進行數據傳輸,省去了布線的煩惱,但是相對于有線網絡,低帶寬是它的缺陷。同時,還存在信號之間相互干擾,信號自身不斷衰減的問題。
9）安全性的問題。無線信道、有限的能量,分布式控制都使得無線傳感器網絡更容易受到攻擊。被動竊聽、主動入侵、拒絕服務則是這些攻擊的常見方式。因此,安全性在網絡的設計中至關重要。
3 無線傳感器網絡關鍵技術分析
3.1 組網模式
在確定采用無線傳感器網絡技術進行應用系統設計后，首先面臨的問題是采用何種組網模式，主要的組網模式有幾下幾種。
1）扁平組網模式。所有節點的角色相同，通過相互協作完成數據的交流和匯聚。
2）基于分簇的層次型組網模式。節點分為普通傳感節點和用于數據匯聚的簇頭節點，傳感節點將數據先發送到簇頭節點，然后由簇頭節點匯聚到后臺。
3）網狀網(Mesh)模式。Mesh模式在傳感器節點形成的網絡上增加一層固定無線網絡，用來收集傳感節點數據，另一方面實現節點之間的信息通信，以及網內融合處理。
4）移動匯聚模式。移動匯聚模式是指使用移動終端收集目標區域的傳感數據，并轉發到后端服務器。移動匯聚可以提高網絡的容量，但數據的傳遞延遲與移動匯聚節點的軌跡相關，如何控制移動終端軌跡和速率是該模式研究的重要內容。
3.2 拓撲控制
WSN技術中，拓撲控制的目的在于實現網絡的連通的同時保證信息的能量高效、可靠的傳輸。目前主要的拓撲控制技術分為時間控制、空間控制和邏輯控制三種。時間控制通過控制每個節點睡眠、工作的占空比，節點間睡眠起始時間的調度，讓節點交替工作，網絡拓撲在有限的拓撲結構間切換；空間控制通過控制節點發送功率改變節點的連通區域，使網絡呈現不同的連通形態，從而獲得控制能耗、提高網絡容量的效果；邏輯控制則是通過鄰居表將不“理想的”節點排除在外，從而形成更穩固、可靠和強健的拓撲。
3.3 媒體訪問控制和鏈路控制
媒體訪問控制(MAC)和鏈路控制解決無線網絡中普遍存在的沖突和丟失問題，根據網絡中數據流狀態控制臨近節點，乃至網絡中所有節點的信道訪問方式和順序，達到高效利用網絡容量，減低能耗的目的。要實現拓撲控制中的時間和空間控制，WSN MAC層的運行效率直接反應整個網絡的能量效率。
復雜環境的短距離無線射頻，在其覆蓋范圍內的過渡臨界區寬度與通信距離的比例，較長距離要大得多，更多鏈路將呈現復雜的不穩定特性，需要在MAC控制中更充分地考慮鏈路特性。同時，鏈路特征也是在數據轉發和匯聚中需要考慮的重要因素。
3.4 路由、數據轉發及跨層設計
WSN網絡中的數據流向與Internet相反，在WSN網絡中，終端設備是向網絡提供信息因此，WSN網絡層協議設計有自己的獨特要求。由于在WSN網絡中對能量效率的苛刻要求，研究人員通常利用MAC層的跨層服務信息來進行轉發節點、數據流向的選擇。另外，網絡在任務過程中一般要將任務信息傳送給所有的節點，因此設計能量高效的數據分發協議也是在網絡層技術研究的重點。網絡編碼技術是提高網絡數據轉發效率的一項技術，在分布式存儲網絡架構中，一份數據往往有不同的對其感興趣，網絡編碼技術通過有效減少網絡中數據包的轉發次數，來提高網絡容量和效率。
3.5 QoS保障和可靠性設計
QoS保障和可靠性設計技術是傳感器網絡走向可用的關鍵技術之一。QoS保障技術包括通信層控制和服務層控制。傳感器網絡大量的節點如果沒有質量控制，將很難完成實時監測環境變化的任務?？煽啃栽O計技術目的則是保證節點和網絡在惡劣工作條件下長時間工作。節點計算和通信模塊的失效直接導致節點脫離網絡，而傳感模塊的失效則可能導致數據出現岐變，造成網絡的誤警。如何通過數據檢測失效節點也是關鍵技術研究內容之一。
3.6 移動控制模型
隨著WSN組織結構從固定模式向半移動乃至全移動轉換，節點的移動控制模型變得越來越重要，當匯聚節點沿著網絡邊緣移動收集可以最大限度地提高網絡生命周期。多種匯聚點移動策略，可根據每輪數據匯聚情況，估計下一輪能夠最大延長網絡生命期的匯聚點位置。針對事件發生頻度自適應移動節點的位置，可使感知節點更多地聚集在使事件經常發生的地方，也可分擔事件匯報任務，延長網絡壽命。
4 總結
無線傳感器網絡被認為是影響人類未來生活的重要技術之一，就目前的技術水平來說，讓無線傳感器網正常運行并大量投入使用，雖然還面臨著通信、成本、能量供應和網絡結構等很多的問題。但毫無疑問的是無線傳感器網絡應用前景是非常誘人的，這一新興技術給人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑，同時也給人們提出了很多新的技術上的挑戰。
參考文獻
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無線傳感器網絡范文5
關鍵字：無線傳感網絡；測量；信道；網絡參數
隨著傳感器、無線通信、集成電路、微機電系統以及納米等技術和生產工藝的飛速發展和日益成熟，使得低成本、低功耗、多功能的集成微型傳感器的大量生產成為可能。無線傳感器網絡是一種特殊的Ad-hone網絡，可應用于布線和電源供給困難的區域以及作業人員不能到達的區域和一些臨時場合等。微型集成傳感器在極小的體積內集成了傳感器、微處理器、雙向無線通信模塊和供電模塊等多種電路模式。大量的多種廉價微型傳感器節點部署在監測區域內，通過利用關于無線電通信的軟件形成一個多跳的具有動態拓撲結構的自組織網絡系統就是無線傳感器網絡。
1關于無線傳感網絡的介紹
無線傳感器的應用環境通常是由廉價的傳感器節點組成的，每個節點都具有采集、存儲和處理環境信息的能力，并且能和鄰居節點通過無線鏈路保持通信。關于覆蓋問題是無線傳感器網絡配置首先面臨的基本問題，由于傳感器節點可能任意分布在配置區域的任意性，它反映了一個無線傳感器網絡在某區域被監測和跟蹤的時況。LanF.AkydidizD提出了WSN協議棧的五層模型，分別對應OSI參考模型物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層進行了介紹。如下：
1.1物理層
物理層：物理層為設備之間的數據通信提供傳輸媒體和互連設備，為數據傳輸提供環境物理層的媒體物理層，其中通信用的互連設備是指DTE和DCE間的互連設備。
1.2數據鏈路層
數據鏈路層主要負責數據流的多路選擇、數據幀偵測、媒介訪問和差錯控制，保證了點到點、點到多點的可靠性鏈接。媒介訪問控制為數據的傳輸建立了通信鏈路，并保證了對共享媒介的公平和有效的訪問。在無線傳感器網絡中，介質訪問控制協議決定著無線信道的使用方式，在傳感器節點之間的分配有限無線通信資源是用來構建傳感器網絡系統的底層基礎結構。
1.3網絡層
網絡層向上只提供簡單靈活的、無連接的、盡最大努力交付的數據包服務。網絡層不提供服務質量的承諾，即所傳送的分組，可能出錯、丟失、重復和失序，當然也不能保證分組傳送的時限。
1.4傳輸層
傳輸層是管理從匯聚節點到傳感節點的傳輸過程中WSN不適合設計通用的路由協議：能耗和計算復雜度。WSN是無基礎設施的網絡，其特點是電池供電、無人看守，并且電池不能補充，想要延長網絡壽命就必須降低能耗。
1.5應用層
在某種程度上可以把傳感器網絡看作一種由大量微型、廉價、能量有限的多功能傳感器節點組成的。由于傳感器網絡的特殊性，而導致傳感器網絡對操作系統的需求相對于傳統操作系統有較大的差異。
2無線傳感網絡的特點
無線傳感器網絡系統通常包括傳感器節點、匯聚節點和任務管理節點這三大部分。目前常見的無線網絡傳感器具有以下幾種特點：（1）具有計算能力、存儲空間、能耗和能量供應有限；（2）網絡通常具有自組織性網絡的布設和展開無需依賴于任何預設的網絡設施；（3）網絡的多跳路由性在網絡中節點通信距離一般有限，通常情況下在百米范圍內，節點只能與它相鄰的節點直接通信，如果想要與其射頻覆蓋范圍之外的節點進行通信，則需要通過中間節點進行路由連接；（4）網絡的動態拓撲性無線傳感器網絡是一個動態的網絡，節點可以隨處移動；（5）通常無中心性無線傳感器網絡中沒有嚴格的控制中心，因此所有節點地位平等；（6）節點稠密布置，協作感知；（7）節點具有數據融合的能力。
3無線傳感網絡測量的應用
無線傳感器網絡可以包含大量的由震動、紅外、聲音、圖像和雷達等多種不同類型傳感器組成的網絡節點，也可以用于監控溫度、濕度、壓力、噪聲、機械應力等不同的量。它在軍事、農業及環境、工業、醫療、空間探索、土木工程、跟蹤及物流管理等領域有著廣闊的應用前景。下面簡單的舉幾個應用的例子：
3.1野外的測量應用
通過傾角傳感器可以監測山體的運動狀況，山體往往由多層土壤或巖石組成，不同層次間由于物理構成和侵蝕程度不同，其運動速度也不同。發生這種情況的部署在不同深度的傾角傳感器將會返回不同的傾角數據。
無線傳感器網絡技術不僅使每個節點便于安裝部署，而且免去了有線接人的繁瑣過程，降低了成本，并且基于Xmesh的網絡能夠長期穩定、可靠地連續工作，保證數據的儲存和及時的更新。并且整個系統的工作模式也可以通過網絡隨時改變，以靈活適應不同的環境狀態。
3.2室內無線信道的應用
由于傳統的無線信道模型進行的無線傳感器網絡的研究和實現必然會因為信道模型的差異而帶來仿真結果和可信度的下降，甚至會影響無線傳感器網絡方案的設計效果。因此對無線信道模型是無線傳感器網絡的研究和實現變得越來越重要。
對于在無線路由器網絡在室內無線信道與室外相比，室內的多障礙物環境、地面、天花板和將比等結構會直接造成接收信號為不同方向的多種信號的合成而使信號在接收時發生，瞬時接收場強的快速波動。因此室內環境中的小尺度衰減對平均接收場強測定的影響遠大于室外，因此，測定室內大尺度衰減模型的難度大大提高了。
3.3無線傳感器網絡應用CSS擴頻通訊方式測量距離
利用一種軟件進行通訊方式測量距離，利用了無線傳感器網絡的先進技術，是現代化的一個新興技術。無線傳感器網絡應用CSS擴頻通訊方式測距實驗箱，配置IEEE802.15.4a位置追蹤功能的PHY，有著構建自控通信網、提供距離測量、定位解決方案等優勢。
3.4在地震監測中的應用
地震監測是指通過獲取地震發生時的震動信號，以有線或無線的方式將獲取的監測信息傳送到監控中心，然后通過對數據的分析，并進行相應的監控和預警。
A、有線地震監控網絡有線網絡是網絡測量中重要的信息傳輸方式，但有線網絡無法有效地對一些人力難以到達的環境惡劣的地區進行地震監測，而且在應急情況下有線網絡往往容易被破壞，無法實時傳送余震的信息。
B、無線地震監控網絡無線傳感器網絡相對于傳統的有線和其它無線網絡而言具有“具有自組織、自愈合”的特點。從而能夠適應復雜多變的環境，在監測各種有線網絡無法有效監測的地區，實現了災難預警與救助的功能。
結語
綜上所述，筆者憑借在規劃管理所多年的實踐經驗，對無線傳感器網絡測量方面應用的也有一定的認識，上文也簡要的介紹了一些應用方面。無線傳感器網絡測量作為一種新興技術，它擁有著廣泛的發展空間。利用無線網絡能夠實現靈活、可靠、安全的數據采集。相信隨著技術的進一步的開發與完善，會使得越來越多的傳統方法無法解決的問題迎刃而解。
參考文獻：
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無線傳感器網絡范文6
關鍵詞：錄井；無線；傳感器；網絡；低功耗
中圖分類號：TE 19 文獻標識碼：A 文章編號：1812-2485（2013）06-032-004
錄井施工需要利用傳感器對鉆井施工現場的各類數據進行采集，目前常用的方式是將分布在井場的傳感器，通過信號線連接到錄井儀器房的主控計算機進行采集處理。錄
[作者簡介] 袁吉魯（1963-），男，勝利石油管理局地質錄井公司，現主要從事綜合地質研究勘探開發技術管理工作。
井現場用于數據采集的傳感器基本分為模擬信號傳感器和脈沖信號傳感器兩大類，涉及鉆井參數測量、氣體參數測量、地質參數測量等應用。
無線傳感器網絡技術是近幾年提出的一種基于近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率和低成本的雙向無線通信技術。隨著短距離無線通信技術和電子元器件技術的發展，在錄井現場組建一種新型的無線傳感器網絡，是今后錄井技術發展的一個方向。
1 總體設計
1.1網絡拓撲結構
根據錄井現場的特點，無線傳感器網絡采用星形拓撲結構，以錄井儀器房為中心節點，中心天線安裝在錄井儀器房頂，覆蓋整個井場節點， 負責接收各節點無線傳輸的數據（圖1）。在無線傳感器網絡中， 每個節點分配一個唯一的ID， 數據的傳輸采用主從站方式。
圖1 錄井現場無線傳感器網絡拓撲結構
1.2 通訊協議
目前，常用的短距離無線通信技術主要有ZigBee、藍牙、WiFi、數傳電臺等，表1針對目前常用短距離無線通訊技術的特點進行了對比[1]。ZigBee技術是一項基于IEEE 802.15.4無線標準的低速率、低功率無線技術[2]，基本速率250 kb/s，傳輸范圍100m，當傳輸速率降低到28 kb/s時，傳輸范圍可擴大到134m，傳輸可靠性也進一步增強，可實現多節點聯網，具備擴展性好、功耗低、成本低、安裝簡單等特點。在錄井現場，單個傳感器節點通常情況下數據傳輸速率小于2kb/s，因此Zigbee無線通訊28kb/s的傳輸速率完全滿足現場要求，是組建錄井現場無線傳感器網絡的首選短距離通信技術。
2 網絡節點
將現有有線傳感器變為無線傳感器，需要做的工作的就是使其具備小型化、低能耗、滿足工業防爆要求和配備無線收發模塊，以及持久穩定的獨立供電技術。無線錄井傳感器網絡節點由無線傳感器網絡節點和主節點組成[3]。傳感器節點具有傳感器信號采集、處理和無線數據收發的功能；主節點具有多點信號檢測、數據處理及無線通信功能，收集傳感器數據并通過數據接口傳送到錄井設備。
2.1 主節點
主節點在錄井儀器房內，采用UPS供電，其設計不需考慮功耗，而將無線網絡覆蓋范圍和收發信號的穩定性作為優先考慮因素。主節點由高增益天線、無線傳輸模塊、電源模塊和輸出接口模塊組成（圖2），其功能是將收集的無線傳感器信號數據通過數據輸出接口傳輸到錄井采集系統。
圖2 主節點模塊組成
2.2 傳感器節點
無線傳感器節點是無線傳感器網絡的主要組成部分。傳感器由于被檢測對象的不同而分為不同類型， 但是一般都由傳感元件及信號處理模塊、微處理器、無線傳輸模塊、電源模塊四部分組成，其設計遵循可靠性與低功耗并重的原則，模塊組成如圖3所示。
圖3 無線傳感器節點模塊組成
2.2.1 電路微功耗設計。無線傳感器的設計必須考慮電路的功耗問題，無線傳感器的設計必須解決小型化乃至微型化、低功耗等問題。要實現無線傳感器的小型化，必須優化電路設計、使用新材料和新技術以便數據處理和控制器、通訊控制器及其他數模轉化電路等都集成在一塊芯片上，使傳感器的體積更小、功耗更低。在低能耗電路設計中，主要采用低功耗元件、優化改進電路、軟件節能控制等技術措施，以期達到降低綜合能耗的目的。
硬件電路設計可采取以下幾項措施：
（1）選用低功耗的CMOS芯片；
（2）選用自身消耗功耗小的電源調理芯片；
（3）射頻芯片選用待機電流小、收發電流穩定的芯片；
（4）降低微處理器工作頻率可以有效減小工作電流而降低功耗；
（5）在保證系統工作前提下，選用較低的工作電壓可以降低功耗。
2.2.2 傳感器節點電源管理。無線傳感器的供電技術是影響傳感器無線化的主要因素之一，通過降低節點傳感器功耗、增加電池容量、采用節點電源管理等方式，使節點的工作時間大大延長，從而實現長時間連續工作的目的。無線節點供電系統由外置電池、內置電池、電源管理模塊三部分組成。通常情況下，由外置電池為整個節點提供電力，電源管理模塊動態檢測電池電量并對節點各模塊進行電量分配，當電源管理模塊檢測電路檢測到電量低于設定值時，通過無線傳感網絡發出低電警告。
延長電池的使用時間，除通過增加電量，設計合理的低功耗電路外，還可通過對無線傳感器節點的整體能耗進行有效管理，利用動態電源管理技術使系統各個部分都運行在節能模式下，達到進一步降低能耗的目的。通過試驗測試，無線傳感器節點各部分功耗占節點總功耗的百分比[4]見圖4。
圖4 無線節點總功耗的百分比
測試表明，傳感器模塊和微處理器模塊的功耗很低，絕大部分能量消耗在無線傳輸模塊上，因此對無線傳輸模塊的能耗管理非常重要。電源管理策略是對不同模塊進行自動間斷供電，在這種供電模式下，無線傳感器節點或部分模塊被關閉或者處于低功耗狀態，直到數據發送[5]。
3網絡安全
無線傳感器網絡進行數據采集，必須采取必要的技術手段增加網絡的安全性。針對ZigBee無線網絡的技術特點，主要采取以下兩種措施增強安全性：一是從路由安全的角度出發，選擇能設置安全路由的主節點路由器和無線傳輸模塊，來保證主節點與各節點間的通訊安全；二是開發專用安全協議，將每個傳感器節點的信息進行編碼，在主節點接收到無線節點信息后，根據通訊協議的約定進行解碼，然后通過節點信息中包含的唯一識別符、傳感器類型指示符和傳感器數據測量值等信息，區別分辨每個傳感器發送來的信息，達到信息的安全保護。
4 結束語
在石油勘探領域，無線傳感器技術的發展應用也在快速發展變化，錄井傳感器技術正逐漸由有線向無線發展，技術創新層出不窮，產品不斷推陳出新。無線錄井傳感器網絡，將錄井傳感器與錄井儀的連接由有線變為無線，大大減少了施工現場信號線、電源線的架設，為鉆井施工提供了方便，進一步提高了生產安全性，具有很好的推廣應用價值，應用前景廣闊。
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