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无线传感器网络技术发展现状

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无线传感器网络技术发展现状

Development Status of Wireless Sensor Network

2009-09-25

作者:朱红松,孙利民

摘要:在对无线传感器网路(WSN)产生和发展、技术成熟程度分析的基础上,文章分析了WSN 组网模式、拓扑控制、媒体访问控制(MAC)和链路控制、路由与数据转发及跨层设计、时间同步技术、自定位和目标定位技术等组网关键技术和应用支撑技术方面的研究内容。基于应用中的典型实用和示范系统,文章对WSN的应用进行了分类。

关键字:无线传感器网络;自组织网络;无线Mesh网络;分簇控制;能量效率;移动控制

英文摘要:The article introduces the startup, roadmap of Wireless Sensor Network (WSN), and its maturity in techniques and market, and surveys key research topics and techniques supporting applications in this area, including networking model, topology control, media access and link control, routing, data forwarding and cross-layer design technique, time synchronization, node positioning, object tracking, etc. Based on practical application and demonstration of the typical

systems, the paper classifies applications of WSN.

英文关键字:wireless sensor network; Ad hoc network; wireless mesh networks; clustering control;

energy efficiency; motion control

基金项目:国家重点基础研究发展规划(“973”计划)项目(2006CB303000);国家自然科学基金资助项目(60773055)

无线传感器网络(WSN)是信息科学领域中一个全新的发展方向,同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中,使得传感器节点不仅具有数据采集能力,而且具有滤波和信息处理能力;无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力,大大延长了传感器的感知触角,降低了传感器的工程实施成本;无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中,使得传感器不再是单个的感知单元,而是能够交换信息、协调控制的有机结合体,实现物与物的互联,把感知触角深入世界各个角落,必

将成为下一代互联网的重要组成部分。

1 无线传感器网络技术发展背景

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。

1.1 WSN相关的会议和组织

WSN网络技术一经提出,就迅速在研究界和工业界得到广泛的认可。1998年到2003年,各种与无线通信、Ad Hoc网络、分布式系统的会议开始大量收录与WSN网络技术相关的文章。2001年,美国计算机学会(ACM)和IEEE成立了第一个专门针对传感网技术的会议International Conference on Information Processing in Sensor Network(IPSN),为WSN网络的技术发展开拓了一片新的技术园地。2003年到2004年,一批针对传感网技术的会议相继组建。ACM在2005年还专门创刊ACM Transaction on Sensor Network,用来出版最优秀的传感器网络技术成果。2004年,Boston大学与BP、Honeywell、Inetco Systems、Invensys、Millennial Net、Radianse、Sensicast Systems等公司联合创办了传感器网络协会,旨在促进WSN技术的开发。2006年10月,在中国北京,中国计算机学会传感器网络专委会正式成立,标志着中国WSN技术研究开始进入一个新的历史阶段。

1.2 相关科研和工程项目

美国从20世纪90年代开始,就陆续展开分布式传感器网络(DSN)、集成的无线网络传感器(WINS)、智能尘埃(Smart Dust)、?滋AMPS、无线嵌入式系统(WEBS)、分布式系统可升级协调体系结构研究(SCADDS)、嵌入式网络传感(CENS)等一系列重要的WSN网络研究项目。

自2001年起,美国国防部远景研究计划局(DARPA)每年都投入千万美元进行WSN网络技术研究,并在C4ISR基础上提出了C4KISR计划,强调战场情报的感知能力、信息的综合能

力和利用能力,把WSN网络作为一个重要研究领域,设立了Smart Sensor Web、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统等一系列的军事传感器网络研究项目。在美国自然科学基金委员会的推动下,美国如麻省理工学院、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、南加州大学、康奈尔大学、伊利诺斯大学等许多著名高校也进行了大量WSN网络的基础理论和关键技术的研究。美国的一些大型IT公司(如Intel、HP、Rockwell、Texas Instruments等)通过与高校合作的方式逐渐介入该领域的研究开发工作,并纷纷设立或启动相应的研发计划,在无线传感器节点的微型化、低功耗设计、网络组织、数据处理与管理以及WSN网络应用等方面都取得了许多重要的研究成果。Dust Networks和Crossbow Technologies等公司的智能尘埃、Mote、Mica系列节点已走出实验

室,进入应用测试阶段。

除美国以外,日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣,

并各自展开了该领域的研究工作。

中国现代意义的WSN网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动,首先被记录在1999年发表的中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告中。

2001年,中国科学院成立了微系统研究与发展中心,挂靠中科院上海微系统所,旨在整合中科院内部的相关单位,共同推进传感器网络的研究。从2002年开始,中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。截至2008年底,中国国家自然基金共支持面上项目111项、重点项目3项;国家“863”重点项目发展计划共支持面上项目30余项,国家重点基础研究发展计划“973”也设立2项与传感器网络直接相关的项目;国家发改委中国下一代互联网工程项目(CNGI)也对传感器网络项目进行了连续资助。“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向,其中2个与无线传感器网络研究直接相关。最值得一提的是,中国工业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中,有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对传感器网络技术而设立的。该专项的设立将大大推进WSN网络技术在应用领

域的快速发展。

1.3 WSN技术的成熟度分析

Gartner信息技术研究与咨询公司从2005年到2008年对WSN网络的技术追踪和评估。2005年,Gartner认为WSN技术的关注度已经越过了膨胀高峰并回归理性,表现为以美国为首的科研人员开始理性反思这种技术模式是不是有进一步推广和发展的机会。当时的预期比较乐观,认为该技术将在2~5年内走向成熟。2006年,Gartner的评估认为该技术正按照预定曲线前行,但成熟时间要更长一些;而到了2007年,Gartner发现对该技术的关注度又有大幅度回升,但其市场并没有走向高产能期,而是似乎又回到了技术膨胀期。同时,距离成

熟的时间仍然是10年以上。

超过5年的市场预测往往意味公司对该项技术缺乏准确的判断。从这一点上看,WSN技术从市场的角度上看还有些扑朔迷离。Gartner的2008年技术预测报告中没有对该领域进行预测也正是基于这一点。这种结果的可能原因是杀手级应用所需的几项关键性的支撑技术目前难于突破,微型化、可靠性、能量供给在目前看来是制约应用的最大问题。另外,这些技术之间还彼此制约。首先,微型化使节点通信距离变短,路径长度增加,数据延迟难于预期;其次,能量获取和存储容量与设备体积(表面积)呈正比,充足的能源和微型化设计之间的矛盾难于调和;再有,现有电子技术还很难做到可降解的绿色设计,微型化给回收带来困难,

从而威胁到环境健康。

市场不会向技术妥协,如果一项技术不能在方方面面做到完美就很难被市场所接受。无线传感器网络技术要想在未来十几年内有所发展,一方面要在这些关键的支撑技术上有所突破;另一方面,就要在成熟的市场中寻找应用,构思更有趣、更高效的应用模式。值得庆幸的是,WSN技术在中国找到了发展机会。政府引导、研究人员推动和企业的积极参与大大加快了WSN技术的市场化进程。中国必将在WSN技术和市场推进中发挥重要作用。

2 WSN技术体系及其发展现状

WSN技术是多学科交叉的研究领域,因而包含众多研究方向,WSN技术具有天生的应用相关性,利用通用平台构建的系统都无法达到最优效果。WSN技术的应用定义要求网络中节点设备能够在有限能量(功率)供给下实现对目标的长时间监控,因此网络运行的能量效率是一切技术元素的优化目标。下面从核心关键技术和关键支撑技术两个层面分别介绍应用系统

所必须的设计和优化的技术要点。

2.1 核心关键技术

2.1.1 组网模式

在确定采用无线传感器网络技术进行应用系统设计后,首先面临的问题是采用何种组网模式。是否有基础设施支持,是否有移动终端参与,汇报频度与延迟等应用需求直接决定了

组网模式。

(1)扁平组网模式

所有节点的角色相同,通过相互协作完成数据的交流和汇聚。最经典的定向扩散路由

(Direct Diffusion)研究的就是这种网络结构。

(2)基于分簇的层次型组网模式

节点分为普通传感节点和用于数据汇聚的簇头节点,传感节点将数据先发送到簇头节点,然后由簇头节点汇聚到后台。簇头节点需要完成更多的工作、消耗更多的能量。如果使用相同的节点实现分簇,则要按需更换簇头,避免簇头节点因为过渡消耗能量而死亡。

(3)网状网(Mesh)模式

Mesh模式在传感器节点形成的网络上增加一层固定无线网络,用来收集传感节点数据,另一方面实现节点之间的信息通信,以及网内融合处理。Akyildiz L F等[1]总结了无线Mesh

网络的应用模式。

(4)移动汇聚模式

移动汇聚模式是指使用移动终端收集目标区域的传感数据,并转发到后端服务器。移动汇聚可以提高网络的容量,但数据的传递延迟与移动汇聚节点的轨迹相关。如何控制移动终端轨迹和速率是该模式研究的重要目标。Kim等[2]提出的SEAD分发协议就是针对这种组网模式。Bi Y等[3-4]研究了多种Sink的移动汇聚模式。

此外,还有其他类型的网络。如当传感节点全部为移动节点,通过与固定的Mesh网络进行数据通信(移动产生的通信机会),可形成目前另一个研究热点,即机会通信模式。

2.1.2 拓扑控制

组网模式决定了网络的总体拓扑结构,但为了实现WSN网络的低能耗运行,还需要对节点连接关系的时变规律进行细粒度控制。目前主要的拓扑控制技术分为时间控制、空间控制和逻辑控制3种。时间控制通过控制每个节点睡眠、工作的占空比,节点间睡眠起始时间的调度,让节点交替工作,网络拓扑在有限的拓扑结构间切换;空间控制通过控制节点发送功率改变节点的连通区域,使网络呈现不同的连通形态,从而获得控制能耗、提高网络容量的效果;逻辑控制则是通过邻居表将不“理想的”节点排除在外,从而形成更稳固、可靠和强健的拓扑。WSN技术中,拓扑控制的目的在于实现网络的连通(实时连通或者机会连通)的同

时保证信息的能量高效、可靠的传输。

Kumar S等[5]研究了在睡眠唤醒进行能耗控制的网络中实现k 连通的条件。Chen Ai 等[6]研究了栅栏(边界)防护应用中的拓扑覆盖问题。Li X[7]则通过图理论研究无线网络的拓扑控制算法。Wang X、Ye F、Schurgers C和Lu G等学者[8]研究了如何利用连通的骨干网络减少网络活动开销,延长网络生命周期问题。

2.1.3 媒体访问控制和链路控制

媒体访问控制(MAC)和链路控制解决无线网络中普遍存在的冲突和丢失问题,根据网络中数据流状态控制临近节点,乃至网络中所有节点的信道访问方式和顺序,达到高效利用网

络容量,减低能耗的目的。要实现拓扑控制中的时间和空间控制,WSN的MAC层需要配合完成睡眠机制、时分信道分配和空分复用等功能。Ye W等[9]提出了WSN最经典的基于睡眠的MAC协议——S-MAC;Ahn G-S等[10]研究了在最后两跳内采用时分复用方式缓解由最后两跳冲突引入的“漏斗”效应;Rajendran V等[11]研究了WSN中无竞争访问的高能效方法;Zhai H[12]和Kim Y[13]等则研究了基于多射频、多信道的MAC协议。MAC控制是WSN最为活跃的研究热点,因为MAC层的运行效率直接反应整个网络的能量效率。

复杂环境的短距离无线链路特性与长距离完全不同,短距离无线射频在其覆盖范围内的过渡临界区宽度与通信距离的比例要大得多,因而更多链路呈现复杂的不稳定特性。Ganeson D等[14],Zhao J等[15]通过大量的实验验证了过渡区的存在;Zuniga M等[16]分析了过渡区的成因。复杂的链路特征需要在MAC控制中更充分地考虑链路特性,Zhu H等[17]研究了适应链路特性的多链路MAC控制机制。链路特征同时也是在数据转发和汇聚中需要考虑的

重要因素。

2.1.4 路由、数据转发及跨层设计

WSN网络中的数据流向与Internet相反:在Internet网络中,终端设备主要从网络上获取信息;而在WSN网络中,终端设备是向网络提供信息。因此,WSN网络层协议设计有自己的独特要求。由于在WSN网络中对能量效率的苛刻要求,研究人员通常利用MAC层的跨层服务信息来进行转发节点、数据流向的选择。另外,网络在任务发布过程中一般要将任务信息传送给所有的节点,因此设计能量高效的数据分发协议也是在网络层研究的重点。网络编码技术也是提高网络数据转发效率的一项技术。在分布式存储网络架构中,一份数据往往有不同的代理对其感兴趣,网络编码技术通过有效减少网络中数据包的转发次数,来提高网络

容量和效率。

2.1.5 QoS保障和可靠性设计

QoS保障和可靠性设计技术是传感器网络走向可用的关键技术之一。QoS保障技术包括通信层控制和服务层控制。传感器网络大量的节点如果没有质量控制,将很难完成实时监测环境变化的任务。可靠性设计技术目的则是保证节点和网络在恶劣工作条件下长时间工作。节点计算和通信模块的失效直接导致节点脱离网络,而传感模块的失效则可能导致数据出现岐变,造成网络的误警。如何通过数据检测失效节点也是关键研究内容之一。

2.1.6 移动控制模型

随着WSN组织结构从固定模式向半移动乃至全移动转换,节点的移动控制模型变得越来越重要。Luo J等[18]指出,当汇聚节点沿着网络边缘移动收集可以最大限度地提高网络生命周期;Bi Y等提出了多种汇聚点移动策略,根据每轮数据汇聚情况,估计下一轮能够最大延长网络生命期的汇聚点位置。Butler Z等针对事件发生频度自适应移动节点的位置,使感知节点更多地聚集在使事件经常发生的地方,从而分担事件汇报任务,延长网络寿命。

2.2 关键支撑技术

2.2.1 WSN网络的时间同步技术

时间同步技术是完成实时信息采集的基本要求,也是提高定位精度的关键手段。常用方法是通过时间同步协议完成节点间的对时,通过滤波技术抑制时钟噪声和漂移。最近,利用耦合振荡器的同步技术实现网络无状态自然同步方法也倍受关注,这是一种高效的、可无限

扩展的时间同步新技术。

2.2.2 基于WSN的自定位和目标定位技术

定位跟踪技术包括节点自定位和网络区域内的目标定位跟踪。节点自定位是指确定网络中节点自身位置,这是随机部署组网的基本要求。GPS技术是室外惯常采用的自定位手段,但一方面成本较高,另一方面在有遮挡的地区会失效。传感器网络更多采用混合定位方法:手动部署少量的锚节点(携带GPS模块),其他节点根据拓扑和距离关系进行间接位置估计。目标定位跟踪通过网络中节点之间的配合完成对网络区域中特定目标的定位和跟踪,一般建

立在节点自定位的基础上。

2.2.3 分布式数据管理和信息融合

分布式动态实时数据管理是以数据中心为特征的WSN网络的重要技术之一。该技术通过部署或者指定一些节点为代理节点,代理节点根据监测任务收集兴趣数据。监测任务通过分布式数据库的查询语言下达给目标区域的节点。在整个体系中,WSN网络被当作分布式数据库独立存在,实现对客观物理世界的实时和动态的监测。

信息融合技术是指节点根据类型、采集时间、地点、重要程度等信息标度,通过聚类技术将收集到的数据进行本地的融合和压缩,一方面排除信息冗余,减小网络通信开销,节省能量;另一方面可以通过贝叶斯推理技术实现本地的智能决策。

2.2.4 WSN的安全技术

安全通信和认证技术在军事和金融等敏感信息传递应用中有直接需求。传感器网络由于部署环境和传播介质的开放性,很容易受到各种攻击。但受无线传感器网络资源限制,直接应用安全通信、完整性认证、数据新鲜性、广播认证等现有算法存在实现的困难。鉴于此,研究人员一方面探讨在不同组网形式、网络协议设计中可能遭到的各种攻击形式;另一方面设计安全强度可控的简化算法和精巧协议,满足传感器网络的现实需求。

2.2.5精细控制、深度嵌入的操作系统技术

作为深度嵌入的网络系统,WSN网络对操作系统也有特别的要求,既要能够完成基本体系结构支持的各项功能,又不能过于复杂。从目前发展状况来看,TinyOS是最成功的WSN 专用操作系统。但随着芯片低功耗设计技术和能量工程技术水平的提高,更复杂的嵌入式操作系统,如Vxworks、Uclinux和Ucos等,也可能被WSN网络所采用。

2.2.6 能量工程

能量工程包括能量的获取和存储两方面。能量获取主要指将自然环境的能量转换成节点可以利用的电能,如太阳能,振动能量、地热、风能等。2007年在无线能量传递方面有了新的研究成果:通过磁场的共振传递技术将使远程能量传递。这项技术将对WSN技术的成熟和发展带来革命性的影响。在能量存储技术方面,高容量电池技术是延长节点寿命,全面提高节点能力的关键性技术。纳米电池技术是目前最有希望的技术之一。

3 基于WSN网络的应用系统发展现状

WSN网络是面向应用的,贴近客观物理世界的网络系统,其产生和发展一直都与应用相联系。多年来经过不同领域研究人员的演绎,WSN技术在军事领域、精细农业、安全监控、环保监测、建筑领域、医疗监护、工业监控、智能交通、物流管理、自由空间探索、智能家

居等领域的应用得到了充分的肯定和展示。

2005年,美国军方成功测试了由美国Crossbow产品组建的枪声定位系统,为救护、反恐提供有力手段。美国科学应用国际公司采用无线传感器网络,构筑了一个电子周边防御系统,

为美国军方提供军事防御和情报信息。

中国,中科院微系统所主导的团队积极开展基于WSN的电子围栏技术的边境防御系统的

研发和试点,已取得了阶段性的成果。

在环境监控和精细农业方面,WSN系统最为广泛。2002年,英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园,这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。杭州齐格科技有限公司与浙江农科院合作研发了远程农作管理决策服务平台,该平台利用了无线传感器技术实现对农田温室大棚温度、湿度、露点、光照等环境信息的监测。

在民用安全监控方面,英国的一家博物馆利用无线传感器网络设计了一个报警系统,他们将节点放在珍贵文物或艺术品的底部或背面,通过侦测灯光的亮度改变和振动情况,来判断展览品的安全状态。中科院计算所在故宫博物院实施的文物安全监控系统也是WSN技术在

民用安防领域中的典型应用。

现代建筑的发展不仅要求为人们提供更加舒适、安全的房屋和桥梁,而且希望建筑本身能够对自身的健康状况进行评估。WSN技术在建筑结构健康监控方面将发挥重要作用。2004

年,哈工大在深圳地王大厦实施部署了监测环境噪声和震动加速度响应测试的WSN网络系

统。

在医疗监控方面,美国英特尔公司目前正在研制家庭护理的无线传感器网络系统,作为美国“应对老龄化社会技术项目”的一项重要内容。另外,在对特殊医院(精神类或残障类)中病人的位置监控方面,WSN也有巨大应用潜力。

在工业监控方面,美国英特尔公司为俄勒冈的一家芯片制造厂安装了200台无线传感器,用来监控部分工厂设备的振动情况,并在测量结果超出规定时提供监测报告。西安成峰公司与陕西天和集团合作开发了矿井环境监测系统和矿工井下区段定位系统。

在智能交通方面,美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”,预计到2025年全面投入使用。该系统综合运用大量传感器网络,配合GPS系统、区域网络系统等资源,实现对交通车辆的优化调度,并为个体交通推荐实时的、最佳的行车路线服务。目前在美国的宾夕法尼亚州的匹兹堡市已经建有这样的智能交通信息系统。

中科院上海微系统所为首的研究团队正在积极开展WSN在城市交通的应用。中科院软件所在地下停车场基于WSN网络技术实现了细粒度的智能车位管理系统,使得停车信息能够迅速通过发布系统推送给附近的车辆,大大提高率了停车效率。

物流领域是WSN网络技术是发展最快最成熟的应用领域。尽管在仓储物流领域,RFID 技术还没有被普遍采纳,但基于RFID和传感器节点在大粒度商品物流管理中已经得到了广泛的应用。宁波中科万通公司与宁波港合作,实现基于RFID网络的集装箱和集卡车的智能化管理。另外,还使用WSN技术实现了封闭仓库中托盘粒度的货物定位。

WSN网络自由部署、自组织工作模式使其在自然科学探索方面有巨大的应用潜力。2002年,由英特尔的研究小组和加州大学伯克利分校以及巴港大西洋大学的科学家把WSN技术应用于监视大鸭岛海鸟的栖息情况。2005年,澳洲的科学家利用WSN技术来探测北澳大利亚蟾蜍的分布情况。佛罗里达宇航中心计划借助于航天器布撒的传感器节点实现对星球表面大范

围、长时期、近距离的监测和探索。

智能家居领域是WSN技术能够大展拳脚的地方。浙江大学计算机系的研究人员开发了一种基于WSN网络的无线水表系统,能够实现水表的自动抄录。复旦大学、电子科技大学等单位研制了基于WSN网络的智能楼宇系统,其典型结构包括了照明控制、警报门禁,以及家电控制的PC系统。各部件自治组网,最终由PC机将信息发布在互联网上。人们可以通过互联

网终端对家庭状况实施监测。

WSN在应用领域的发展可谓方兴未艾,要想进一步推进该技术的发展,让其更好为社会和人们的生活服务,不仅需要研究人员开展广泛的应用系统研究,更需要国家、地区,以及

优质企业在各个层面上的大力推动和支持。

4 结束语

WSN网络从机制研究、系统研发,到应用示范试点,正在努力走向技术和产业的成熟。在中国,政府的引导、研究人员的推动和企业的积极参与使WSN网络技术快速稳步发展。为了让WSN更快地进入应用产业,为更多人服务,必须在努力寻找独特的杀手锏应用的同时,更多地将目光转向改善成熟产业中对自动化监测、检验和管理的应用需求,为其量身订做协议、软件和产品,并努力做到与现有管理系统的无缝连接。只有在应用和市场上站稳脚跟,

才能保持WSN在技术上的持续发展。

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M E M S传感器的现状及 发展前景 集团标准化小组:[VVOPPT-JOPP28-JPPTL98-LOPPNN]

毕 业 设 计 指 导 课 论 文 MEMS传感器的现状及发展前景 摘要:MEMS传感器是随着纳米技术的发展而兴起的新型传感器,具有很多新的特性,相对传统传感器其具有更大的优势。在追求微型化的当代,其具有良好的发展前景,必将受到各个国家越来越多的重视。文章首先介绍了MEMS传感器的分类和典型应用,然后着重对几个传感器进行了介绍,最后对MEMS传感器的发展趋势与发展前景进行了分析。 关键词:MEMS传感器;加度计;陀螺仪;纳米技术;微机构;微传感器StatusandDevelopmentProspectofMEMSSensors Abstract:MEMSsensorisanewtypeofsensorwiththedevelopmentofnanotechnology.Ithasma nynewfeatures,whichhasagreatadvantageovertraditionalsensors.Inthepursuitofminia turizationofthecontemporary,itsgoodprospectsfordevelopment,willbesubjecttomorea

ndmoreattentioninvariouscountries.Firstly,theclassificationandtypicalapplicatio nofMEMSsensorareintroduced.Then,severalsensorsareintroduced.Finally,thedevelopm enttrendanddevelopmentprospectofMEMSsensorareanalyzed. Keywords:MEMSsensor;accelerometer;gyroscope;nanotechnology;micro- mechanism;micro-sensor 目录 一、引言 MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器,是MEMS器件的一个重要分支。1962年,第一个硅微型压力传感器的问世开创了MEMS技术的先河,MEMS技术的进步和发展促 进了传感器性能的提升。作为MEMS最重要的组成部分,MEMS传感器发展最快,一直受到各发达国家的广泛重视。美、日、英、俄等世界大国将MEMS传感器技术作为战略性的研究领域之一,纷纷制定发展计划并投入巨资进行专项研究。 随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展,MEMS传感器凭借体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势,极大地促进了传感器的微型化、智能化、多功能化和网络化发展。MEMS传感器正逐步占据传感器市场,并逐渐取代传统机械传感器的主导地位,已得到消费电子产品、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等各领域的青睐。

无线传感器网络技术试题

无线传感器网络技术试 题 Company Document number:WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

一、填空题 1. 传感器网络的三个基本要素:传感器、感知对象、用户(观察者) 2. 传感器网络的基本功能:协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3. 无线传感器节点的基本功能:采集数据、数据处理、控制、通信 4. 传感节点中处理部件用于协调节点各个部分的工作的部件。 5. 基站节点不属于传感器节点的组成部分 6. 定向扩散路由机制可以分为三个阶段:兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7. 无线传感器网络特点:大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 8. NTP时间同步协议不是传感器网络的的时间同步机制。 物理层。介质访问控制层 10. 从用户的角度看,汇聚节点被称为网关节点。 11. 数据融合的内容主要包括:多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测 13. 传感器网络的电源节能方法:_休眠(技术)机制、__数据融合 14. 分布式系统协同工作的基础是时间同步机制 15. 无线网络可以被分为有基础设施的网络与没有基础设施的网络,在无线传感器网络,Internet网络,WLan网络,拨号网络中,无线传感器网络属于没有基础设施的网络。 16. 传感器网络中,MAC层与物理层采用的是IEEE制定的IEEE协议

17. 分级结构的传感器网络可以解决平面结构的拥塞问题 18. 以数据为中心特点是传感器网络的组网特点,但不是Ad-Hoc的组网特点 19. 为了确保目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突,目标节点使用了SIFS帧间间隔 20. 典型的基于竞争的MAC协议为CSMA 二、选择题 1.无线传感器网络的组成模块分为:通信模块、()、计算模块、存储模块和电源模块。A A.传感模块模块 C网络模块 D实验模块 2..在开阔空间无线信号的发散形状成()。A A.球状 B网络 C直线 D射线 3.当前传感器网络应用最广的两种通信协议是()D A. B. C. D. 4.ZigBee主要界定了网络、安全和应用框架层,通常它的网络层支持三种拓扑结构,下列哪种不是。D A.星型结构、B网状结构C簇树型结构D树形结构 5.下面不是传感器网络的支撑技术的技术。B A.定位技术B节能管理C时间同步D数据融合 6.下面不是无线传感器网络的路由协议具有的特点D A.能量优先 B.基于局部拓扑信息 C.以数据为中心 D预算相关 7.下面不是限制传感器网络有的条件C A电源能量有限 B通信能力受限 C环境受限 D计算和存储能力受限

基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现

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

移动互联网现状及其发展趋势

移动互联网现状及其趋势 班级: 姓名: 学号: 学院 【摘要】在我国,移动互联网正在成为主流的无线网络业务。得益于移动互联网的方便性和全面性,大量行业和企业有了快速发展。未来,移动互联网的发展将继续影响这些行业和企业。随着移动互联网的迅速发展,在业务、模式创新以及全球性战略竞争与布局围绕移动互联网全面展开。其中,由于移动互联网的发展模式和格局尚在形成之中,其发展趋势将对未来的互联网产业、移动通信产业乃至电信业和整个信息产业的影响巨大化。本文对移动互联网的特点及发展趋势,以及移动互联网迅速发展的原因进行了分析,并对深入思考了移动互联网的发展潜力。 【关键词】移动换联网、现状、发展趋势 计算机和网络技术的发展已经到了极为迅速的程度,在此基础上,随着移动通信技术的成熟和发展,我国的移动互联网成为新的发展先锋。由于移动互联网比基于PC端的“传统互联网”更加方便、快捷,因此更受人们的青睐,同样也引起了市场和企业的注意。大量行业龙头借助移动互联网实现了扩张,而一些原本发展乏力的行业焕发了生机。 一、移动互联网 广义上说,移动互联网指的是利用移动协议和设备将手持终端接人互联网的联结方式。从技术角度看,移动互联网指的是基于IP宽带技术并能够提供数据和多媒体开

放式业务的电信网络。从终端角度看,移动互联网由网络、终端和应用共同构成,即用户借助手机、平板电脑或笔记本电脑,利用移动网络,借助各类应用实现信息查询和数据的传递。 二、移动互联网的特点 便携。移动互联网终端以手机和平板电脑为主,现在市场上也出现了智能手环、智能手表和智能眼镜等随身设备,这些设备在“智能化”以前本就是人们随身携带的物品,因此这些智能设备与以往相比并没有增加用户使用中的不便,便携性能依然优越。便捷。移动互联网与“传统”互联网不同,能够通过不同的方式与互联网相连,只要有移动网络,就能联网,不再依赖于接线插口或其他端口,因此使用过程中更加便捷。即时。移动互联网使人们能够利用“碎片时间”处理一些简单事物,例如收发简单的邮件或接受工作指令,如果用户愿意的话,可以24小时都联网接收和处理信息,不会再有重要信息被错过。强制。移动互联网的“强制性”是一种相对的特点,与“传统”互联网相比,移动互联网使人们习惯于不断查看手机或其他移动设备,每一条信息都有声音或其他提示,这使用户不得不及时处理这些信息。这也体现了移动互联网的软性强制性。封闭。相对于“传统”互联网来说,移动互联网由于基于移动通信信号,因此可以说与用户的手机号码“绑定”了,而无论用户是否用手机号码在各大网站注册,相对于“传统”互联网来说,监控范围更广泛,而人们的视角也相对更加封闭。 三、移动互联网的现状 PC端流量增长出现瓶颈,移动端流量上升。从总体来看,现在整个PC互联网的用户和流量方面的增长已经出现瓶颈。虽然CNNIC的报告当中,PC互联网或者整体互联网的用户规模仍存在放缓式的增长,网民每年增长500。万左右。但根据监测,在PC互联网上用户产生的流量已经开始有下滑的趋势;许多基于PC的网络服务电子邮箱、网页搜索、社区、独立SNS、博客等,其日均覆盖用户开始出现不同程度的下降。在过去半年时间里,PC客户端的日均覆盖人数下降了7.9%,PC网页端的日均覆盖人数下降15.4%。而在移动APP和移动网页上,这一数字分别增长了46%和41.6%,其中以即时通讯、移动网络购物、应用商店的日均覆盖人数增长尤为迅速。使用APP和用官方浏览器去查看移动网页的用户都有快速的增长,在过去8个月当中,增长率超过了40%。据艾瑞的统计数据,用户使用APP和他们浏览网页的总时间的比例发生了非常惊人的变化。这说明目前大家在PC领域浏览网页的时间仅仅是移动互联网APP使用总时间的2倍左右,而且移动互联网的发展速度还会继续加快。整个移动互联网的发展实际上只有两三年的时间,但是用户在移动智能终端花费的时间已经出现了非常快速的增长。 PC主要服务流量下降,移动端各项服务流量上升。目前很多基于PC的网络服务时长开始出现一些下降,如电子邮箱、网页搜索、社区、独立SNS,以及博客等的数据都在迅速下滑,下降幅度最大的是博客。博客服务早已过了它的辉煌时期,现在还在使用博客的用户已经不多了,用户都转移到了其他的社交服务。同时,PC端的其他社交服务,比如独立SNS、社区等,也都呈现出下滑的趋势。相对来说,PC端服务下降幅度最小的是网页搜索,可见搜索仍然是PC端最重要的入口之一。相比PC端的流量全线下降,移动端各项服务都呈现出较为明显的增长,其中增速最高的是网络购物。这几年,淘宝“双11”活动对于移动购物是一个极大的促进,很有力地培养了用户在移动端的购物习惯。因此,移动网购应用的覆盖人数出现了突下漏讲的增长。 此外,移动端的即时通讯服务几年来却涨幅颇大,即时通讯服务是移动端最为重要,也是最基础的服务类型之一,这个类别的快速增长主要是由于微信的带动。微信已经成为移动端的杀手级应用,其增长是有目共睹的,因此移动端即时通讯服务也借了微信的

无线传感器网络的特点

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。

(完整版)传感器的目前现状与发展趋势综述

传感器的目前现状与发展趋势 吴伟 1106032008 材控2班 摘要:传感器是高度自动化系统乃至现代尖端技术必不可少的一个关键组成部分。传感器技术是世界各国竞相发展的高新技术,也是进入21 世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。传感器技术所涉及的知识领域非常广泛,其研究和发展也越来越多地和其他学科技术的发展紧密联系。本文首先介绍了传感器的基本知识和传感器技术的发展历史。之后,综述了近几年高端前沿的光电传感器技术和生物传感器技术的主要研究状况。最后,展望了现代传感器技术的发展和应用前景。 关键词:传感器技术;传感器;研究现状;趋势 引言 当今社会的发展,是信息化社会的发展。在信息时代,人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段,是现代科学的中枢神经系统。它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能,并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置,一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。如果把计算机比喻为处理和识别信息的“大脑”,把通信系统比喻为传递信息的“神经系统”,那么传感器就是感知和获取信息的“感觉器官”。 传感器技术是现代科技的前沿技术,发展迅猛,同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱,许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置。现代传感器技术具有巨大的应用潜力,拥有广泛的开发空间,发展前景十分广阔。 1 传感器的基本知识

1.1 传感器的定义和组成 广义地说,传感器是指将被测量转化为可感知或定量认识的信号的传感器。从狭义方面讲,感受被测量,并按一定规律将其转化为同种或别种性质的输出信号的装置。传感器一般由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源四部分组成,其中敏感元件和转换元件可能合二为一,而有的传感器不需要辅助电源。 1.2 传感器技术的基本特性 在测试过程中,要求传感器能感受到被测量的变化并将其不失真地转换成容易测量的量。被测量有两种形式:一种是稳定的,称为静态信号;一种是随着时间变化的,称为动态信号。由于输入量的状态不同,传感器的输入特性也不同,因此,传感器的基本特性一般用静态特性和动态特性来描述。衡量传感器的静态特性指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和漂移等。影响传感器的动态特性主要是传感器的固有因素,如温度传感器的热惯性等,动态特性还与传感器输入量的变化形式有关。 2 传感器技术的发展历史与回顾 传感器技术是在20世纪的中期才刚刚问世的。在那时,与计算机技术和数字控制技术相比,传感技术的发展都落后于它们,不少先进的成果仍停留在实验研究阶段,并没有投入到实际生产与广泛应用中,转化率比较低。在国外,传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的,并在早期多用于国家级项目的科研研发以及各国军事技术、航空航天领域的试验研究。然而,随着各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业的迅猛发展,以日本和欧美等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展已在国际市场中逐步占有了重要的份额。 我国从20世纪60年代开始传感技术的研究与开发,经过从“六五”到“九五”的国家攻关,在传感器研究开发、设计、制造、可靠性改进等方面获得长足的进步,初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系,并在数控机床攻关中取得了一批可喜的、为世界瞩目的发明专利与工况监控系统或仪器的成果。但从总体上讲,它还不能适应我国经济与科技的迅速发展,我国不少传感器、信号

无线传感器网络技术试题

1. 传感器网络的三个基本要素:传感器、感知对象、用户(观察者) 2. 传感器网络的基本功能:协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3. 无线传感器节点的基本功能:采集数据、数据处理、控制、通信 4. 传感节点中处理部件用于协调节点各个部分的工作的部件。 5. 基站节点不属于传感器节点的组成部分 6. 定向扩散路由机制可以分为三个阶段:兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7. 无线传感器网络特点:大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 8. NTP时间同步协议不是传感器网络的的时间同步机制。 9. IEEE 802.15.4标准主要包括:物理层。介质访问控制层 10. 从用户的角度看,汇聚节点被称为网关节点。 11. 数据融合的内容主要包括:多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测 13. 传感器网络的电源节能方法:_休眠(技术)机制、__数据融合 14. 分布式系统协同工作的基础是时间同步机制 15. 无线网络可以被分为有基础设施的网络与没有基础设施的网络,在无线传感器网络,Internet 网络,WLan 网络,拨号网络中,无线传感器网络属于没有基础设施的网络。 16. 传感器网络中,MAC层与物理层采用的是IEEE制定的IEEE 802.15协议 17. 分级结构的传感器网络可以解决平面结构的拥塞问题 18. 以数据为中心特点是传感器网络的组网特点,但不是Ad-Hoc的组网特点 19. 为了确保目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突,目标节点使用了SIFS帧间间隔 20. 典型的基于竞争的MAC协议为CSMA

(中文)基于无线传感器网络桥梁安全监测系统

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

无线传感器网络的应用与影响因素分析

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

传感器的应用现状及发展趋势-论文2011-11-16

传感器技术的研究应用现状与发展前景 传感器技术作为信息技术的三大基础之一,是当前各发达国家竞相发展的高技术是进入21 世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力,而现代科学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。传感器是信息系统的源头, 在某种程度上是决定系统特性和性能指标的关键部件。本文回顾了传感器技术的发展历史,综述了近几年高端前沿的光电传感器技术和生物传感器技术的主要研究应用状况,并通过简述当前的应用实例,展望了现代传感器技术的发展和应用前景。 1.引言 传感器是将物理、化学、生物等自然科学和机械、土木、化工等工程技术中的非电信号转换成电信号的换能器。当今社会的发展是信息化社会的发展,在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理,而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段,是现代科学的中枢神经系统,它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能,并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。如果把计算机比喻为处理和识别信息的大脑,把通信系统比喻为传递信息的神经系统,那么传感器就是感知和获取信息的感觉器官。传感器技术是现代科技的前沿技术,发展迅猛,同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱,许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置现代传感器技术具有巨大的应用潜力拥有广泛的开发空间,发展前景十分广阔。 2.传感器的发展历史及分类 2.1传感器技术的发展历史 传感器技术是20世纪的中期才刚刚问世的,在那时与计算机技术和数字控制技术相比,传感技术的发展都落后于它们,不少先进的成果仍停留在实验研究阶段并没有投入到实际生产与广泛应用转化率比较低。在国外,传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的,并在早期多用于国家级项目

基于无线传感器网络的智能交通系统的设计

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。

无线传感器网络的应用研究

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:

基于无线传感网络的大型结构健康监测系统_尚盈

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

无线网络技术应用现状及发展前景

无线网络技术应用现状及发展前景 试想一下,在有线网络时代,用户的活动范围受限于网线,无论到哪里必须要拖着长长的缆线,为寻找宽带接口而苦恼。为此,无线网络应运而生。和有线网络相比,虽然无线网络的带宽较小;相对目前的有限网络有较多的等待延迟;稳定性较差;无线接入设备的CPU、内存以及显示屏幕等资源有限等缺陷。但无线网络可适应复杂的搭建环境,搭建简单,经济性价比强,并且最大的优点是可以让人们摆脱网线的束缚,更便捷,更加自由的沟通。故自开发之初,就迅速抢占着市场。目前无线网络从覆盖范围上可以大致分成以下三大类:(1)系统内部互联/无限个域网(2)无线局域网(3)无限城域网/广域网。故本文就此介绍各类无线网络的的应用现状。 一、无限个域网(WPAN) 无线个域网主要采用IEEE802.15标准。无限个域网可以看成是无线局域网的一个特例。其覆盖半径只有几米。其主要应用范围包括:语音通信网关、数据通信网关、信息电器互联与信息自动交换等。WPAN通常采用微微蜂窝或毫微微蜂窝结构。WPAN是当前发展最迅速的领域之一,相应的新技术也层出不穷,主要包括蓝牙技术、IrDA、Home RF、超宽带技术和ZigBee技术等,具体介绍如下: (一)蓝牙技术是一种支持点对点,点对多点语音和数据业务的短距离无线通信技术。其基本网络结构是微微网。其优点在于低功耗、具有很强的可移植性,集成电路简单,易于推广等。蓝牙技术工作在全球通用的2.45GHz ISM频段,消除了国界的限制,可在短距离中互相连接,实现即插即用,在无线电环境非常嘈杂的环境下,其优势更加明显。目前在为3个使用短距离无线连接的通用应用领域提供支持,分别是数据和语音接入点、电缆替代和自组网络。 (二)IrDA技术是目前几种技术中市场份额最大的,它采用红外线作为通信媒介,支持各种速率的点对点的语音和数据业务,主要应用在嵌入式系统和设备中。 (三)Home RF 用于在家庭区域内,在PC和用户电子设备之间实现无线数字通信的开放式工业标准。 (四)超宽带技术是一种新技术,其概念类似于雷达,它的高性能和低功耗的优点将使它成为未来市场的强有力的竞争者之一。 (五)ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。它是一种介于无限标记技术和蓝牙之间的技术提案,主要用于近距离无线连接。 二、无线局域网(WLAN) 无线局域网主要采用IEEE802.11标准。通过利用空中的电磁波代替传统的缆线进行信息传输,可以作为有线网络的延伸、补充或代替。相比较而言,无线局域网具有以下优点,(一)移动性:通信范围不在受环境条件的限制,可以为用户提供实时的无处不在的网络接入功能,使用户可以很方便地获取信息。 (二)灵活性:无线局域网的组网方式灵活多样,可方便的增减、移动、修改设备。 (三)经济型:无线局域网可用于物理布线困难或不适合进行物理布线的地方,可将网络快速投入使用节省人缘费用。 它是目前发展最热的无线网络类型,具体应用非常广泛,应用方式也很多,但目前还只能用于不移动或慢速移动的用户或业务,可能会在不久的将来开发出适合高速移动的无线局域网。按应用类型分为两大类,一类是有固定基础设施的,一类是无固定基础设施。无固定基础设施无线局域网又叫自组网络(Ad Hoc),其中最突出的是移动Ad Hoc网络,它在军用和民用领域有很好的应用前景,它可在任意通信环境下迅速展开使用、能够对网络拓扑变化做出及时响应。是目前和未来发展前景看好的一种组网技术。

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