无线传感器网络技术综合录井中的应用和研究

无线传感器网络技术综合录井中的研究

摘要：现阶段,石油资源由于持续不断的开采和破坏,其储量逐渐减小,面临枯竭的地步。面对目前的情况,如何提高石油开采效率、降低开采成本、减少事故发生等问题逐渐得

到了相关部门的重视。在石油开采过程中,石油设备显得十分重要,精密的仪器能够帮

助施工人员准确把握工程状态,提高效率,减少事故。综合录井仪作为石油勘探开发的

重要手段越来越得到人们的关注。综合录井仪的数据采集一般采用集中式或现场总线式

布线,由于井场环境复杂,加之布线工作量大且繁琐,因而实现采集系统的无线化应是一个

发展方向。本文在研究无线传感器网络技术的基础上,提出了综合录井数据采集系统的

无线化设计思想,以解决施工现场由于布线施工带来的不足。无线传感器网络技术成本

相对很低且无需布线,己经被很多领域采用并得到了很好的效果,像工业控制、信号采

集、水文气象监控、中小型无线网络等。

一、无线传感器网络研究背景以及发展现状

1.1无线传感器网络国外发展现状

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。

1.2无线传感器网络国内发展现状

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。

二、无线传感器网络

2.1 无线传感器网络的体系结构

2.1.1无线传感器网络的网络结构

无线传感器网络中数以千计的传感器节点由飞机播撒、人工布置等多种方式

被散布到监测区域内，节点相互之间以自组织的方式构成庞大的无线传感器网

络。各节点之间通过协同去冗余的工作方式负责监测区域内的数据采集任务,然

后采用多跳、中继等方式将信息传送到汇聚节点处,再由汇聚节点将信息集中传

送至用户,以进行数据处理或对节点进行实时的控制或操作。

由于无线传感器网所处环境的影响,节点一般都是采用能量有限的电池进行供电,所以其数据存储和处理能力以及通信能力就会受到制约。从整个网络来看,每个传感器节点都具有网络节点和路由的双重“身份”,除了能完成数据采集和处理任务外,还能够将其他节点转发过来的数据信息进行存储、融合等处理。汇聚节点相对来说其对数据的存储和处理能力以及通信能力都要强于传感器节点,它是连接传感器网络与外部网络以及实现两种通信协议转换的桥梁。汇聚节点是一个全功能的节点,它具有足够的能量和存储空间进行数据的处理

2.1.2无限网络节点的构造

无线传感器节点的基本组成包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四个基本单元。数据采集模块通过各种传感器对监测区域内的数据进行采集;数据处理模块负责对采集到的数据进行存储、转发和对传感器各种功能实现的控制等;通信模块负责节点之间的数据交换;能量模块负责对传感器节点进行能量供应。这是无线传感器节点最基本的结构,当然根据需要还会有其他扩展的功能模块，如GPS定位模块等。

2.1.3常用无线传感器网络

由于本论文是研究井场短距离信息采集及传输技术,所以选择了几种目前流行的短距离无线通信技术加以比较。当前,工业领域上短距离无线通信技术主要应用的有:红外线数据传输(IrDA)、蓝牙(Bluetooth)、超宽带无线电(UWD)、ZigBee和无线局域网802.11b(Wi-Fi)等。这些技术各有其特点,但是否都适合应用于环境复杂的油田现场,现做以下分析:

红外线数据传输(IrDA)是利用红外线作为信息载体传输的一种通信技术,红外线外线属于光波范畴,受其他信号干扰很小,而且无需申请频率的使用权,因而其通信成本低廉。但红外线数据传输的最大缺点就是两个相互通信设备之间的传输距离要求在4米以内,并且发射与接收设备所处的角度必须在正负巧度之间,中间也不能有阻隔,因而该技术只能用于2台近距离设备之间的信息传输。井场上的环境复杂多变,设备位置、距离都不确定,而且传输距离在4米之内并不现实,所以采用红外线数据传输搭建无线传感器网络是不理想的。

蓝牙(Bluetooth)一种无线技术,具有低成本高速率的特点。蓝牙的使用

和维护成本很低。其工作频率为2.4GHz,有效范围大约在10m半径内。蓝牙(Binetooth)的传输速率高,耗能大,进而导致电源供电是个很难解决的问题,井场的单次数据采集量很小,所以蓝牙也被排除在外。

WIFi(WirelessFidelity),无线高保真)也是现阶段盛行的一种无线通信技

术。它的工作频率也是2.4GHZ,速率最高可达nMb/s,在电波的覆盖范围方面可达loom左右。但它的成本过高以及传输速率高也无法适应在井场。

超宽带技术UWB(UltraWideband)是以基带脉冲作用于天线的方式来进行数据传

输的无线通信技术。与传统通信技术不同的是,UWB是一种无载波通信技术,是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范围很宽。UWB所使用的频率范围是介于3.IGHz和10.6GHz之间的7.SGHz的带宽频率。UWB主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外,这种新技术适用于对速率要求非常高(大于100Mb/s)的LAN:或PANsls。由于现今uWB的应用并不是很多,同时井场的数据传输并不需要如此高的传输速率,因此UWB也不考虑。

ZigBee技术则会很大程度上降低设备的复杂度、功耗以及设备成本。ZigBee技术与蓝牙使用同样的频段,基本速率是250kb/s,当速率降低到28kb/s时,可将传输范围扩大到134m,此外还可以根据实际情况添加中继设备延长传输距离以满足实际应用的需要。另外zigBee网络可以与多个节点联网,确保信息采集的无重复和完整性的需求。同时也由于ZigBee技术的低速率、网络范围大、网络容量大、功耗小等特点,使其能够在油田施工现场搭建无线传感器网络成为可能。但是,油田中产生的各种干扰也同样是它待解决的问题,如果能够在井场克服干扰,将会使zigBee技术在油田现场具有更强的生命力。

三、综合录井无线系统功能分析以及结构框架

综合录井仪是录井技术应用的一个重要方面,是获取钻井过程中各种工程参数的重要手段,目前国内外相关行业都在致力于综合录井仪的设计与研发。综合录井仪采用的是一种分散式的结构,由传感器、计算机与相应的接口组成。在传统的施工作业中往往采用铺设大量线缆的方式进行设备间互联和信息交流,这种方式往往增加了设备的成本,同时也不利于现场的施工。

本文从数据采集系统无线化的概念入手,对录井仪的数据采集传输进行研究和设计,使录井仪具备无线信息传输,远程监控的功能。石油开采现场往往是环境恶劣的不适合实时监测或是一些不便于铺设电缆的区域,为了能正常作业,施工人员的首要任务是开辟能够适合铺架设备、架设线缆的空间等工作进行作业环境的创造,这样往往需要花费大量的人力物力,也延长了工期。采取搭建无线传感器网络进行作业的方式将会很大程度上降低施工成本,提高施工效率,同时也减少了人员伤亡。本文以无线传感器网络为基础,对综合录井系统的数据采集进行无线化的研究与设计。

3.1系统功能分析

如表3-1所示,钻井过程是具有过程复杂、风险大、范围广的一项资源开发工程,为了在钻井过程中避免工程风险、实时掌握钻井动态,综合录井仪在工作时需要同时监测众多的井场实时参数

表3-1综合录井参数表

表中是录井过程产生的具有代表性参数,通过综合录井仪对它们的测量,将能够掌握录井过程中的重要状态资料,对整个钻井过程有着重要的意义。现列出几种重要的功能:

①井深的测量:钻井过程中起下钻的标准是通过垂直位移标定的,涉及到的参数有绞车脉冲参数、大钩悬重,泵冲参数等。

②可预测地层压力异常、钻具异常:地层压力异常是钻井过程所普遍存在的,如何预防压力异常,可以通过钻压和转盘转速来进行推测,以地层可钻性指数为主要指标。涉及到的参数有钻压和转盘转速。

③发现并定位遗漏油气层层位:钻时和气测录井是发现油气层和判断层位的两类参数。钻时录井是钻井地质工作的一个重要内容,即每钻进一米所需要的时间。通过对钻时的变化可得到钻头的使用情况。

3.2系统结构框架

由以上的分析可见,录井仪进行施工作业时需要测量大量的工程参数,需要直接检测的有绞车信号、大钩悬重、泥浆密度等;间接计算的有钻时、迟到井深、迟到时间等。但是从数据采集技术的角度来看,如此多的参数根据实质归类一共可分为三种:绞车信号、模拟信号和脉冲信号,其大多数参数都是以这三种参数为基本数据,进行直接或间接测量产生的。本文围绕这三种信号的采集工作作为传感器节点采集的数据标准进行研究和设计。系统结构如图3-1所示,将采集功能的传感器与终端节点设计在一起或在节点与传感器之间设计统一接口,然后通过传感器将信号采集到终端节点当中,再通过无线网络将信息传送给网关,最终由网关将数据汇总处理后送至监控中心进行进一步的处理操作。其结构图如下。

图3-1无限采集系统结构图

四、无线传感器网络节点的设计

4.1无线传感器网络结构

一般来说，一个无线传感器网络包括传感器节点以及传感器网络网关节点，如图1所示。其中，传感器节点具有本地数据采集传输和转发邻节点数据的双重功能，可以在后台管理软件和传感器网络网关节点的控制下采集数据，并将数据经过多跳路由传输到传感器网络网关节点；传感器网络网关汇聚节点是网络的中心，具有协调器和网关的作用，负责网络的配置、管理和数据的汇集，并负责与用户PC 机后台管理软件的通信。无线传感器网络通常具有两种应用模式：主动轮询模式、被动模式。主动模式要求网关节点对各个传感器节点进行主动的轮询以获得消息，而被动模式则要求在某个传感器节点事件发生时，网关节点能作出及时的响应。各个传感器节点得到的数据还能进行组合，这也很大地提高了传感器网络的效率。当然这也要求传感器节点要具有一定的计算能力

GPRS 或

Internet

图4-1无线传感器网络结构

无限网络

4.2系统硬件设计

无线传感器网络节点的硬件一般包括处理单元、无线传输单元、传感采集单元、电源供应单元和其他扩展单元，如图5-2所示。其中，处理单元负责控制传感器节点的操作以及数据的存储和处理；传感采集单元负责监测区域内信息的采集；无线传输单元负责节点间的无线通信；电源供应单元负责为节点供电。传感器网络网关节点功能更多，除包含上述功能单元以外，还包含与后台监控通信的接口单元。本文主要介绍的是传感器节点和网关的硬件平台的实现。 处理单元无线传输

单元其他

电源供应

单元

传感采集

单元

图5-2传感器节点硬件框图

4.2.1 处理单元

数据处理模块是无线传感器节点的核心部分,它负责整个节点的设备管理、

数据传输和转换等关键的任务,基于以上得出的无线传感器网络的特点,除了应 具有单片机的基本功能以外还应该适应无线传感器网络这个外围环境:

①集成度高:由于传感器节点要求体积小,所以,模块必须尽可能多的集成

关键部件;

②能耗低:这一点至关重要,处理器一般功耗相对很大,所选的处理器能否

基于ZigBee 技术的综合录井数据采集系统的设计

将能耗降低至标准范围内是整个节点设计成败与否的关键;

③运行速度快:由于无线传感器网络主要完成对目标区域的实时监测,因此

所选处理器要有很强的实时处理能力;

④易于扩展:能够根据不同场合改变自身配置而具备目标系统所需的完备功

能,是多功能传感器节点将来的发展趋势,所以要求处理器能有尽可能多的FO 和扩展接口;

⑤低成本:无线传感器网络中的节点数量大,如果成本过高必定会制约网络

的布局,不利于普及和应用。

4.2.2 无线传输单元

无线收发单元选用Chipcon 公司的CC1100射频芯片。该芯片体积小，功耗低，数据速率支持1. 2～500 kbps 的可编程控制，可以工作在915MHz 、868MHz 、433MHz 、315MHz 四个波

段，在所有频段提供-30～10dBm输出功率。本文中CC1100工作在433 MHz的频率上，采用FSK 调制方式，数据速率为100kbps ，信道间隔为200kHz。

4.2.3 数据采集模块设计

为了能实现对钻井过程的实时监控,掌握详细的现场数据,本节将设计三种

节点对钻井过程中具有代表性的三类参数:模拟量、脉冲量和绞车量进行实时采

集及传输。

a)模拟量采集设计

录井过程中涉及到的很多参数多为4-20mA的电流模拟量,如钻压、温度、悬重等。通过对些模拟量的掌握可以对整个钻井过程加以监控,所以此类参数非常重要。本文将4-20mA的电流信号转换为电压信号后再进行A/D模数转换处理。其主要技术指标如下:

1、工作温度:-25~70℃

2、A/D转换最大分辨率:16位;

3、采样率:最高10kHZ;

最简单的方法就是让标准的4~20mlA电流信号流经一个取样电阻,然后通过对转化后的电压进行处理即可。但由于信号是从41nA开始,致使单片机在使用A/D接口的时候要分出0~4mA所对应的电压,这就造成了单片机资源的浪费。为了使单片机的资源最大可能的用在有用的信号上,本文结合CC2430的特点设计了以下电渝电压转换电路4~20mA标准电流流经取样电压时产生一个压降,此电压值被送入到放大器的3脚。SV电压被RPZ和R2分压后产生的压值被送入到放大器的2脚,用于抵消在取样电阻上4mA电流产生的压降。所以当输入电流为4mA 时,LM358的3脚和2脚电压差基本为OV。LM358与相连的电阻构成增益校准电路,将电流值取样电阻上的电压值进行放大并通过LM358的1脚输出。所以4~20mA标准电流经过此碑电路后被转换成。一sv的电压信号。其中RPZ有调节电路零点的作用,RPI有调节电路增益的作用。

b)脉冲量采集设计

录井过程中也会产生大量的脉冲信号如泵冲、转盘转速等。测量时需要测出每分钟脉冲的数量,但是脉冲的信号较长,所以采取先测量脉冲周期再得到每分钟内脉冲的个数的方式。根据录井现场的传感器特性将指标列出,如下:

1、工作温度:-25-70℃

2、最大输入脉冲频率:50Hz;

3、计数器位数:14位

本文选用6N137光祸合芯片对脉冲信号光电隔离的处理。6N137芯片是单通道高速光电隔离器,能够有效地防止干扰源进入到电路当中,进而达到隔离的功能。6N137光祸合芯片对高、低电平的传输延迟时间可以达到45ns:,并且具有10MbPs的高速性能,完全可以胜任录井作业过程中的脉冲抗干扰作用。经6N137光祸合器处理后的脉冲信号再经过施密特触发芯片进行整形处理,将整形后信号转换成可以用单片机处理的标准方波信号,将此信号接入芯CC2430的I/O口进行脉冲测量。

c)绞车量采集设计

在录井作业工程中,井深的准确测量是录井行业面临的难题之一,在井深的测量中一般采用的

是绞车传感器。电压型数字量绞车传感器的输出是两路相位相差90“的方波信号,通过对这两路信号进过鉴相、计数,最后进行相关的计算就可以得到准确的钻井参数一井深。绞车传感器工作原理:在绞车传感器的内部安装了两只相位差为90。的两个光电开关或接近开关A 和B,并且配有12齿的遮光片,遮光片随绞车轴的转动不断地对光电开关进行操作,进而使间隙中的红外线交替进行阻断、导通的动作,从而产生两组电脉冲信号48个脉冲;产生脉冲信号的顺序根据绞车的转动方向的不同而不一样,绞车传感器就是通过检测脉冲信号的数量和顺序来反映大钩的速度和方向。绞车的正反转时的脉冲方波情况如图5-1，图5-2所示：

图5-1绞车正转时传感器输出脉冲信号

图5-2绞车反转时传感器输出脉冲信号

1、鉴相

判断绞车转动方向采用鉴相的方式,通过对绞车转动方向的判断才能决定绞车脉冲的计数方式:递增或递减,进而掌握大钩的运动方向。由以上两图所示,绞车的正反转、信号的边沿类型以及高低电平存在着如表5-1的关系。

表5-1波形边沿、电平及绞车转向的对应关系

2、计数

通过对绞车的两路脉冲进行计数即可将绞车信号转换为深度,候采取计数累加,反转的时候采取计数递减。绞车正转的时恢术联计数系加,反转的时候米取计数递减。通过对脉冲计数方式的对比得出,对波形的边沿进行计数要比对波形宽度进行计数较为精确,所以在设计中加入了取沿的处理。

对绞车量采集的过程如下:

在一个周期中,脉冲信号A和脉冲信号B共有四个上升沿与下降沿,在这里我们对方波信号的上下沿进行计数,这样每个周期就会计数4次,这样达到了信号4倍频的计数,从而提高了测量精度。此电路中采用SN74LSI75D和SN74LS153D芯片来完成,这两种芯片内部都是有多个D触发器构成。首先相位差为90“的两路信号A和B进入到芯片SN74LS175D中,通过对信号A、B

的取沿处理,实现对脉冲A和B倍频功能,过程如下:

首先对脉冲信号A和脉冲信号B进行延迟处理,(可以通过时钟CLK来实现)AB脉冲两次通过D触发器,即产生四种信号AI、AZ、BI、BZ,其中AZ、BZ分别比Al、Bl信号延迟一个CLK的周期,时序图如下

图5-3时序图

由上表5-1所列可分析,首先判断此脉冲信号是属于A相还是B相,判断以后再判断与之对应的另一种信号是处于高电平还是低电平,这样即可判断出绞车转动的方向,经过四种信号的相互组合后,再进入SN74LS153D芯片中,主要实现双路4选1的功能。

4.2.4 电源供应单元

本文采用两节7号碱性电池为整个节点供电。为了能够及时获取节点电池的电量状况，并根据电池的剩余电量状况和放电特性来调整节点的通信状态，本文利用MSP430F1611芯片内部集成的ADC模块测量电源正极电平值，并通过将所测电平值与参考电平进行比较，得到转换数据N ADC，最后电源的电压V in可以由下式得出：

N ADC= (V in- V R- )× 4095 / (V R+- V R- )

式中：V R+为参考电压正极，V R-为参考电压负极，V in为ADC转换得到的电压值，N ADC为单片机转换寄存器值。

4.2.5 时间控制单元

时间控制单元用于设置、记录数据采集的时间，以便后台用户能够依靠采集时间对数据进行处理。本文选用Maxim公司的串行实时时钟芯片DS1337作为时间控制单元。DS1337可以

工作在1.8～5.5V，并且具有很低的功耗，在休眠模式下仅需要15μA。

4.3数据采集模块软件设计

数据采集模块主要完成前端传感器的采集任务,本文涉及到模拟量、脉冲量和绞车量的采集任务,通过采集模块将现场这三类数据采集后,上传至控制中心,从而达到对整个钻井过程的监控

4.3.1模拟量采集

CC2430内部设有一个14位的ADC模数转换器,它包括有电压发生器、8个独立的可配置的通道、一个参考电压发生器,ADC将转换写入内存控制器采用的是DMA的模式。模数转换的过程无需CPU的参与,从而节省了系统资源。其程序流程如图所示。

图4-1模拟量采集程序流程图

4.3.2脉冲量采集

CC2430包含有PO、Pl、PZ三个8位输入/输出端曰,分别对应有8、8、5个共21个数字I/O 接口。为了使脉冲信号的测量更加精准,一般采用周期测量的方法,因为脉冲的周期测量无论是对高频还是低频都要优于对频率的测量。其程序流程如图所示。

图4-2脉冲数据采集流程图

4.3.3绞车量采集

绞车数据是由两路脉冲信号组成,前端的脉冲处理电路已经设计如图4-3所示,由于是通过完全硬件的方式完成了整个鉴相倍频的过程,所以软件的处理只限于对信号进行计数。绞车信号处理后生成的两路信号的计数过程相似,这里只以触发信号为A时进行脉冲计数的软件流程设计,如下图4-3

图5-3绞车信号单路脉冲计数软件流程图

4.4无限传感器电磁干扰的研究

各种电子设备都是由元器件和电路组成,整个设备性能的优劣除了与元器件质量的优良有关,还与其合理的电路、元器件的布局以及电磁兼容性等因素有关。一个同样的原理图由于不同的原件布局和走线的不同也会产生不同的应用效果。因此无线传感器网络节点的电路设计重点放在它的高频部分。无线传感器网络节点的制作过程相对复杂,电磁干扰是设计中的主要

问题,如不解决,整个信号的接收和发送会受很大的影响从而导致节点设计的失败。由于无线传感器网络节点采用的电子设备都具有高集成度,属于高灵敏度的元器件,很小的干扰信号经放大后都会对设备产生严重的干扰,同时节点中的各种电路的相互干扰也会造成严重的后果。

4.1高频和模拟电路的电磁敏感度的干扰

一般来说,抗干扰度随着灵敏度的增高而变差。噪声容限和噪声的抗扰度是逻辑器件敏感度的决定因素。噪声容限是指信号在前一极输出时为最差的情况下,为保证后一极信号能正常工作所允许的最大噪声幅度。噪声电流与瞬态负载电流是数字电路中存在的主要干扰源。电路设计当中会存在很多的电源线与地线,他们的电流流经阻抗会引起一定程度上的尖峰电压,这种情况会引起电路的误判断。采用去祸电容将会很大程度上改善这种情况。

4.2微波和高频电路的干扰

由于无线传感器网络节点电路中存在着微波和高频电路,如果设计的匹配电路不合理,将会在电路工作中产生空间电磁辐,造成不可预测的干扰,设计中应重点注意匹配电路的设计,达到抑制电磁干扰的目的。

4.3高频原件布局的影响

电路板上的高频元器件布局要尽可能的紧凑,先放置尺寸较大的芯片,再将一些外围电路的器件围绕其进行放置。这样布置会大大减少信号线的长度,信号线越短产生的交叉干扰就越小。

4.4 PcB板的引线

高频电路设计中,PcB板的引线设计有一定的要求,引线的多余部分会在电路中呈现高阻态,这些多余的引线如同多个小型天线,对接收的信号造成不可避免的电磁千扰,绘制PCB板时应加以注意。此外还应注意尽量做到高频部分与低频部分分开,模拟电路与数字电路分开,因为它们在实际应用中会两两干扰。

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

什么是无线传感器,无线传感器的应用,无线传感器的工作原理

什么是无线传感器，无线传感器的应用，无线传感器的工作原理什么是无线传感器？无线传感器的组成模块封装在一个外壳内，在工作时它将由电池或振动发电机提供电源，构成无线传感器网络节点，由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微型节点，通过自组织的方式构成网络。 它可以采集设备的数字信号通过无线传感器网络传输到监控中心的无线网关，直接送入计算机，进行分析处理。如果需要，无线传感器也可以实时传输采集的整个时间历程信号。 监控中心也可以通过网关把控制、参数设置等信息无线传输给节点。数据调理采集处理模块把传感器输出的微弱信号经过放大，滤波等调理电路后，送到模数转换器，转变为数字信号，送到主处理器进行数字信号处理，计算出传感器的有效值，位移值等。 无线传感器的工作原理：WSN一般都包括一台主机或者网关，其通过一个无线电通信链路与大量无线传感器进行通信。数据收集工作在无线传感器节点完成，被压缩后，直接传输给网关，或者如果有要求，也可以利用其他无线传感器节点来将数据传递给网关。 之后，网关保证该数据是系统的输入数据。 每个无线传感器都被看作一个节点，拥有无线通信能力，同时还具有一定的信号处理与网络数据的智能。 根据应用的类型，每个节点都可以有一个指定的地址。下图显示了某个节点的通用结构图。它一般会包括一个传感装置、一个数据处理微控制器，以及一个无线连接RF模块。根据不同的网络定义，RF模块可以起到一个简单发射器或者收发器（TX/RX）的作用。 进行节点设计时，注意电流消耗和处理能力非常的重要。微控制器的内存非常依赖于所使用的软件栈。 无线传感器的在哪些方面广泛应用：传感器节点可以连续不断地进行数据采集、事件检测、事件标识、位置监测和节点控制，传感器节点的这些特性和无线连接方式使得无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑

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。

(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：

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

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。

无线传感器网络研究报告现状及发展

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

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

无线传感器网络技术的应用

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

无线传感器网络的应用

2012年第08 期 0.引言 随着传感器技术、微电子技术、嵌入式计算技术和通信技术等几种技术的融合和汇聚，具有感知信息、数据处理、存储和通信能力的微型传感器被应用于国防军事、工业生产、环境监测等多个领域。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks ,WSN)是由一组稠密布置的微型传感器组成的无线自组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域内感知对象的信息，并发布给观察者。相对于有线传感器网络而言，无线传感器网络具有成本低、应用灵活、部署快速等优点，具有很大的应用空间。无线传感器网络已在军事、安全、环境、工业、交通、健康和家居等领域，有着广泛的应用。 1.无线传感器网络的体系结构及特点 1.1无线传感器网络的结构 无线传感器网络由大量集传感与驱动控制、计算存储、通信于一 体的的嵌入式传感器节点构成。这些传感器节点通常包括传感器节点、网络协调器节点和应用管理器节点。应用时，传感器节点分布在不同的角落，采集节点周边的温度、湿度、光强度、噪声、压力、速度等物理信息，各传感器节点将采集到的信息发送给特定的对象。图1为无线传感器网络的结构。 图1无线传感器网络结构 传感器节点具有信息采集和处理的能力，是由传感器模块、数据处理模块和无线通信模块组成的微系统。传感器模块负责采集外界环境的物理信息并将物理信号转换为数字信号；数据处理模块对数字信号进行编码等处理；无线通信模块负责将信息传送到网络中。传感器节点实质是以自组织的形式构成无线网络。网络协调器节点具有信息处理能力和网络管理能力，实现传感器节点与应用管理器节点之间信息的交换。应用管理器节点是用户于传感器网络的接口。用户通过应用管理器节点实现处理无线传感器网络采集到的信息和向无线传感器网络发布应用指令的交互。 1.2无线传感器的特点 无线传感器网络能够得到广泛的应用，因其具有以下特点：1.2.1节点规模大、节点体积小 无线传感器网络中传感器节点密度高，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。体积小是无线传感器网络节点一个重要特点，也是实现大量部署的内在要求。 1.2.2自组织 无线传感器网络根据组网机制和网络协议自动对网络进行配置和管理，传感器节点有自组织能力，能够自动形成无线通信系统不需要固定的基础设施作为网络枢纽。 1.2.3能适应复杂环境 传感器网络主要分布在各种条件恶劣的环境，如军事边界或者一 些人员难以进入地区。同时，节点容易受高山、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。 1.2.4部署容易且成本低 只需要在目标区域进行随机部署，不需要指定特定的位置。相对于有线网络传输，无线网络传输降低了各种成本。 1.2.5可靠性高 无线传感器节点资源有限，其生命周期主要取决于电池。对无线传感器节点进行维护、回收和替换的可能性很小。因此，无线传感器网络要具有信息传输的高度可靠性和对节点失效的高度容错性。 2.无线传感器网络的应用 2.1军事建设 无线传感器网络以其快速布署、自组织和容错等特点，成为军事通信控制系统的重要组成部分，可用于兵力、装备弹药和物资的监控，阵地和敌情的侦查，战场的监视，生物化学攻击的判断、目标的指示，战损的评估等。 2.2工农业生产 通过传感器监测设备的震动、润滑和磨损情况，可以迅速得到设备的健康状态;通过在生产线上布署传感器网络，可以方便的实现在线质量控制。无线传感器网络为提高设备性能、提升产品质量、降低成本，提供了一种很好的技术方案。 我国是一个农业大国，深化现代技术在农业中的应用，对推进我国农业生产产业化和现代化进程具有重要作用。将无线传感器网络技术应用于现代农业，可实现农业信息采集以及远程传输，为科学决策提供可靠依据。 2.3环境监测 在环境科学研究中，无线传感器网络为大规模野外数据采集和气候气象监测提供了便利，可用于跟踪候鸟、小型动物和昆虫的迁徙地球探测，林火和洪水监测等。如美国Berkley 等单位在美国缅因州的GreatDuck 岛对海燕栖息地的生态环境监测；肯尼亚MPala 研究中心对大规模野生动物(野马，斑马等)的栖息地进行考察研究；挪威对冰河观测以了解地球气候的变化。 2.4安全监控 通过在监控藏所部署无线传感器网络，利用场所附近的声音、震动、光、温度等物理信息的变化，了解被监控对象的状态，来防止非法入侵、安全事故等。目前应用较多的是煤矿、电站、通信枢纽、行政中心等。如实时监控煤矿井下环境来进行灾害预警，实时监控井下人员和设备的位置来对其进行资源调度，并为灾后的辅助救援提供支持。 2.5智能交通 将无线传感器网络应用到智能交通系统，作为它的一个信息采集和通信子系统。这个子系统充分利用了无线传感网络覆盖范围广、灵活性好和易于大规模部署等特点，来采集全路段的车辆和路面信息。相对于有线交通信息采集通信系统而言，大幅度地降低现有交通监控网络的成本。通过车载和道路传感器的配合，驾驶者和交通控制人员可以实时地了解路况和交通信息。布置于道路上的速度识别传感器，可以监测交通流量等信息，为出行者提供信息服务，并且在发现违章时能及时报警和记录。（下转第143页） 无线传感器网络的应用 孙跃 （华北电力大学中国北京 102206） 【摘要】无线传感器网络作为目前最有前途的新技术之一，受到了学术界众多科研人员的关注，成为了当今科学研究的一个热门课题。文章介绍了无线传感器网络的内涵和体系结构，分析了无线传感器网络的特点，阐述了无线传感器网络的应用领域。 【关键词】无线传感器网络;特点;应用 作者简介：孙跃（1990—），男，北京人，本科学历，主要研究方向为通信工程 。 ◇高教论述◇

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.sodocs.net/doc/da11121063.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

无线传感器网络课后习题含答案

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