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无线传感器网络范文1
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、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）
（上接第131页）2.6医疗健康
利用无线传感器网络节点体积小、易于植入和便于携带等特点，其可以用于医院药品控制、病人生命体征不间断采集和监测等领域。
2.7教育教学
无线传感器网络作为计算机最前沿技术之一，是泛在学习的技术支撑。无线传感器网络的网络实时性、网络自组性等为我们未来的学习方式以及教学开辟了新的思路。如乒乓球训练田、足球裁判辅助系统等可以提高教学效果。
2.8家居生活
通过布置于房间内、家电中的无线传感器网络节点，实现自组织无线传感器网络系统，感知居室不同部分的温度、湿度、光照、空气成分等信息，从而对空调、门窗以及其他家电进行自动控制，同时可实现家电之间的交互和远程控制，提供给人们舒适的居住环境。
3.结语
无线传感器网络融合了微机电、传感器、嵌入式计算、网络技术、无线通信和信息处理等技术，知识高度集成，创新度高，是在国际上前沿热点研究领域之一，应用前景广阔，对国家安全、社会进步、经济发展意义重大。这种多学科交叉融合的研究给人们提出了不少新的挑战，无线传感器网络技术的发展还有许多要攻克的难题。
【参考文献】
［1］孟庆斌. 无线传感器网络应用研究[C]. 天津大学,2009.
［2］陈闻杰.无线传感器网络及其应用研究[C].复旦大学,2006.
［3］滑楠.无线传感器网络相关理论与应用研究[C].西北工业大学,2007.
无线传感器网络范文2
[关键词] 无线多媒体传感器 关键技术 研究热点 应用
目前，传感器网络研究的一个重要方面是在能量严重受限的微型节点上如何实现简单的环境数据采集、传输与处理。然而，随着监测环境的日趋复杂多变，迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等媒体引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、精准信息的环境监测。由此，无线多媒体传感器网络应运而生。
一、无线多媒体传感器网络的特点
无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia Sensor Network, WMSN)是在传统无线传感器网络(WSN)基础上引入了音频、视频、图像等多媒体信息感知功能的一种新型传感器网络，多媒体传感器网络除了具有其共性特点以外，还具有显著的个性特点。具体表现为以下几个方面：
（1）网络能力增强。由于大数据量音频、视频、图像等媒体的引入，多媒体传感器节点及网络能力都有显著增强。为更好地满足网络中多媒体传输需求，网络带宽资源也相应增加。
（2）感知媒体丰富。音频、视频、图像、等多种类型数据共存于多媒体传感器网络中。另外，媒体格式多样，既包含单值信息，又包含流媒体信息。这些媒体信息共同服务于监测任务，实现更为全面、准确的场景监测。
（3）处理任务复杂。多媒体传感器网络采集的音频、视频、图像信息丰富且格式复杂，我们可利用压缩、识别、融合等多种处理以满足多样化应用需求。
二、无线多媒体传感器网络的研究现状
由于WMSN巨大的应用价值，近年来，多媒体传感器网络技术的研究己引起了科研人员的密切关注，一些学者开展了多媒体传感器网络方面的探索性研究，在IEEE系列会议、ACM多媒体和传感器网络相关会议发表了一些重要的研究成果。从2003年起，ACM还专门组织国际视频监控与传感器网络研讨会交流相关研究成果。美国加利福尼亚大学、卡耐基梅隆大学、马萨诸塞大学、波特兰州立大学等著名学府也开始了多媒体传感器网络方面的研究工作，纷纷成立了视频传感器网络组并启动了相应的科研计划。
三、无线多媒体传感器网络关键技术
（1）节点系统。传感器节点系统是构成无线多媒体传感器网络的基础，目前已经设计或生产的无线传感器网络节点可分为两类：一类是以通用微处理器为核心部件，类似嵌入式系统方式设计的节点；另一类则是采用FPGA，ASIC等专用器件设计的平台。
（2）MAC协议。媒体访问协议(MAC协议)的主要功能是在相互竞争的传感器节点之间分配有限的无线信道资源，它决定着无线信道的使用方式和网络性能，是关系到网络运行成功的重要技术。
（3）路由协议。路由协议是WSNs研究的重点之一，其功能是在网络中任意需要通信的两点间建立并维护数据传输路径。针对无线传感器网络节点资源严重受限，网络拓扑结构变化频繁，通信方式以数据为中心等特性，目前国内外研究人员已经设计了很多路由协议，其中较为常见的有SPIN，DD，CADR，LEACH，PEGASIS等。
四、无线多媒体传感器网络的研究热点及其进展
在传统有线网络中由于网络传输中的延迟、抖动、网络拥塞及发送端的发送速度与接收端的接收速度不匹配等问题在无线多媒体传感器网络中同样存在，因此在无线多媒体传感器网络中保证多媒体同步除了面临传统网络中的问题，还存在一些新挑战，分析如下：
（1）网络带宽问题。带宽资源是网络资源的一个重要方面。目前大多数无线多媒体传感器网络QoS路由协议都以最小可用带宽作为QoS度量。然而，无线传输媒介属于广播媒介，一个节点的带宽资源不仅要受到一跳邻居节点和两跳邻居节点的影响，还要受到这些节点自身业务量变化的影响，而且多媒体传感器网络的带宽又十分有限，因此如何合理利用有限带宽是多媒体同步的关键问题。
（2）网络延迟抖动更为剧烈的问题。在无线多媒体传感器网络中，节点使用无线媒介进行通信，无线信号传输面临着路径损耗、多径衰落和干扰等环境因素的影响，从而导致网络的延迟抖动更为剧烈多变，因此造成网络的控制开销大大增加，使得无线多媒体传感器网络中的多媒体同步比固定网络中的同步要复杂得多，导致对网络延迟抖动的处理更加困难。
（3）采集数据节点协同工作的问题。在无线多媒体传感器网络中，由于任务较为复杂，因此完成一项数据采集任务时，需要多个节点协同工作，但由于控制信息从汇聚节点发出，通过不同的路径到达各个协同工作的目的节点，导致各个目的节点收到控制信息的时间不一致，从而不能协同工作，导致在数据采集编码阶段不同媒体流之间产生了不同步现象。
五、无线多媒体传感器网络应用
多媒体传感器网络在军事、民用、商业中都具有非常广阔的应用前景。具体的应用领域集中在：
（1）战场侦查与监控。多媒体传感器网络具有快速部署等特点，在战场上布设大量的WSN，以收集和中继信息，并对大量的原始数据进行过滤，然后把重要信息传送到数据融合中心，大大提升指挥员对战场态势的感知水平。
（2）智能家居网络。在智能家居无线网络中最基本的单元是无线传感器节点, 它的功能是负责传感和对信息预处理, 响应监控主机的指令发送数据，如监测跟踪孩子的活动轨迹等。
（3）环境监测。WSN非常适合应用于野外环境，极大地方便了环境研究所需的原始数据的获取。
（4）农业监测。无线传感器网络具有的实时性监测，无线通信特点，使其在农业生产上有很大发展前景。
参考文献：
[1] A survey on wireless multimedia sensor networks. Computer networks
无线传感器网络范文3
关键词无线传感器网络;发展;组成;特点;关键技术;应用
中图分类号tp212文献标识码a文章编号 1007-5739(2010)01-0016-02
随着微机电技术、无线通信技术和数字信息处理技术的发展,低成本、低功耗、多功能、小尺寸的传感节点变成现实,此类节点包含有传感、数据处理和通信功能,传感节点可以在短距离内进行通信。与传统传感器不同的是,此类传感器依赖于大量传感节点的协同工作,传感器网络是对传统传感器的一大革新[1]。传感器网络被美国的《商业周刊》评为影响21世纪的21个方面[2],被美国麻省理工学院《技术评论》评为即将改变世界的十大技术[3]。
1无线传感器网络的发展
无线传感器网络的构想最初由美国军方提出,美国国防部高级研究所计划署于1978年开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络的研究,这被看成是无线传感器网络的雏形。此后,类似的项目在全美高校间广泛展开,著名的有uc berkeley的smart dust项目、ucla的wins项目以及多所机构联合攻关的sensit计划[4]等。在这些项目取得进展的同时,其应用也从军用转向民用。在森林火灾、洪水监测等环境应用中,在人体生理数据监测、药品管理等医疗应用中,在家庭环境的智能化应用及商务应用中都已形成。
2无线传感器网络的组成
2.1无线传感器网络的节点结构
无线传感器的网络节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成(见图1)[5]。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;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,交换控制消息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。
2.2无线传感器网络的网络结构
传感器网络是由大量的传感节点组成,传感节点部署在检测区域的附件传感器网络结构如图2所示,传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,监测任务以及收集监测数据。
3无线传感器网络的特点
传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统,节点数目更为庞大(上千甚至上万),节点分布更为密集;由于环境影响和能量耗尽,节点更容易出现故障;环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化;另外,传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用,其次才考虑节约能源;而传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用,这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一[6]。因为无线传感器网络的节点数量巨大,每个传感节点的尺寸和成本的的限制,而且还处在随时变化的环境中,这就使它有着不同于普通传感器网络的独特“个性”。
3.1无中心和自组网特性
在无线传感器网络中,所有节点的地位都是平等的,没有预先指定的中心,各节点通过分布式算法来相互协调,在无人值守的情况下,节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没有中心,网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。
3.2网络拓扑的动态变化性
网络中的节点是处于不断变化的环境中,它的状态也在相应地发生变化,加之无线通信信道的不稳定性,网络拓扑因此也在不断地调整变化,而这种变化方式是无人能准确预测出来的。
3.3传输能力的有限性
无线传感器网络通过无线电波进行数据传输,虽然省去了布线的烦恼,但是相对于有线网络,低带宽则成为它的天生缺陷。同时,信号之间还存在相互干扰,信号自身也在不断地衰减。
3.4能量的限制
为了测量真实世界的具体值,各个节点会密集地分布于待测区域内,人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量,或者从自身以外汲取能量(如太阳能)。
3.5安全性的问题
无线信道、有限的能量,分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此,安全性在网络的设计中至关重要。
4无线传感器网络的关键技术
4.1物理层技术
无线传感器网络是一个开放系统互联,按照国际标准化组织(iso)的规定,为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做物理层。从这个定义可以看出,物理层需要承担为数据终端提供数据传输通路、传输数据和完成管理工作的职责。具体到无线传感器网络就是介质的选择、频段的选择、调制技术以及扩频技术[7]。由于是无线网络,传输介质自然要选电磁波。不过,源信号要依靠电磁波传输必须通过调制技术变成高频信号,当抵达接受端时,又通过解调技术还原成原始信号。
在物理层面上,无线传感器网络遵从的主要是ieee 802.15.4标准。依照此标准,其物理层主要进行如下工作:激活和去活无线收发器,检测当前信道的能量,发送指示,信道频率的选择,数据发送与接收。ieee 802.15.4标准规划了几个工作频段。其中,2.4ghz频段的物理层可提供250kb/s的数据传输率,适用于高吞吐量、低延时或低作业周期的场合;工作在869/915mhz频段的物理层则能提供20kb/s的数据传输率,适用于低速率、高灵敏度和大覆盖面积的场合。依据ieee 802.15.4标准的协议被称为zigee,其传输带宽虽然不及wi-fi和blue tooth,但是能耗较低,非常适合无线传感器网络[8]。图3为各无线协议工作的频段。
4.2mac层协议
信号的传输要靠信道,因此信道也就成为了一种宝贵的资源。如何合理有效地分配信道,是数据链路层中的mac子层要解决的问题。
无线传感器网络经常使用的有3种mac协议,即传感器协议(s-mac)、分布式能量意识协议(de-mac)和协调设备协议[9]。s-mac协议通过调配节点的休眠方式来有效地分配信道;de-mac则采用周期性监听和休眠机制,避免空闲监听和串音,其目的是减少能耗和增加网络的生存周期;md协议则能为大规模、低占空比运行的节点提供不需要高精度时钟的可靠通信。总体来说,无线传感器网络的mac协议在分配信道的同时还要保证系统的能耗最低。
4.3路由协议
在具备底层传输协议的保障后,信息如何快速地从源传输到目的地是由路由协议来解决的。路由要实现2个基本功能,即确定最佳路径和通过网络传输信息。数据传输的途径存于路由表,由路由算法初始化并负责维护[8]。无线传感器网络与普通的网络不同,它具有能量受限、通信方式以数 据为中心、相邻节点的数据具有相似性、拓扑结构也在不断变化等特点。与此对应,常规网络的路由并不一定能适应无线传感器网络。
4.4能量管理
能耗是无线传感器网络所面临的最大问题,因为节点长期处于无人值守的状况下,有效的能耗策略必不可少。目前最常使用的策略是休眠机制,即在节点空闲时,使其处于休眠状态,此时其能耗降到最低。但是休眠的节点在转回正常状态的时候,往往会消耗大量的能量,因此寻找合理的状态转换策略是确保休眠机制成功的关键[10]。数据融合是另一项节能技术。多个邻近节点经常会采集同样的信息,发送这些冗余信息就给系统增加了不必要的负担。因此,通过本地计算和筛选,确保发送出最有效的信息就是数据融合的任务。其他能量管理策略还有冲突避免和纠错以及多跳短距离通信等。
4.5软件支持
tinyos是uc berkeley针对其无线传感器网络节点开发的操作系统。该系统不同于传统意义上的操作系统,它更像一个编程构架,在此构架下,搭配一组必要的组件,就能方便地编译出面向特定应用的操作系统。tinyos由众多组件组成,包括了主组件、应用组件、执行组件、传感组件、通信组件和硬件抽象组件。每一个组件在其内部都封装了命令处理程序和事件处理程序,它们通过接口声明所调用的命令和将要触发的事件。调度器则负责根据任务的轻重缓急来安排系统的工作。crossbow公司生产的mica传感器平台上就使用了tinyos系统[11]。实践证明,其基本应用只占用很少的系统资源,能圆满的完成数据采集、处理和通信组网以及数据传输等任务。
5无线传感器网络的应用
无线传感器网络范文4
【 关键词 】 无线传感器网络；组成；特点；关键技术
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
近年来，随着微机电技术、无线通信技术和数字信息处理技术的飞速发展，集成了感知、计算、通信能力，具有低成本、低功耗、多功能、体积小和短距离无线通信等特点的传感器节点变成现实，由数量不等的无线传感器节点构建的网络，被称为无线传感器网络（WSN）。WSN可以协同工作，实时或长期监测被监测区域内的各种对象数据，并对这些数据进行分布式预处理后传递给最终用户，从而为用户提供直观的观察效果，因此可将其广泛配置于各种不同领域的应用中，如军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等，将对人类生活带来深远的影响，这也使得无线传感器网络技术成为目前在国际范围内备受关注，非常活跃的研究热点领域。
2 无线传感器网络概述
2.1 无线传感器网络的定义
无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点,如图1所示,各节点通过协议自组成一个分布式网络,再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。无线传感器网络操作系统Tiny0S141的研制者，Jason Hill博士把WSN定义为：Sensing＋CPU＋Radio＝Thousands of potential application。
2.2 无线传感器网络的特点
WSN与传统传感器和测控系统相比具有明显的优势。它采用点对点或点对多点的无线连接，大大减少了电缆成本，在传感器节点端即合并了模拟信号／数字信号转换、数字信号处理和网络通信功能，节点具有自检功能，系统性能与可靠性明显提升而成本明显缩减。无线传感器网络具有多种特点。
1）硬件资源有限。WSN节点采用嵌入式处理器和存储器，计算能力和存储能力十分有限。所以，需要解决如何在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理的难题。
2）电源容量有限。为了测量真实世界的具体值,各个节点会密集地分布于待测区域内,每个节点都要储备可供长期使用的能量,或者自己从外汲取能量（太阳能）。
3）无中心。在无线传感器网络中,所有节点构成一个对等式网络，没有预先指定的中心，节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。各节点通过分布式算法来相互协调,在无人值守的情况下,节点就能自动组织起一个测量网络。
4）自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。
5）多跳路由。WSN节点通信能力有限，覆盖范围只有几十到几百米，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。WSN中的多跳路由是由普通网络节点完成的。
6）动态拓扑。WSN是一个动态的网络，一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行，也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。
7）节点数量众多，分布密集。WSN节点数量大、分布范围广，难于维护甚至不可维护。因此传感器网络的软、硬件要求有好的健壮性和容错性。
8）传输能力的有限性。无线传感器网络通过无线电波进行数据传输,省去了布线的烦恼,但是相对于有线网络,低带宽是它的缺陷。同时,还存在信号之间相互干扰,信号自身不断衰减的问题。
9）安全性的问题。无线信道、有限的能量,分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此,安全性在网络的设计中至关重要。
3 无线传感器网络关键技术分析
3.1 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，主要的组网模式有几下几种。
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。
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。
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。
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内容。
3.2 拓扑控制
WSN技术中，拓扑控制的目的在于实现网络的连通的同时保证信息的能量高效、可靠的传输。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三种。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。
3.3 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 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，较长距离要大得多，更多链路将呈现复杂的不稳定特性，需要在MAC控制中更充分地考虑链路特性。同时，链路特征也是在数据转发和汇聚中需要考虑的重要因素。
3.4 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技术研究的重点。网络编码技术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。
3.5 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技术研究内容之一。
3.6 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，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。多种汇聚点移动策略，可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。针对事件发生频度自适应移动节点的位置，可使感知节点更多地聚集在使事件经常发生的地方，也可分担事件汇报任务，延长网络寿命。
4 总结
无线传感器网络被认为是影响人类未来生活的重要技术之一，就目前的技术水平来说，让无线传感器网正常运行并大量投入使用，虽然还面临着通信、成本、能量供应和网络结构等很多的问题。但毫无疑问的是无线传感器网络应用前景是非常诱人的，这一新兴技术给人们提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径，同时也给人们提出了很多新的技术上的挑战。
参考文献
[1] 孙利民.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.
[2] 李晓延.浅谈无线传感器网络[J].今日电子，2006（9）：57-59.
[3] 田鹰.无线传感器网络路由协议关键技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.
无线传感器网络范文5
关键字：无线传感网络；测量；信道；网络参数
随着传感器、无线通信、集成电路、微机电系统以及纳米等技术和生产工艺的飞速发展和日益成熟，使得低成本、低功耗、多功能的集成微型传感器的大量生产成为可能。无线传感器网络是一种特殊的Ad-hone网络，可应用于布线和电源供给困难的区域以及作业人员不能到达的区域和一些临时场合等。微型集成传感器在极小的体积内集成了传感器、微处理器、双向无线通信模块和供电模块等多种电路模式。大量的多种廉价微型传感器节点部署在监测区域内，通过利用关于无线电通信的软件形成一个多跳的具有动态拓扑结构的自组织网络系统就是无线传感器网络。
1关于无线传感网络的介绍
无线传感器的应用环境通常是由廉价的传感器节点组成的，每个节点都具有采集、存储和处理环境信息的能力，并且能和邻居节点通过无线链路保持通信。关于覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题，由于传感器节点可能任意分布在配置区域的任意性，它反映了一个无线传感器网络在某区域被监测和跟踪的时况。LanF.AkydidizD提出了WSN协议栈的五层模型，分别对应OSI参考模型物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层进行了介绍。如下：
1.1物理层
物理层：物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体和互连设备，为数据传输提供环境物理层的媒体物理层，其中通信用的互连设备是指DTE和DCE间的互连设备。
1.2数据链路层
数据链路层主要负责数据流的多路选择、数据帧侦测、媒介访问和差错控制，保证了点到点、点到多点的可靠性链接。媒介访问控制为数据的传输建立了通信链路，并保证了对共享媒介的公平和有效的访问。在无线传感器网络中，介质访问控制协议决定着无线信道的使用方式，在传感器节点之间的分配有限无线通信资源是用来构建传感器网络系统的底层基础结构。
1.3网络层
网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据包服务。网络层不提供服务质量的承诺，即所传送的分组，可能出错、丢失、重复和失序，当然也不能保证分组传送的时限。
1.4传输层
传输层是管理从汇聚节点到传感节点的传输过程中WSN不适合设计通用的路由协议：能耗和计算复杂度。WSN是无基础设施的网络，其特点是电池供电、无人看守，并且电池不能补充，想要延长网络寿命就必须降低能耗。
1.5应用层
在某种程度上可以把传感器网络看作一种由大量微型、廉价、能量有限的多功能传感器节点组成的。由于传感器网络的特殊性，而导致传感器网络对操作系统的需求相对于传统操作系统有较大的差异。
2无线传感网络的特点
无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点这三大部分。目前常见的无线网络传感器具有以下几种特点：（1）具有计算能力、存储空间、能耗和能量供应有限；（2）网络通常具有自组织性网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施；（3）网络的多跳路由性在网络中节点通信距离一般有限，通常情况下在百米范围内，节点只能与它相邻的节点直接通信，如果想要与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由连接；（4）网络的动态拓扑性无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；（5）通常无中心性无线传感器网络中没有严格的控制中心，因此所有节点地位平等；（6）节点稠密布置，协作感知；（7）节点具有数据融合的能力。
3无线传感网络测量的应用
无线传感器网络可以包含大量的由震动、红外、声音、图像和雷达等多种不同类型传感器组成的网络节点，也可以用于监控温度、湿度、压力、噪声、机械应力等不同的量。它在军事、农业及环境、工业、医疗、空间探索、土木工程、跟踪及物流管理等领域有着广阔的应用前景。下面简单的举几个应用的例子：
3.1野外的测量应用
通过倾角传感器可以监测山体的运动状况，山体往往由多层土壤或岩石组成，不同层次间由于物理构成和侵蚀程度不同，其运动速度也不同。发生这种情况的部署在不同深度的倾角传感器将会返回不同的倾角数据。
无线传感器网络技术不仅使每个节点便于安装部署，而且免去了有线接人的繁琐过程，降低了成本，并且基于Xmesh的网络能够长期稳定、可靠地连续工作，保证数据的储存和及时的更新。并且整个系统的工作模式也可以通过网络随时改变，以灵活适应不同的环境状态。
3.2室内无线信道的应用
由于传统的无线信道模型进行的无线传感器网络的研究和实现必然会因为信道模型的差异而带来仿真结果和可信度的下降，甚至会影响无线传感器网络方案的设计效果。因此对无线信道模型是无线传感器网络的研究和实现变得越来越重要。
对于在无线路由器网络在室内无线信道与室外相比，室内的多障碍物环境、地面、天花板和将比等结构会直接造成接收信号为不同方向的多种信号的合成而使信号在接收时发生，瞬时接收场强的快速波动。因此室内环境中的小尺度衰减对平均接收场强测定的影响远大于室外，因此，测定室内大尺度衰减模型的难度大大提高了。
3.3无线传感器网络应用CSS扩频通讯方式测量距离
利用一种软件进行通讯方式测量距离，利用了无线传感器网络的先进技术，是现代化的一个新兴技术。无线传感器网络应用CSS扩频通讯方式测距实验箱，配置IEEE802.15.4a位置追踪功能的PHY，有着构建自控通信网、提供距离测量、定位解决方案等优势。
3.4在地震监测中的应用
地震监测是指通过获取地震发生时的震动信号，以有线或无线的方式将获取的监测信息传送到监控中心，然后通过对数据的分析，并进行相应的监控和预警。
A、有线地震监控网络有线网络是网络测量中重要的信息传输方式，但有线网络无法有效地对一些人力难以到达的环境恶劣的地区进行地震监测，而且在应急情况下有线网络往往容易被破坏，无法实时传送余震的信息。
B、无线地震监控网络无线传感器网络相对于传统的有线和其它无线网络而言具有“具有自组织、自愈合”的特点。从而能够适应复杂多变的环境，在监测各种有线网络无法有效监测的地区，实现了灾难预警与救助的功能。
结语
综上所述，笔者凭借在规划管理所多年的实践经验，对无线传感器网络测量方面应用的也有一定的认识，上文也简要的介绍了一些应用方面。无线传感器网络测量作为一种新兴技术，它拥有着广泛的发展空间。利用无线网络能够实现灵活、可靠、安全的数据采集。相信随着技术的进一步的开发与完善，会使得越来越多的传统方法无法解决的问题迎刃而解。
参考文献：
[1] 房泽平， 张莹. 一种液位测量无线传感器网络节点实验装置的设计[J]. 中原工学院学报， 2012， 23（5）： 76-78.
无线传感器网络范文6
关键词：录井；无线；传感器；网络；低功耗
中图分类号：TE 19 文献标识码：A 文章编号：1812-2485（2013）06-032-004
录井施工需要利用传感器对钻井施工现场的各类数据进行采集，目前常用的方式是将分布在井场的传感器，通过信号线连接到录井仪器房的主控计算机进行采集处理。录
[作者简介] 袁吉鲁（1963-），男，胜利石油管理局地质录井公司，现主要从事综合地质研究勘探开发技术管理工作。
井现场用于数据采集的传感器基本分为模拟信号传感器和脉冲信号传感器两大类，涉及钻井参数测量、气体参数测量、地质参数测量等应用。
无线传感器网络技术是近几年提出的一种基于近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率和低成本的双向无线通信技术。随着短距离无线通信技术和电子元器件技术的发展，在录井现场组建一种新型的无线传感器网络，是今后录井技术发展的一个方向。
1 总体设计
1.1网络拓扑结构
根据录井现场的特点，无线传感器网络采用星形拓扑结构，以录井仪器房为中心节点，中心天线安装在录井仪器房顶，覆盖整个井场节点， 负责接收各节点无线传输的数据（图1）。在无线传感器网络中， 每个节点分配一个唯一的ID， 数据的传输采用主从站方式。
图1 录井现场无线传感器网络拓扑结构
1.2 通讯协议
目前，常用的短距离无线通信技术主要有ZigBee、蓝牙、WiFi、数传电台等，表1针对目前常用短距离无线通讯技术的特点进行了对比[1]。ZigBee技术是一项基于IEEE 802.15.4无线标准的低速率、低功率无线技术[2]，基本速率250 kb/s，传输范围100m，当传输速率降低到28 kb/s时，传输范围可扩大到134m，传输可靠性也进一步增强，可实现多节点联网，具备扩展性好、功耗低、成本低、安装简单等特点。在录井现场，单个传感器节点通常情况下数据传输速率小于2kb/s，因此Zigbee无线通讯28kb/s的传输速率完全满足现场要求，是组建录井现场无线传感器网络的首选短距离通信技术。
2 网络节点
将现有有线传感器变为无线传感器，需要做的工作的就是使其具备小型化、低能耗、满足工业防爆要求和配备无线收发模块，以及持久稳定的独立供电技术。无线录井传感器网络节点由无线传感器网络节点和主节点组成[3]。传感器节点具有传感器信号采集、处理和无线数据收发的功能；主节点具有多点信号检测、数据处理及无线通信功能，收集传感器数据并通过数据接口传送到录井设备。
2.1 主节点
主节点在录井仪器房内，采用UPS供电，其设计不需考虑功耗，而将无线网络覆盖范围和收发信号的稳定性作为优先考虑因素。主节点由高增益天线、无线传输模块、电源模块和输出接口模块组成（图2），其功能是将收集的无线传感器信号数据通过数据输出接口传输到录井采集系统。
图2 主节点模块组成
2.2 传感器节点
无线传感器节点是无线传感器网络的主要组成部分。传感器由于被检测对象的不同而分为不同类型， 但是一般都由传感元件及信号处理模块、微处理器、无线传输模块、电源模块四部分组成，其设计遵循可靠性与低功耗并重的原则，模块组成如图3所示。
图3 无线传感器节点模块组成
2.2.1 电路微功耗设计。无线传感器的设计必须考虑电路的功耗问题，无线传感器的设计必须解决小型化乃至微型化、低功耗等问题。要实现无线传感器的小型化，必须优化电路设计、使用新材料和新技术以便数据处理和控制器、通讯控制器及其他数模转化电路等都集成在一块芯片上，使传感器的体积更小、功耗更低。在低能耗电路设计中，主要采用低功耗元件、优化改进电路、软件节能控制等技术措施，以期达到降低综合能耗的目的。
硬件电路设计可采取以下几项措施：
（1）选用低功耗的CMOS芯片；
（2）选用自身消耗功耗小的电源调理芯片；
（3）射频芯片选用待机电流小、收发电流稳定的芯片；
（4）降低微处理器工作频率可以有效减小工作电流而降低功耗；
（5）在保证系统工作前提下，选用较低的工作电压可以降低功耗。
2.2.2 传感器节点电源管理。无线传感器的供电技术是影响传感器无线化的主要因素之一，通过降低节点传感器功耗、增加电池容量、采用节点电源管理等方式，使节点的工作时间大大延长，从而实现长时间连续工作的目的。无线节点供电系统由外置电池、内置电池、电源管理模块三部分组成。通常情况下，由外置电池为整个节点提供电力，电源管理模块动态检测电池电量并对节点各模块进行电量分配，当电源管理模块检测电路检测到电量低于设定值时，通过无线传感网络发出低电警告。
延长电池的使用时间，除通过增加电量，设计合理的低功耗电路外，还可通过对无线传感器节点的整体能耗进行有效管理，利用动态电源管理技术使系统各个部分都运行在节能模式下，达到进一步降低能耗的目的。通过试验测试，无线传感器节点各部分功耗占节点总功耗的百分比[4]见图4。
图4 无线节点总功耗的百分比
测试表明，传感器模块和微处理器模块的功耗很低，绝大部分能量消耗在无线传输模块上，因此对无线传输模块的能耗管理非常重要。电源管理策略是对不同模块进行自动间断供电，在这种供电模式下，无线传感器节点或部分模块被关闭或者处于低功耗状态，直到数据发送[5]。
3网络安全
无线传感器网络进行数据采集，必须采取必要的技术手段增加网络的安全性。针对ZigBee无线网络的技术特点，主要采取以下两种措施增强安全性：一是从路由安全的角度出发，选择能设置安全路由的主节点路由器和无线传输模块，来保证主节点与各节点间的通讯安全；二是开发专用安全协议，将每个传感器节点的信息进行编码，在主节点接收到无线节点信息后，根据通讯协议的约定进行解码，然后通过节点信息中包含的唯一识别符、传感器类型指示符和传感器数据测量值等信息，区别分辨每个传感器发送来的信息，达到信息的安全保护。
4 结束语
在石油勘探领域，无线传感器技术的发展应用也在快速发展变化，录井传感器技术正逐渐由有线向无线发展，技术创新层出不穷，产品不断推陈出新。无线录井传感器网络，将录井传感器与录井仪的连接由有线变为无线，大大减少了施工现场信号线、电源线的架设，为钻井施工提供了方便，进一步提高了生产安全性，具有很好的推广应用价值，应用前景广阔。
参考文献
1贾玉凤.基于多重无线通讯协议的WSN的设计[D].山东大学，2009.
2龚江涛，陈金鹰，方根平.ZigBee技术特点及其应用[C].四川省通信学会2005年学术年会论文集，2005：382-385.
3韩彬，李娇蔓，李传伟，田文新.钻井井场数据采集无线节点的设计和实现[J].石油仪器，2009，23（3）：4-7.
