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基于无线传感器网络的采样算法.docx
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基于无线传感器网络的采样算法
1.无线传感器网络的研究背景及应用现状
1.1
研究背景
无线传感器网络(Wireless
Sensor
Network,简称WSN)
的
基本功能是将一系列在空间上分散的传感器单元通过自组织的无线
网络进行连接,从而将各自采集的数据进行传输汇总,以实现对空间
分散范围内的物理或环境状况的协作监控,并根据这些信息进行相应
的分析和处理。因具有成本低、范围大、布设灵活、移动支持等特点,
无线传感器网络在工业监控、智能电力、矿山安全、医疗健康、环境
监测等行业的应用一直广受重视;与此同时,无线传感器网络也面临
着延长节点工作时间、增加通信距离、小型化、标准化等技术挑战和
寻找应用场景等市场挑战。无线传感器网络的研究经历了以下四个阶
段:
(1)第一代传感器网络:20世纪70年代。点对点传输,具有
简单信息获取能力。
(2)第二代传感器网络:获取多种信息的综合能力,采用串
/
并接口与传感控制器相联。
(3)第三代传感器网络:20世纪90年代后期。智能传感器采
用现场总线连接传感控制器构成局域网络。
(4)第四代传感器网络:以无线传感器网络为标志,正处于研
究和开发阶段。
近年来,无线传感器网络引起了业界极大关注,其应用环境通常
是由价格便宜的传感器节点组成的,每个节点都能够采集、存储和处
理环境信息,并且能和邻居节点通过无线链路保持通信。覆盖问题是
无线传感器网络配置首先面临的基本问题,因为传感器节点可能任意
分布在配置区域,它反映了一个无线传感器网络某区域被监测和跟踪
的状况。随着无线传感器网络应用的普及,更多的研究工作深入到其
网络配置的基本理论方面,其中覆盖问题就是无线传感器网络设计和
规划需要面临的一个基本问题之一。随着深入研究的角度不同,覆盖
问题也表述成不同的理论模型,甚至在计算几何里面就能找到与覆盖
相关的解决方案。尽管这些办法并不能直接应用到无线传感器网络
中,但是研究这些问题有助于建立读者对无线传感器网络覆盖问题相
关的理论背景。
1.2
无线传感器网络的应用现状
虽然无线传感器网络的大规模商业应用,由于技术等方面的制约
还有待时日,但是最近几年,随着计算成本的下降以及微处理器体积
越来越小,已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线
传感器网络的应用主要集中在以下领域:
(1)环境的监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高,需要采集的环境
数据也越来越多,无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提
供了便利,并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破
坏。比如,英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进
互联网,以读出缅因州"大鸭岛"上的气候,用来评价一种海燕巢的条
件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移,研究环境变化对
农作物的影响,监测海洋、大气和土壤的成分等。此外,它也可以应
用在精细农业中,来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况
等。
(2)医疗护理
无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯
特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间,使用微尘
来测量居住者的重要征兆(血压、脉搏和呼吸)、睡觉姿势以及每天
24
小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护
理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目
Center
for
Aging
Services
Technologies(CAST)的一个环节开发的。该系
统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感
器,帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。
利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受
护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险
研究的董事EricDishman 称,"在开发家庭用护理技术方面,无线
传感器网络是非常有前途的领域"。
(3)军事领域
由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点,使其非常适
合应用于恶劣的战场环境中,使其非常适合应用于恶劣的战场环境
中,包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资,判断生物化学攻击等多
方面用途。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元,帮助大学
进行"智能尘埃"传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预
测:智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从2004年的1000万美
元增加到2010年的几十亿美元。
(4)其他用途
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业
环境如井矿、核电厂等,工作人员可以通过它来实施安全监测。也可
以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动
化生产线等诸多领域,英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测
试,该网络由40台机器上的210个传感器组成,这样组成的监控系
统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成
本,同时由于可以提前发现问题,因此将能够缩短停机时间,提高效
率,并延长设备的使用时间。
尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段,但已经展示出了
非凡的应用价值,相信随着相关技术的发展和推进,一定会得到更大
的应用。但就目前的技术水平来说,让无线传感器网正常运行并大量
投入使用还面临着许多问题:
(1)网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中,信
号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响,怎么安全有效
的进行通信是个有待研究的问题。
(2)成本问题。在一个无线传感器网络里面,需要使用数量庞
大的微型传感器,这样的话成本会制约其发展。
(3)系统能量供应问题。目前主要的解决方案有:使用高能电
池;降低传感功率;此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池
无线充电技术。其中后两者备受关注。
(4)高效的无线传感器网络结构。无线传感器网络的网络结构
是组织无线传感器的成网技术,有多种形态和方式,合理的无线传感
器网络可以最大限度的利用资源。在这里面,还包括网络安全协议问
题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。
2.
无线传感器网络相关技术
2.1无线传感器网络节点构成
无线传感器网络由大量体积小、成本低、具有无线通信、传感、
数据处理的传感器节点以自组织方式构成。传感器节点构成了网络的
硬件基础。节点具备三个功能:首先,作为现场信息采集单元要完成
信息的采集并按要求对采集到的信息进行适当的预处理,因此节点包
括数据采集模块及数据预处理模块;其次,传感器节点还具有信息转
发功能,将采集到的现场信息通过一定的方式传输到其他节点或信息
处理中心,因此节点还必须包括通信模块来完成信息的接收、传递等;
第三,当节点处要实现某种控制作用时,还需要有控制模块。一般来
说,无线传感器节点由以下几个物理部分构成:
(1)由微处理器或微控制器构成的计算子系统,负责控制传感
器、执行通信协议及处理传感数据的算法;
(2)用于无线通信的短距离无线收发电路,即通信子系统;
(3)由一组传感器和激励装置构成的传感子系统。
实际应用中,并不是所有的节点都需要控制模块。传感器节点的
一种基本模型如图2-1所示。包括传感器、ADC、CPU及存储器、
通信模块、控制模块及电源(能量)等,当不需要控制作用时,节点
组成如图2-1中粗线内部分所示。所有这些模块组装成一个火柴盒大
小甚至更小的传感器节点,各模块相互协作以完成一项共同的任务。
控制器
控制模块
微处理器
传感器
无线收发
ADC
采集模块
电池
存储器
数据处理模块
DC/DC
通信模块
供电模块
图2-1
传感器节点基本模型
除此之外,根据具体应用的需要,节点可能还会有定位系统、电
源再生单元和移动单元等。其中电源再生单元是重要的模块之一,有
的系统可能采用太阳能电池等方式来补充能量,但是大多数情况下传
感器节点的电池是不可补充的。定位系统对传感器网络的路由是很重
要的,有些传感器节点采用GPS进行定位,但是GPS模块价格昂贵
且体积难以减少,所以不可能全部节点都使用GPS来进行定位。此
外,GPS
定位还受到其他限制,如网络放置于建筑物内部等。通常
情况下是在整个网络中会有某些传感器节点配有GPS系统,其他节
点通过局部定位算法得到它们与配有GPS的节点之间的相对位置,
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