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无线传感器网络关键技术与应用.doc
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无线传感器网络关键技术与应用
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。
无线传感器网络所具有的众多类型的传感器,可探测包括地震、电磁、温
度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等
周边环境中多种多样的现象。基于 MEMS 的微传感技术和无线联网技术为无线
传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为:军事、航
空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。
无线传感器网络是一种全新的信息获取平台,能够实时监测和采集网络分
布区域内的各种检测对象的信息,并将这些信息发送到网关节点,以实现复杂
的指定范围内目标检测与跟踪,具有快速展开、抗毁性强等特点,有着广阔的
应用前景。
Abstract
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
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/85517610/bg2.jpg)
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.
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
Key words wireless sensor network; Ad hoc network; wireless mesh networks; clustering
control; energy efficiency; motion control
目 录
无线传感器网络关键技术与应用.....................................................................................................1
摘 要....................................................................................................................................................1
Abstract...............................................................................................................................................1
目 录....................................................................................................................................................2
前 言....................................................................................................................................................4
第一章无线传感器网络技术发展背景.............................................................................................5
1.1 相关科研和工程项目...........................................................................................................6
1.2 WSN 技术的成熟度分析.....................................................................................................7
第二章 WSN 技术体系及其发展现状..............................................................................................9
2.1 核心关键技术.....................................................................................................................10
2.1.1 组网模式..................................................................................................................10
2.1.2 WSN 组网过程................................................................................................................11
2.1.2 拓扑控制..................................................................................................................12
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/85517610/bg3.jpg)
2.1.3 媒体访问控制和链路控制......................................................................................13
2.1.4 路由、数据转发及跨层设计.................................................................................16
2.1.5 QoS 保障和可靠性设计..........................................................................................16
2.1.6 移动控制模型..........................................................................................................17
2.2 关键支撑技术.....................................................................................................................17
2.2.1 WSN 网络的时间同步技术....................................................................................17
2.2.2 基于 WSN 的自定位和目标定位技术...................................................................18
2.2.3 分布式数据管理和信息融合.................................................................................18
2.2.4 WSN 的安全技术....................................................................................................18
2.2.5 精细控制、深度嵌入的操作系统技术..................................................................19
2.2.6 能量工程..................................................................................................................19
第三章基于 WSN 网络的应用系统发展现状................................................................................19
3.1 主要应用现状.............................................................................................................21
3.1.1.环境的检测和保护..................................................................................................21
3.1.3.军事领域..................................................................................................................22
3.1.4.商业化用途..............................................................................................................22
3.2 需要解决的问题.........................................................................................................22
第四章 结束语..................................................................................................................................23
致 谢..................................................................................................................................................25
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/85517610/bg4.jpg)
前 言
科技发展的脚步越来越快,人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基
本的技术——传感器技术,也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一
化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展,并将会带来一场信息革命。具有感知能力、
计算能力和通信能力的无线传感器网络(WSN.wirelesssensornetworks)综合了无线传感技
术、嵌入式计算计算、分布式信息处理计算和通信技术,能够协作地实时监测、感知和采
集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并将这些信息进行处理,获得详尽而准
确的信息,传送到需要这些信息的用户。犹豫 WSN 的巨大应用价值,它已经引起了世界
许多国家的军事部门、工业界和学术界的广泛关注,被广泛的应用与军事,工业过程控制
国家安全、环境监测等领域。无线传感器网络综合了传感技术,嵌入式计算机技术、现代
网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域,是当前计算机网络研究的热点。
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。
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第一章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。
早在上世纪 70 年代,就出现了将传感器采用对点传输、连接传感器二构成传
感器网络雏形,我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展
和进步,传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力,并通过
与传感控制器的相联,组成了有信息综合和处理能力的传感器网络,这是第二
代传感器网络。从上世纪末开始,现场总线技术开始应用与传感器网络,人们
用其组建智能化传感器网络,大量多功能传感器被运用,并使用无线技术连接,
无线传感器网络逐渐形成。无线传感器网络是新一代的传感器网络,具有非常
广泛的应用前景,其发展和应用,将会给人类的生活和生产的各个领域带来深
远影响。发达国家如美国,非常重视无线传感器网络的发展,IEEE 正在努力推
进无线传感器网络的应用和发展,波士顿大学还与最近创办了无线传感器网络
协会(SensorNetworkConsortium),期望能促进传感器联网技术开发。美
国的,《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时,更是将无线传感器网络
列为第一项未来新兴技术,《商业周刊》预测的未来四大新兴技术中,无线传
感器网络也列入其中。可以预计,无线传感器网络的广泛是一种必然趋势,它
的出现将会给人类社会带来极大的变革。
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
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