传感与控制-无线传感器网络关键技术及现状解析(共17页)

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1、 8 2008年第 8期adv . cn (广告专用 无 线 传 感 器 网 络 研 究 综 述 苏北航务管理处 余向阳 摘 要无线传感器网络是当前信息领域的一个研究热点。本文总结无线传感器网络的发展历史和研究现状 , 分析无线传感器网络的地位和作用 , 对当前国内外的最新研究现状进行概述 , 列举当前无线传感器网络研 究的关键技术 , 最后指出无线传感器网络技术发展所面对的挑战以及无线传感器网络的发展趋势。 关键词无线传感器网络 路由协议 拓扑控制定位技术引 言无线传感器网络 (WSN 能力的微小传感器节点 , 控网络。 :大 规模、 无线、 自组织 、 无基础设施支持的网 络 , 其中节点

2、是同构的 , 成本较低 、 体积较小 , 大部分节点 不移动 , 被随意散布在工作区域 , 要求网络系统有尽可能 长的工作时间。一个典型的无线传感器网络的系统架构包括分布式 无线传感器节点 (群 、 接收发送器汇聚节点、 互联网或通 信卫星和任务管理节点等 , 如图 1所示 。图 1 无线传感器网络的系统架构无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注 , 世界各国的科研机构和科研人员对无线传感器网络的 研究投入了极大的热情。 它综合了现代传感器技术、 微电 子技术、 通信技术、 嵌入式计算技术和分布式信息处理技 术等多个学科 , 是新兴的交叉研究领域 。1 无线传感器网络研究历程与现状无线

3、传感器网络具有重要的科研价值和广泛的应用, , 被公认为是将 无线传感网络的研 , 但发展很快。1. 1 无线传感器网络的研究历史WSN 的基本思想起源于 20世纪 70年代 。 1978年 , DARPA 在卡耐基 2梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组 ;1980年 ,DARPA 的分布式传感器网络项目 (DSN 开启了传感器网络研究的先河 ;20世纪 8090年代 , 研 究主要在军事领域 , 成为网络中心战的关键技术 , 拉开了 无线传感器网络研究的序幕 ; 20世纪 90年代中后期 ,WSN 引起了学术界、 军界和工业界的广泛关注 , 发展了现代意义的无线传感器网络技术。1. 2 国

4、外无线传感器网络的研究现状(1 美 国美国军方最先开始无线传感器网络技术的研究 , 包括CEC 、 REMBASS 、 TRSS 、 SensorIT 、 WINS 、 Smart Dust 、SeaWeb 、 AMPS 、 N EST 等研究项目。 美国国防部远景计 划研究局已投资几千万美元 , 帮助大学进行无线传感器网 络技术的研发。美国国家自然基金委员会 (NSF 也开设了大量与其相关的项目。 NSF 于 2003年制定了 WSN 研究计划 , 每 年拨款 3400万美元支持相关研究项目 , 并在加州大学洛 杉矶分校成立了传感器网络研究中心 。 2005年对网络技 术和系统的研究计划中

5、, 主要研究下一代高可靠、 安全的 可扩展的网络、 可编程的无线网络及传感器系统的网络特 性 , 资助金额达 4000万美元。此外 , 美国交通部、 能源 部、 美国国家航空航天局也相继启动了相关的研究项目 。美国所有著名院校几乎都有研究小组在从事 WSN 相关技术的研究 , 加拿大、 英国 、 德国、 芬兰、 日本和意大利 paper . cn (投稿专用 2008年第 8期Microcontrollers &Embedded Systems 9 等国家的研究机构也加入了 WSN 的研究 。加州大学洛 杉矶分校、 加州大学伯克利分校、 麻省理工学院、 康奈尔大 学、 哈佛大学、 卡耐基 2梅

6、隆大学等在 WSN 研究领域成绩 较为突出。 国际相关学术会议中对 WSN 的研讨增多 , 检 索论文数目逐年以较大幅度增加。美国的 Crossbow 、 Dust Network 、 Ember 、 Chip s 、 In 2tel 、 Freescale 等公司也开展了 WSN 的研究工作。(2 其他国家 加拿大、 英国、 德国 、 芬兰、 日本和意大利等国家的研 究机构也加入了 WSN 的研究。欧盟第 6个框架计划将 “信息社会技术” 作为优先发 展领域之一。其中多处 涉及对 WSN 的研究 。启动了 EYES 等研究计划。日本总务省在 2004年 3月成立了 “ 泛在传感器网络” 调查

7、研究会。韩国信息通信部制订了信息技术 “ 839” 战略 , 其中 “ 3” 是指 IT 产业的三大基础设施 , 即宽带融合网络、 器网络、 下一代互联网协议。企 业 界 , 欧 盟 的 Philips 、 France Telecom 、 N EC 、 O KI 、 Sky 2leynetworks 、 世康、 WSN 的研究 。1. 3 国内无线传感器网络的研究现状首次正式启动出现于 1999年中国科学院 知识创新 工程点领域方向研究 的 “信息与自动化领域研究报告” 中 , 该领域的五大重点项目之一。 2001年中国科学院依 托上海微系统所成立微系统研究与发展中心 , 旨在引领中 科院

8、WSN 的相关工作。国家自然科学基金已经审批了与 WSN 相关的一个重 点课题和多项课题。 2004年 , 将一项无线传感器网络项目 (面上传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理 论 列为重点研究项目。 2005年 , 将网络传感器中的基础 理论和关键技术列入计划。 2006年将水下移动传感器网 络的关键技术列为重点研究项目。 国家发改委下一代互联 网 (CN GI 示范工程中 , 也部署了 WSN 相关的课题。在一份我国未来 20年预见技术的调查报告中 , 信息 领域 157项技术课题中有 7项与传感器网络直接相关 。 2006年初发布的 国家中长期科学与技术发展规划纲要 为信息技术定

9、义了 3个前沿方向 , 其中 2个与 WSN 的研 究直接相关 , 即智能感知技术和自组织网络技术 。我国 2010年远景规划和 “ 十五” 计划中 , 将 WSN 列为重点发展 的产业之一。2 无线传感器网络的地位和作用2. 1 无线传感器网络的地位2003年 2月份 , 美国的 技术评论 杂志评选出对人类生活产生深远影响的十大新兴技术中 , WSN 被列为其 中之一。 美国的 商业周刊 在 2003年 8月份的技术评论 中 , 将 WSN 定位为 21世纪高技术领域中的四大支柱型 产业之一。 美国 今日防务 杂志认为 WSN 的应用和发 展 , 将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变

10、 革。 2004年 , IEEE Spectrum 杂志发表一期专题 传 感器国度 , 专门论述 WSN 的发展与可能的广泛应用 。WSN 的地位可从 3个方面具体分析。(1 第 4代传感器网络可将传感器网络的发展划分为 4个阶段 。一般地将 简单点到点信号传输功能的传统传感器所组成的测控系 统称为第 1代传感器网络 ; 第 2代为由智能传感器和现场 控制站组成的测控网络 ; 感器网络 代传感器网络 , 其应用 Bell 定律 , 每十年会有一类新的计 算设备诞生。它们是巨型机、 小型机、 工作站、 PC 、 PDA 、WSN 节点等、 生物芯片。 (WSN 被认为是新一代的计算设备 (3 普

11、适计算的一个重要途径普适计算是与信息空间发展相适应的一种计算模式 。1991年 ,Mark Weiser 提出了 “普适计算 (Pervasive Com 2puting ” 的思想 , 即把计算机嵌入到环境或日常生活中去 , 让计算机从人们视线中消失 , 使人们能够随时随地且 透明地获得数字化的服务。 WSN 是普适计算的一个重要 途径 , 是普适计算发展的趋势。在 WSN 环境中 , 在任何 时间、 任何地点都能够与外界信息更方便地交流 , 人们可 以自由地穿行于物理世界和信息空间中 , 实现物理世界与 信息世界的融合。2. 2 无线传感器网络的应用(1 军事应用无线传感器网络的相关研究最

12、早起源于军事领域 。 由于其具有可快速部署、 自组织、 隐蔽性强和高容错性的 特点 , 因此能够实现对敌军地形和兵力布防及装备的侦 察、 战场的实时监视、 定位攻击目标、 战场评估、 核攻击和 生物化学攻击的监测以及搜索等功能。(2 环境应用WSN 可以用于气象和地理研究 , 自然和人为灾害 (如洪水和火灾 的监测 , 监视农作物灌溉及土壤、 空气变更的 情况、 牲畜和家禽的环境状况 , 以及大面积的地表检测和 跟踪珍稀鸟类、 动物和昆虫 , 进行濒危种群的研究等。美国的 AL ER T 计划中 , 研究人员开发了数种传感器 来分别监测降雨量、 河水水位和土壤水分 , 并依此预测暴 10200

13、8年第 8期adv . cn (广告专用 发山洪的可能性。 2002年 , 美国加州大学伯克利分校 In 2tel 实验室和大西洋学院联合 , 在大鸭岛上部署了用来监 测岛上海鸟生活习性的无线传感器网络。哈佛大学 Mate Wel 的研究小组用 WSN 对活火山 Volcan Tungurahua 进 行观测。 2005年 , 澳洲的科学家利用传感器网络探测北 澳大利亚的蟾蜍分布情况。挪威科学家利用 WSN 监测 冰河的变化情况 , 目的在于通过分析冰河环境的变化来推 断地球气候的变化。Intel 在俄勒冈州的一个葡萄园内 , 利用 WSN 测量葡 萄园气候的细微变化。(3 医疗应用WSN 可

14、以用于检测人体的生理数据和健康状况 , 对 医院药品进行管理以及用于远程医疗等医疗领域。在 SSIM 项目中 ,100个微型传感器被植入病人眼中 , 帮助盲人获得了一定程度的视觉。 科学家还创建了一个 “ 智能医疗之家” , 即一个 5间房的公寓住宅 , 使用无线传 感器网络来测量居住者的重要生命体征 (血压 、 吸 、 睡觉姿势以及每天 24, (4 家庭应用嵌入家具和家电中的传感器和执行单元组成的无线 网络与 Internet 连接在一起 , 能够为人们提供更加舒适 、 方便和具有人性化的智能家居环境。用户可以方便地对 家电进行远程监控 , 如在下班前遥控家里的电饭锅、 微波 炉、 电话机

15、、 录像机、 电脑等家电 , 按照自己的意愿完成相 应的煮饭、 烧菜、 查收电话留言、 选择电视节目以及下载网 络资料等工作。在家居环境控制方面 , 将传感器节点放在家庭里不同 的房间 , 可以对各个房问的环境温度进行局部控制。此 外 , 利用无线传感器网络还可以监测幼儿的早期教育环 境 , 跟踪儿童的活动范围 , 让研究人员、 父母或是老师全面 地了解和指导儿童的学习过程。(5 工业应用WSN 可以用于车辆的跟踪、 机械故障的诊断、 工业生 产的监控、 建筑物状态的监测等。将 WSN 和 RFID 技术 融合 , 是实现智能交通系统的绝好途径 。在一些危险的工作环境 , 如煤矿、 石油钻井

16、、 核电厂 等 , 利用无线传感器网络可探测工作现场的一些重要 信息。机械故障诊断方面 , Intel 公司曾在芯片制造设备上 安装过 200个传感器节点 , 用来监控设备的振动情况 , 并 在测量结果超出规定时提供监测报告 。美国贝克特营建 集团公司已在伦敦地铁系统中采用了无线传感器网络进 行监测。采用 WSN , 可以让大楼、 桥梁及其他建筑物感知并汇 报自身的状态信息。英国的一家博物馆利用无线传感器 网络设计了一个警告系统。(6 其他应用在太空探索方面 , WSN 可以实现对星球表面长期的 监测。美国国家航空与航天局 (NASA 的 J PL 实验室的 Sensor Webs 计划 ,

17、就是为将来的火星探测进行技术准 备的。德国某研究机构正在利用 WSN 为足球裁判研制一 套辅助系统 , 以降低足球比赛中越位和进球的误判率 。在商务方面 ,WSN 可用于物流和供应链的管理。 WSN 在大型工程项目、 防范大型灾害方面也有着良 好的应用前景 , 海啸预警等。3, 计算机、 通信、 自动控制、 人工智能等多学 目前的研究涉及通信、 组网 、 管理、 分布 式信息处理等多个方面。 具体而言 , 无线传感器网络的关 键技术有路由协议、 MAC 协议、 拓扑控制、 定位技术、 时间 同步、 安全技术和数据融合等。(1 路由协议路由协议负责将数据分组 , 从源节点通过网络转发到 目的节点

18、。 它主要包括两方面的功能 :寻找源节点和目的 节点间的优化路径 , 将数据分组沿着优化路径正确转发 。路由协议可有不同的分类方法 , 包括平面路由和层次 路由 ; 主动路由、 按需路由和混合路由 ; 基于位置的路由和 非基于位置的路由 ; 基于 Qos 的路由和不基于 Qos 的路 由 ; 基于数据融合的路由和非基于数据融合的路由 ; 能量 感知路由协议和非能量感知路由协议 ; 查询驱动和非查询 驱动路由 ; 单路径和多路径路由 ; 安全路由与非安全路由 。(2 M AC 协议在无线传感器网络中 , 介质访问控制 (MAC 协议决 定无线信道的使用方式 , 在传感器节点之间分配有限的无 线通

19、信资源 , 用来构建传感器网络系统的底层基础结构 。 MAC 协议处于传感器网络协议的底层部分 , 对传感器网 络的性能有较大影响 , 是保证无线传感器网络高效通信的 关键网络协议之一。(3 拓扑控制传感器网络的拓扑控制技术主要研究的问题是 :在满 足网络覆盖度和连通度的前提下 , 通过功率控制和骨干网 节点选择 , 剔除节点之间不必要的通信链路 , 形成一个数 据转发的优化网络结构。 具体地讲 , 传感器网络中的拓扑 控制按照研究方向可以分为两类 :节点功率控制和层次型 拓扑结构组织。 paper . cn (投稿专用 2008年第 8期Microcontrollers &Embedded

20、Systems 11(4 定位技术 对于大多数应用 , 不知道传感器位置而感知的数据是 没有意义的。 传感器节点必须明确自身位置才能详细说 明 “ 在什么位置或区域发生了特定事件” , 实现对外部目标 的定位和追踪 ; 另外 , 了解传感器节点位置信息还可以提 高路由效率 , 为网络提供命名空间 , 向部署者报告网络的 覆盖质量 , 实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自配置 。(5 时间同步技术在无线传感器网络系统中 , 单个节点的能力非常有 限 , 整个系统所要实现的功能需要网络内所有节点相互配 合共同完成。 时间同步在无线传感器网络系统中起着非 常重要的作用 , 国内外的研究者已经提出了多种

21、无线传感 器网络的时间同步算法。(6 安全技术与其他无线网络一样 , 安全问题是无线传感器网络的 一个重要问题。 由于采用的是无线传输信道 , 存在窃听、 恶意路由、 , 应用当中 , , 军事上在敌控区 监视对方军事部署的无线传感器网络等 , 安全问题显得尤 为重要。(7 数据融合技术由于大多数无线传感器网络应用都是由大量传感器 节点构成的 , 共同完成信息收集、 目标监视和感知环境的 任务。 在信息采集的过程中 , 采用各个节点单独传输数据 到汇聚节点的方法显然是不合适的。通过数据融合技术 , 能将多份数据或信息进行处理 , 组合出更高效 、 更符合用 户需求的数据。4 无线传感器网络所面

22、临的挑战和发展趋势4. 1 无线传感器网络所面临的挑战无线传感器网络不同于传统数据网络的特点 , 对无线 传感器网络的设计与实现提出了新的挑战 , 主要体现在 5个方面 :低能耗、 实时性 、 低成本、 安全和抗干扰、 协作。4. 2 无线传感器网络的发展趋势由以上这些挑战 , 根据无线传感器网络的研究现状 , 无线传感器网络技术的发展趋势主要有 4个方面。(1 灵活 、 自适应的网络协议体系无线传感器网络广泛地应用于军事、 环境、 医疗、 家 庭、 工业等领域。其网络协议、 算法的设计和实现与具体 的应用场景有着紧密的关联。 在环境监测中 , 需要使用静止、 低速的无线传感器网络 ; 军事应

23、用中 , 需要使用移动 的、 实时性强的无线传感器网络 ; 智能交通领域 , 还需要将RFID 技术和无线传感器网络技术融合起来使用。这些面向不同应用背景的无线传感器网络所使用的路由机制、 数 据传输模式、 实时性要求以及组网机制等都有着很大的差 异 , 因而网络性能各有不同。(2 跨层设计无线传感器网络有着分层的体系结构 , 因此在设计时 也大都是分层进行的 。各层的设计相互独立且具有一定 局限性 , 因而各层的优化设计并不能保证整个网络的设计 最优。针对此问题 , 一些研究者提出了跨层设计的概念 。 , 能量管理机 ; 但要使整个 , 还应采用跨层设计的思想 。标准规范ZigBee 是一种

24、新兴的无线网络通信规范 , 主要用于近距离无线连接。 Z igBee 的基础是 IEEE 无线个域网工作 组所制定的 IEEE 802. 15. 4技术标准。 IEEE 802. 15. 4标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在 10m 左右的低速连接 , 可广泛用于交互玩具、 库存跟踪监测等 消费与商业应用领域。 ZigBee 当然不仅只是 IEEE 802.15. 4的名字。 IEEE 802. 15. 4仅处理低级 MAC 层和物理层协议 ;Z igBee 联盟对其网络层协议和 API 进行了标 准化 , 还开发了安全层 , 以保证这种便携设备不会意外泄 漏其标识 , 而且这种利用

25、网络的远距离传输不会被其他节 点获得。(4 与其他网络的融合无线传感器网络和现有网络的融合将带来新的应用 。 例如 , 无线传感器网络与互联网、 移动通信网的融合 , 一方 面使无线传感器网络得以借助这两种传统网络传递信息 , 另一方面可以利用传感信息实现应用的创新。结 语无线传感器网络系统可以被广泛地应用于国防军事 、 国家安全、 航空航天、 环境监测 、 交通管理 、 医疗救护、 制造 业、 反恐抗灾等领域。特别是在未来军事领域中 , 由于传 感网络可以快速部署在敌对地区并收集相关情报 , 同时又 无需人为干预 , 所以可以极大地减少人员的伤亡 , 是现代 化电子信息战的重要体现。 因此

26、, 传感器网络在未来具有 良好的应用前景 , 它将掀起新的产业浪潮 。编者注 :本文为期刊缩略版 , 全文见本刊网站 www.mesnet. com. cn 。 122008年第 8期adv . cn (广告专用 短 距 离 无 线 数 据 低 功 耗 传 输 协 议 研 究东南大学 王琢玉 方晨 刘昊 摘 要 针对短距离无线数据传输设备因高功 耗 而限 制了工 业应用这一问题 , 本文基于 Freescale 公司的MC13213硬件平台 , 对其低功耗的数据传输协议进行了研究 , 采用信标同步机制极大地降低了无线数据 传输设备的功耗。 关键词低功耗无线数据传输信标时间同步 MC13213

27、短距离无线数据传输是一种线缆替代技术 , 在当前很 多领域 (如工业生产、 医疗监护、 科学研究等 泛的应用。 它的出现 , 有线布线的问题 , Freescale 公司的 MC13213输协议进行了研究 , 在保证数据可靠传输的同时 , 极大地 降低了设备的功耗。1 主要芯片介绍MC13213是 Freescale 公司推出的一款 SoC 芯片 , 它主要由微处理器和射频模块两部分组成。微处理器采用8位的 HCS08内核 , 集成了 1个 SPI (Serial Peripheral In 2terface 接口、 1个 8路的 8/10位 A/D 转换器、 2个 TPM (Timer/PW

28、M 模块 、 2个 SCI (Serial Communication In 2terface 接口、 2个 I 2C 和 1个 8路的 K BI (Keyboard Inter 2rupt 接口。射频模块的工作频段是 2. 4GHz , 通过 SPI 总线与处理器通信。 其主要特点有 : 采用 2. 4GHz 频段 , 其设计构架符合 IEEE 802. 15. 4协议 ; 接收灵敏度 -92dBm , 发送功率为 -28. 7dBm ;15(共 16 个可选工作信道 ; (direct sequence spread spec 2trum 的二进制编码方式 , 增强了抗干扰能力 ; 采用

29、O 2QPSK 数字相移键控调制技术 , 大大降低了数据传输的误码率 ; 采用免冲突的载波检测多址接入 (CSMA 2CA 机 制 , 避免了数据传输过程中的冲突 。2 硬件系统设计如图 1所 示 , 整 个 系 统 硬 件 结 构 由 4部 分 组 成 :RS232/485总线接口单元、 数据处理单元、 射频收发单元 和电源管理单元。图 1 短距离无线数据传输模块硬件结构图参考文献1于海斌 , 等 . 智能无线传感器网络 M.北京 :科学出版社 ,2006. 2王殊 , 等 . 无线传感器网络的理论及应用 M .北京 :北京航空航天大学出版社 ,2007.3王雪 . 无线传感网络测量系统 M .北京 :机械工业出版社 ,2007.4孙利民 , 等 . 无线传感器网络 M.北京 :清华大学出版社 ,2005. 5李晓维 . 无线传感器网络技术 M .北京 :北京理工大学出版社 ,2007.6宋文等 . 无线传感器网络技术与应用 M .北京 :电子工业出版社 ,2007.7汪文勇 . 无线传感器网络的研究与应用 J.电子科技大学学报 ,2005.8崔莉 , 等 . 无线传感器网络研究进展 J.计算机研究与发展 ,2005(1 .(收稿日期 :