無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用.ppt

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1、第十六章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用概述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)例分析,第十六章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,概述,早在20世紀(jì)70年代，第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)就誕生了。第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)特別簡(jiǎn)單，只能獲取簡(jiǎn)單信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，傳感器節(jié)點(diǎn)與傳感控制器相連就構(gòu)成了這樣一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)在第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)上功能稍有增強(qiáng)，它能夠讀取多種信號(hào)，硬件上采用的是串/并接口來(lái)連接傳感控制器，是一種能夠綜合多種信息的傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)更新的速度越來(lái)越快，在20世紀(jì)90年代后期，第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)問(wèn)世，它更加智能化，綜合處理能力更強(qiáng)，能夠智能地

2、獲取各種信息，網(wǎng)絡(luò)采用局域網(wǎng)形式，通過(guò)一根總線實(shí)現(xiàn)傳感器控制器的連接，是一種智能化的傳感器網(wǎng)絡(luò)。到現(xiàn)在為止，第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)還在開(kāi)發(fā)之中，雖然在實(shí)驗(yàn)室無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)能夠運(yùn)行，但限于節(jié)點(diǎn)成本、電池生命周期等原因，大規(guī)模使用的產(chǎn)品出現(xiàn)得還很少，這一代網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用的是無(wú)線通信模式，大規(guī)模地撒播具有簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理和融合能力的傳感器節(jié)點(diǎn)，無(wú)線自組織地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間節(jié)點(diǎn)的相互通信，這就構(gòu)成第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)，也就是我們所說(shuō)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由在應(yīng)用場(chǎng)景內(nèi)隨機(jī)分布的嵌入式傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，具有鮮明的特點(diǎn)。1．大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器可以部署到很大的地理區(qū)域，節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大，節(jié)點(diǎn)密

3、度高，如水質(zhì)監(jiān)測(cè)、森林防火監(jiān)測(cè)等應(yīng)用。2．自組織網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以依據(jù)組網(wǎng)機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，傳感器節(jié)點(diǎn)有自組織能力，能夠自動(dòng)形成可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的多跳無(wú)線通信系統(tǒng)。3．動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)隨時(shí)加入或離開(kāi)，所以網(wǎng)絡(luò)要能夠感知節(jié)點(diǎn)的加入和移動(dòng)。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠適應(yīng)這些變化，具有動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)可重組性。,概述,4．可靠的網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)資源有限，其計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力不強(qiáng)，生命周期取決于電池，而且針對(duì)不同的應(yīng)用，傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也可能不同，對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)、回收和替換的可能性很小，因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要具

4、有信息傳輸?shù)母叨瓤煽啃院蛯?duì)節(jié)點(diǎn)失效的高度容錯(cuò)性。5．以數(shù)據(jù)為中心無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有唯一的IP地址，其網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)取決于采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不是類(lèi)似于Internet的以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)獲取的指定事件的信息不是報(bào)告給某一個(gè)特定編號(hào)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，而是直接報(bào)告給網(wǎng)絡(luò)的，再由網(wǎng)絡(luò)報(bào)告給用戶，所以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。,概述,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景,1．環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)2．軍事領(lǐng)域3．文物保護(hù)4．醫(yī)療護(hù)理5．空間探索6．建筑領(lǐng)域7．智能交通及其他,靜態(tài)部署,1．部署方法無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署方法與應(yīng)用密切相關(guān)，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，無(wú)

5、線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署方法可以分為確定性部署和隨機(jī)部署兩類(lèi)[13]。確定性部署通常應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)相對(duì)固定或應(yīng)用環(huán)境、節(jié)點(diǎn)位置信息、節(jié)點(diǎn)的密度等已知情況下，確定性部署通過(guò)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象成為靜態(tài)優(yōu)化問(wèn)題或線性規(guī)劃問(wèn)題，2．優(yōu)化對(duì)象根據(jù)優(yōu)化對(duì)象對(duì)部署進(jìn)行分類(lèi)，可以分為基于覆蓋、基于網(wǎng)絡(luò)連通和能量有效性部署三類(lèi)。3．節(jié)點(diǎn)角色節(jié)點(diǎn)的部署位置不僅影響節(jié)點(diǎn)的覆蓋與連通，更影響網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。一些學(xué)者利用不同類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，如增加網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、最小化數(shù)據(jù)包延遲等。節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中可以充當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)、中間節(jié)點(diǎn)、基站節(jié)點(diǎn)或簇頭節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)不同的角色時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的性能參數(shù)依賴于節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的角色。,靜態(tài)部署,

6、動(dòng)態(tài)部署,傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)部署研究可以分為兩類(lèi)。第一類(lèi)是通過(guò)節(jié)點(diǎn)的自主移動(dòng)到達(dá)目標(biāo)位置實(shí)現(xiàn)部署，這種節(jié)點(diǎn)包括可移動(dòng)傳感器和機(jī)器人傳感器，其中可移動(dòng)傳感器是具有翻動(dòng)、彈跳等小距離移動(dòng)功能的傳感器，機(jī)器人傳感器是機(jī)器人與嵌入式無(wú)線傳感器的結(jié)合體，能在地形復(fù)雜或者地理信息未知的情況下參與到網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和運(yùn)作中。第二類(lèi)動(dòng)態(tài)部署方法是借助機(jī)器人在區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)來(lái)放置節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)并在網(wǎng)絡(luò)的工作過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)。,,動(dòng),節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)部署可以追溯到機(jī)器人的部署，國(guó)內(nèi)外已有研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究，基于動(dòng)態(tài)部署的方式可以分為以下三種.1．增量式節(jié)點(diǎn)部署算法2．基于人工勢(shì)場(chǎng)（或虛擬力

7、）的算法3．利用節(jié)點(diǎn)間的移動(dòng)算法,動(dòng)態(tài)部署,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)例分析,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義為：大量無(wú)處不在的，密集布設(shè)的具有通信與計(jì)算能力的傳感器節(jié)點(diǎn)，可在無(wú)人值守的監(jiān)控區(qū)域自組成網(wǎng)絡(luò)，協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在環(huán)境上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：布設(shè)成本低；無(wú)須人工維護(hù)，無(wú)須大量人員值守，生態(tài)環(huán)境不易遭到破壞，不對(duì)人們的生活造成影響，反饋信息準(zhǔn)確、及時(shí)、可靠。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)無(wú)可比擬，其應(yīng)用和推廣將為社會(huì)帶來(lái)不可估量的效益和深遠(yuǎn)影響。,用于礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),在礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)中通常需要對(duì)礦井風(fēng)速、礦塵、一氧化碳、溫度、濕度、氧

8、氣、硫化氫和二氧化碳等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)?，F(xiàn)有的監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)需要在礦井內(nèi)設(shè)通信線路，傳遞監(jiān)測(cè)信息。生產(chǎn)過(guò)程中礦井結(jié)構(gòu)在不停變化，加之有些坑道空間狹小，對(duì)通信線路的延伸和維護(hù)提出了很高的要求。一旦通信鏈路發(fā)生故障，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就可能癱瘓。為解決上述問(wèn)題，本節(jié)提出使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行礦井環(huán)境的監(jiān)測(cè)監(jiān)控。使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控有三個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)：（1）傳感器節(jié)點(diǎn)體積小且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)只需要部署一次，因此部署傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)監(jiān)控環(huán)境的人為影響很小。（2）傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，分布密度高，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以檢測(cè)到局部環(huán)境詳細(xì)信息并匯總到基站，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)具有采集數(shù)據(jù)全面，精度高的特點(diǎn)。（3）無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)本身具有

9、一定的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，可以根據(jù)物理環(huán)境的變化進(jìn)行較為復(fù)雜的監(jiān)控。,1．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的框架結(jié)構(gòu),用于礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。大量的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過(guò)自組織方式組成網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐跳傳輸，經(jīng)過(guò)多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)。用戶通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)信息。1）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),2）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),用于礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),2．節(jié)點(diǎn)的軟/硬件結(jié)構(gòu),1）硬件結(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖所示，傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供

10、應(yīng)模塊四部分組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，處理采集到的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，采用微型電池。,用于礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),2）軟件結(jié)構(gòu),用于礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),用于礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),3．網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,1）多徑路由機(jī)制和SPEED路由協(xié)議，可靠的路由協(xié)議主要從以下兩個(gè)方面考慮：一是利用節(jié)點(diǎn)的冗余性提供多條路徑以保證通信的可靠性；二是建立對(duì)傳輸可靠性的估計(jì)機(jī)制，從而保證每跳傳輸?shù)目煽啃浴?）基于分簇

11、的TDMA機(jī)制MAC協(xié)議由于該傳感器網(wǎng)絡(luò)采用骨干節(jié)點(diǎn)、非骨干節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即分簇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其底層的MAC層協(xié)議也是基于這種分簇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。4．定位機(jī)制當(dāng)井下發(fā)生瓦斯泄漏事件時(shí)，必須盡快找到瓦斯泄漏點(diǎn)進(jìn)行搶修。此時(shí)探測(cè)到瓦斯?jié)舛茸罡叩墓?jié)點(diǎn)必然是距離瓦斯泄漏點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)要發(fā)送位置信息給管理節(jié)點(diǎn)。,山體滑坡案例,1．工程介紹城市存在大量山地地貌，城市居民人口眾多，要求土地必須保持較高的利用率，因此大量建筑和道路都位于山區(qū)附近。由于地處中國(guó)南方，地理位置決定了該地區(qū)降雨量常年偏高，尤其在每年的梅雨季節(jié)，會(huì)出現(xiàn)大量的降水。不穩(wěn)定的山地地貌在受到雨水侵蝕后，容易產(chǎn)生山體滑坡現(xiàn)象，對(duì)居民的生命財(cái)

12、產(chǎn)安全造成巨大的威脅。MEMSIC作為最早進(jìn)入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的公司，提供全套無(wú)線解決方案。在與地理監(jiān)測(cè)專(zhuān)家進(jìn)行多次交流，并進(jìn)行數(shù)次實(shí)地考察后，MEMSIC公司提出了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測(cè)方案。,2．理論原理液位傳感器:觀測(cè)地下水深度。傾角傳感器：監(jiān)測(cè)山體的運(yùn)動(dòng)狀況，山體往往由多層土壤或巖石組成，不同層次間由于物理構(gòu)成和侵蝕程度不同，其運(yùn)動(dòng)速度不同,山體滑坡案例,山體滑坡案例,2．理論原理液位傳感器:觀測(cè)地下水深度。傾角傳感器：監(jiān)測(cè)山體的運(yùn)動(dòng)狀況，山體往往由多層土壤或巖石組成，不同層次間由于物理構(gòu)成和侵蝕程度不同，其運(yùn)動(dòng)速度不同,3．部署實(shí)現(xiàn),山體滑坡案例,1）傳感器節(jié)點(diǎn)每個(gè)傳感器

13、節(jié)點(diǎn)包含液位傳感器與傾角傳感器元件，IRIS無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、MDA300數(shù)據(jù)獲取板和電池組。2）中繼Mote中繼Mote的硬件結(jié)構(gòu)和Mote完全一樣，只是沒(méi)有連接傳感器,通過(guò)有線形式供電。3）基站基站是由一個(gè)Stargate網(wǎng)關(guān)和一個(gè)Mote組成。,山體滑坡案例,4）MoteWebMoteWeb是Windows平臺(tái)下支持無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的B/S架構(gòu)可視監(jiān)控軟件，可通過(guò)Web瀏覽器直接訪問(wèn)WSN數(shù)據(jù)，具有友好的交互界面。4．問(wèn)題與解決方案1）通信距離,山體滑坡案例,2）能源消耗,山體滑坡案例,3）IT系統(tǒng)設(shè)計(jì),山體滑坡案例,5．項(xiàng)目總結(jié)美國(guó)MEMSIC科技公司的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大大提高了山體滑坡監(jiān)測(cè)工作的效率，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不僅使每個(gè)節(jié)點(diǎn)便于安裝部署，免去了有線接入的繁瑣過(guò)程，降低了成本，并且基于Xmesh的網(wǎng)絡(luò)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠地連續(xù)的工作，保證數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)并及時(shí)更新。整個(gè)系統(tǒng)的工作模式也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)改變，以靈活適應(yīng)不同的環(huán)境狀態(tài)。,山體滑坡案例,山體滑坡案例,