WSN技术及应用

来源:荣格

发布时间:2018年9月7日下午 04:09:39

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络,它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信,因此网络设置灵活,设备位置可以随时更改,还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络,它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信,因此网络设置灵活,设备位置可以随时更改,还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

WSN节点结构

在不同应用中,传感器节点的结构不尽相同,但一般都由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成,如图1所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换,传感器的类型是由被监测物理信号的形式决定的,如用于温度监测的铂电阻传感器,用于压力传感的电容式传感器等;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送来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制信息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量,通常采用微型电池,不过已有公司探索从周围环境取得能量并将其转换成微瓦电能的方法。

图1  传感器节点结构

图1  传感器节点结构

无线传感器网络协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层,与互联网协议栈的五层协议相对应。另外,协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作,在节点移动的传感器网络中转发数据,并支持多任务和资源共享.各层协议和平台的功能如下:1、物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术;2、数据链路层负责数据成帧,帧检测、媒体访问和差错控制;3、网络层主要负责路由生成与路由选择;4、传输层负责数据流的传输控制,是保证通信服务质量的重要部分;5、应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件;6、能量管理平台管理传感器节点如何使用能源,在各个协议层都需要考虑节省能量;7、移动管理平台检测并注册传感器节点的移动,维护到汇聚节点的路由,使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置;8、任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。

WSN拓扑结构

WSN特定的应用环境及其固有的特征,对传感器网络拓扑结构的设计提出了新的要求。在无线传感器网络中,节点需要完全以自组织的形式构成自治型网络,并且能够工作在无人值守的恶劣环境当中。到目前为止,无线传感器网络拓扑结构的研究主要集中在两个方向,即平面型拓扑结构和层次型拓扑结构。

图2  平面型拓扑结构

图2  平面型拓扑结构

平面型拓扑结构,所有节点的地位平等、作用相同,既采集数据又进行数据通信的中转,网络中不存在集中式控制中心。为了有效地节省能量,远距离节点之间以多跳通信方式,如图2所示。平面结构网络比较简单,无需任何的结构维护过程,节点根据预定的路由协议自组织成无线网络。由于随机分布、高密度等特性,源节点和目的节点之间可能存在多条传输路径,如图2中节点A和E之间存在两条路径:A→C→D→E和A→C→F→E,既可以使用多条路径实现负载分担,也可以为不同的数据传输需求选择适当的路径。平面结构网络中所有的传感器节点理论上是对等的,不存在瓶颈和单点故障,所以比较健壮,但是网络规模受限,动态扩展性差,难以维护。在平面结构中,源节点为了获得目的节点信息通常需要传输大量的查询消息,而且由于网络的动态性,如节点失效、增加等,维护这些动态变化的路由信息需要发送大量的控制消息。网络规模越大路由维护的开销就越大,当网络的规模增加到某个程度时,网络的所有带宽可能被路由协议消耗掉,所以平面式结构的网络扩展性较差。

层次型拓扑结构中,网络根据具体应用需求,如地理区域、能源、应用类型等,划分为簇,每个簇由一个簇头节点和多个簇成员构成,多个簇头节点抽象成高一级的网络,在高一级网络中可以继续分簇,形成更高一级网络,最终形成多层次组织结构的传感器网络,如图3所示。

图3  层次型拓扑结构

图3  层次型拓扑结构

层次型拓扑结构中,不同层次以自己的局部概念进行交互,聚集起来实现期望的全局任务。分层组织结构中,簇内成员节点负责感知任务,以多跳方式将采集的信息发送到簇头节点。簇头节点作为簇类的中心节点,担负着与远程终端通讯、发布簇类管理信息、执行更高层次的数据融合和数据分析等使命。为了有效利用能源和延长网络的生命周期,簇头节点通常依据能量概率分布由网络节点轮流充当。这样可以使簇头节点的高能量消耗平均到网络节点上,同时也避免了固定簇头引起的网络的脆弱性和不稳定性,而且可以通过簇拆分来增加簇的个数或者簇聚合形成更高一级网络来提高整个网络的容量。但缺点是,为了维护层次化结构需要仔细设计簇头选择算法。而且簇间节点为了完成数据通信需要经过簇头转发,因此不一定能使用最佳路由,例如图3中的A,B节点,物理距离很接近,在平面结构中可以直接通信,但分簇后需要通过两个簇的簇头中继进行通信。

WSN的应用

WSN具有广阔的应用前景,被认为是将对21世纪产生巨大影响力的技术之一,已有和潜在的传感器网络应用领域包括:军事侦察、环境监测、医疗监护、空间探索、城市交通管理、仓储管理等等。

军事应用:在军事领域,传感器网络将会成C战场指挥系统不可或缺的一部分,因为WSN是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的,自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃,这一点是传统的传感器技术所无法比拟的。

环境科学:随着人们对于环境的日益关注,环境科学所涉及的范围越来越广泛。通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便,比如,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。类似地,传感器网络可实现对森林环境监测和火灾报告,传感器节点背随机密布在森林之中,平常状态下定期报告森林环境数据,当发生火灾时,这些传感器节点通过协同合作会在很短的时间内将火源的具体地点、火势的大小等信息传送给相关部门。此外,传感器网络也可以应用在精细农业中,以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。

医疗健康:传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体的各种生理数据,跟踪和监控医院内医生和患者的行动,医院的药物管理。如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点,如心率和血压监测设备,利用传感器网络,医生就可以随时了解被监护病人的病情,进行及时处理。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。

智能家居:在家电和家具中嵌入传感器节点,通过无线网络与互联网连接在一起,将会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。利用远程监控系统,可完成对家电的远程遥控,也可以通过图像传感设备随时监控家庭安全情况。

其他商业应用:自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特点,这些特点决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会。比如城市车辆监测和跟踪系统中成功地应用了传感器网络;德国某研究机构正在利用传感器网络技术为足球裁判研制一套辅助系统,以减小足球比赛中越位和进球的误判率。此外,在灾难拯救、仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具、工厂自动化生产线等众多领域,无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。

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