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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)范文1

【關(guān)鍵詞】無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);特點(diǎn);應(yīng)用

0.引言

隨著傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和通信技術(shù)等幾種技術(shù)的融合和匯聚，具有感知信息、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和通信能力的微型傳感器被應(yīng)用于國(guó)防軍事、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks ,WSN)是由一組稠密布置的微型傳感器組成的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的信息，并給觀察者。相對(duì)于有線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、應(yīng)用靈活、部署快速等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的應(yīng)用空間。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已在軍事、安全、環(huán)境、工業(yè)、交通、健康和家居等領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用。

1.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量集傳感與驅(qū)動(dòng)控制、計(jì)算存儲(chǔ)、通信于一體的的嵌入式傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。這些傳感器節(jié)點(diǎn)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用管理器節(jié)點(diǎn)。應(yīng)用時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)分布在不同的角落，采集節(jié)點(diǎn)周邊的溫度、濕度、光強(qiáng)度、噪聲、壓力、速度等物理信息，各傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的信息發(fā)送給特定的對(duì)象。圖1為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)具有信息采集和處理的能力，是由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無(wú)線通信模塊組成的微系統(tǒng)。傳感器模塊負(fù)責(zé)采集外界環(huán)境的物理信息并將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼等處理；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)將信息傳送到網(wǎng)絡(luò)中。傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)質(zhì)是以自組織的形式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)具有信息處理能力和網(wǎng)絡(luò)管理能力，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)與應(yīng)用管理器節(jié)點(diǎn)之間信息的交換。應(yīng)用管理器節(jié)點(diǎn)是用戶于傳感器網(wǎng)絡(luò)的接口。用戶通過(guò)應(yīng)用管理器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)處理無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的信息和向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用指令的交互。

1.2無(wú)線傳感器的特點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠得到廣泛的應(yīng)用，因其具有以下特點(diǎn)：

1.2.1節(jié)點(diǎn)規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)體積小

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)密度高，數(shù)量巨大，可能達(dá)到幾百、幾千萬(wàn)，甚至更多。體積小是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一個(gè)重要特點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)大量部署的內(nèi)在要求。

1.2.2自組織

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(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)形成無(wú)線通信系統(tǒng)不需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施作為網(wǎng)絡(luò)樞紐。

1.2.3能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境

傳感器網(wǎng)絡(luò)主要分布在各種條件惡劣的環(huán)境，如軍事邊界或者一些人員難以進(jìn)入地區(qū)。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)容易受高山、建筑物、障礙物等地勢(shì)地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響。

1.2.4部署容易且成本低

只需要在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行隨機(jī)部署，不需要指定特定的位置。相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)傳輸，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸降低了各種成本。

1.2.5可靠性高

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)資源有限，其生命周期主要取決于電池。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。

2.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

2.1軍事建設(shè)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其快速布署、自組織和容錯(cuò)等特點(diǎn)，成為軍事通信控制系統(tǒng)的重要組成部分，可用于兵力、裝備彈藥和物資的監(jiān)控，陣地和敵情的偵查，戰(zhàn)場(chǎng)的監(jiān)視，生物化學(xué)攻擊的判斷、目標(biāo)的指示，戰(zhàn)損的評(píng)估等。

2.2工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備的震動(dòng)、和磨損情況，可以迅速得到設(shè)備的健康狀態(tài);通過(guò)在生產(chǎn)線上布署傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以方便的實(shí)現(xiàn)在線質(zhì)量控制。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為提高設(shè)備性能、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本，提供了一種很好的技術(shù)方案。

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，深化現(xiàn)代技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，對(duì)推進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程具有重要作用。將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息采集以及遠(yuǎn)程傳輸，為科學(xué)決策提供可靠依據(jù)。

2.3環(huán)境監(jiān)測(cè)

在環(huán)境科學(xué)研究中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為大規(guī)模野外數(shù)據(jù)采集和氣候氣象監(jiān)測(cè)提供了便利，可用于跟蹤候鳥(niǎo)、小型動(dòng)物和昆蟲(chóng)的遷徙地球探測(cè)，林火和洪水監(jiān)測(cè)等。如美國(guó)Berkley等單位在美國(guó)緬因州的GreatDuck島對(duì)海燕棲息地的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)；肯尼亞MPala研究中心對(duì)大規(guī)模野生動(dòng)物(野馬，斑馬等)的棲息地進(jìn)行考察研究；挪威對(duì)冰河觀測(cè)以了解地球氣候的變化。

2.4安全監(jiān)控

通過(guò)在監(jiān)控藏所部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用場(chǎng)所附近的聲音、震動(dòng)、光、溫度等物理信息的變化，了解被監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)，來(lái)防止非法入侵、安全事故等。目前應(yīng)用較多的是煤礦、電站、通信樞紐、行政中心等。如實(shí)時(shí)監(jiān)控煤礦井下環(huán)境來(lái)進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警，實(shí)時(shí)監(jiān)控井下人員和設(shè)備的位置來(lái)對(duì)其進(jìn)行資源調(diào)度，并為災(zāi)后的輔助救援提供支持。

2.5智能交通

將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到智能交通系統(tǒng)，作為它的一個(gè)信息采集和通信子系統(tǒng)。這個(gè)子系統(tǒng)充分利用了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、靈活性好和易于大規(guī)模部署等特點(diǎn)，來(lái)采集全路段的車輛和路面信息。相對(duì)于有線交通信息采集通信系統(tǒng)而言，大幅度地降低現(xiàn)有交通監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的成本。通過(guò)車載和道路傳感器的配合，駕駛者和交通控制人員可以實(shí)時(shí)地了解路況和交通信息。布置于道路上的速度識(shí)別傳感器，可以監(jiān)測(cè)交通流量等信息，為出行者提供信息服務(wù)，并且在發(fā)現(xiàn)違章時(shí)能及時(shí)報(bào)警和記錄。 （下轉(zhuǎn)第143頁(yè)）

（上接第131頁(yè)）2.6醫(yī)療健康

利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積小、易于植入和便于攜帶等特點(diǎn)，其可以用于醫(yī)院藥品控制、病人生命體征不間斷采集和監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

2.7教育教學(xué)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為計(jì)算機(jī)最前沿技術(shù)之一，是泛在學(xué)習(xí)的技術(shù)支撐。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)自組性等為我們未來(lái)的學(xué)習(xí)方式以及教學(xué)開(kāi)辟了新的思路。如乒乓球訓(xùn)練田、足球裁判輔助系統(tǒng)等可以提高教學(xué)效果。

2.8家居生活

通過(guò)布置于房間內(nèi)、家電中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自組織無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，感知居室不同部分的溫度、濕度、光照、空氣成分等信息，從而對(duì)空調(diào)、門窗以及其他家電進(jìn)行自動(dòng)控制，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)家電之間的交互和遠(yuǎn)程控制，提供給人們舒適的居住環(huán)境。

3.結(jié)語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合了微機(jī)電、傳感器、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線通信和信息處理等技術(shù)，知識(shí)高度集成，創(chuàng)新度高，是在國(guó)際上前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域之一，應(yīng)用前景廣闊，對(duì)國(guó)家安全、社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大。這種多學(xué)科交叉融合的研究給人們提出了不少新的挑戰(zhàn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展還有許多要攻克的難題。

【參考文獻(xiàn)】

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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)范文2

[關(guān)鍵詞] 無(wú)線多媒體傳感器 關(guān)鍵技術(shù) 研究熱點(diǎn) 應(yīng)用

目前，傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)重要方面是在能量嚴(yán)重受限的微型節(jié)點(diǎn)上如何實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的環(huán)境數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理。然而，隨著監(jiān)測(cè)環(huán)境的日趨復(fù)雜多變，迫切需要將信息量豐富的圖像、音頻、視頻等媒體引入到以傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的環(huán)境監(jiān)測(cè)活動(dòng)中來(lái)，實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度、精準(zhǔn)信息的環(huán)境監(jiān)測(cè)。由此，無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。

一、無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Multimedia Sensor Network, WMSN)是在傳統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)基礎(chǔ)上引入了音頻、視頻、圖像等多媒體信息感知功能的一種新型傳感器網(wǎng)絡(luò)，多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)除了具有其共性特點(diǎn)以外，還具有顯著的個(gè)性特點(diǎn)。具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

（1）網(wǎng)絡(luò)能力增強(qiáng)。由于大數(shù)據(jù)量音頻、視頻、圖像等媒體的引入，多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)能力都有顯著增強(qiáng)。為更好地滿足網(wǎng)絡(luò)中多媒體傳輸需求，網(wǎng)絡(luò)帶寬資源也相應(yīng)增加。

（2）感知媒體豐富。音頻、視頻、圖像、等多種類型數(shù)據(jù)共存于多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中。另外，媒體格式多樣，既包含單值信息，又包含流媒體信息。這些媒體信息共同服務(wù)于監(jiān)測(cè)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)更為全面、準(zhǔn)確的場(chǎng)景監(jiān)測(cè)。

（3）處理任務(wù)復(fù)雜。多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的音頻、視頻、圖像信息豐富且格式復(fù)雜，我們可利用壓縮、識(shí)別、融合等多種處理以滿足多樣化應(yīng)用需求。

二、無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀

由于WMSN巨大的應(yīng)用價(jià)值，近年來(lái)，多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究己引起了科研人員的密切關(guān)注，一些學(xué)者開(kāi)展了多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的探索性研究，在IEEE系列會(huì)議、ACM多媒體和傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)會(huì)議發(fā)表了一些重要的研究成果。從2003年起，ACM還專門組織國(guó)際視頻監(jiān)控與傳感器網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)交流相關(guān)研究成果。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)、卡耐基梅隆大學(xué)、馬薩諸塞大學(xué)、波特蘭州立大學(xué)等著名學(xué)府也開(kāi)始了多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作，紛紛成立了視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)組并啟動(dòng)了相應(yīng)的科研計(jì)劃。

三、無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

（1）節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)是構(gòu)成無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，目前已經(jīng)設(shè)計(jì)或生產(chǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可分為兩類：一類是以通用微處理器為核心部件，類似嵌入式系統(tǒng)方式設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)；另一類則是采用FPGA，ASIC等專用器件設(shè)計(jì)的平臺(tái)。

（2）MAC協(xié)議。媒體訪問(wèn)協(xié)議(MAC協(xié)議)的主要功能是在相互競(jìng)爭(zhēng)的傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無(wú)線信道資源，它決定著無(wú)線信道的使用方式和網(wǎng)絡(luò)性能，是關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成功的重要技術(shù)。

（3）路由協(xié)議。路由協(xié)議是WSNs研究的重點(diǎn)之一，其功能是在網(wǎng)絡(luò)中任意需要通信的兩點(diǎn)間建立并維護(hù)數(shù)據(jù)傳輸路徑。針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源嚴(yán)重受限，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁，通信方式以數(shù)據(jù)為中心等特性，目前國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)了很多路由協(xié)議，其中較為常見(jiàn)的有SPIN，DD，CADR，LEACH，PEGASIS等。

四、無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)及其進(jìn)展

在傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)中由于網(wǎng)絡(luò)傳輸中的延遲、抖動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)擁塞及發(fā)送端的發(fā)送速度與接收端的接收速度不匹配等問(wèn)題在無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中同樣存在，因此在無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中保證多媒體同步除了面臨傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的問(wèn)題，還存在一些新挑戰(zhàn)，分析如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)帶寬問(wèn)題。帶寬資源是網(wǎng)絡(luò)資源的一個(gè)重要方面。目前大多數(shù)無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS路由協(xié)議都以最小可用帶寬作為QoS度量。然而，無(wú)線傳輸媒介屬于廣播媒介，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的帶寬資源不僅要受到一跳鄰居節(jié)點(diǎn)和兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)的影響，還要受到這些節(jié)點(diǎn)自身業(yè)務(wù)量變化的影響，而且多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的帶寬又十分有限，因此如何合理利用有限帶寬是多媒體同步的關(guān)鍵問(wèn)題。

（2）網(wǎng)絡(luò)延遲抖動(dòng)更為劇烈的問(wèn)題。在無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)使用無(wú)線媒介進(jìn)行通信，無(wú)線信號(hào)傳輸面臨著路徑損耗、多徑衰落和干擾等環(huán)境因素的影響，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的延遲抖動(dòng)更為劇烈多變，因此造成網(wǎng)絡(luò)的控制開(kāi)銷大大增加，使得無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多媒體同步比固定網(wǎng)絡(luò)中的同步要復(fù)雜得多，導(dǎo)致對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲抖動(dòng)的處理更加困難。

（3）采集數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作的問(wèn)題。在無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于任務(wù)較為復(fù)雜，因此完成一項(xiàng)數(shù)據(jù)采集任務(wù)時(shí)，需要多個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作，但由于控制信息從匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)出，通過(guò)不同的路徑到達(dá)各個(gè)協(xié)同工作的目的節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致各個(gè)目的節(jié)點(diǎn)收到控制信息的時(shí)間不一致，從而不能協(xié)同工作，導(dǎo)致在數(shù)據(jù)采集編碼階段不同媒體流之間產(chǎn)生了不同步現(xiàn)象。

五、無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、民用、商業(yè)中都具有非常廣闊的應(yīng)用前景。具體的應(yīng)用領(lǐng)域集中在：

（1）戰(zhàn)場(chǎng)偵查與監(jiān)控。多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)具有快速部署等特點(diǎn)，在戰(zhàn)場(chǎng)上布設(shè)大量的WSN，以收集和中繼信息，并對(duì)大量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，然后把重要信息傳送到數(shù)據(jù)融合中心，大大提升指揮員對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的感知水平。

（2）智能家居網(wǎng)絡(luò)。在智能家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中最基本的單元是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn), 它的功能是負(fù)責(zé)傳感和對(duì)信息預(yù)處理, 響應(yīng)監(jiān)控主機(jī)的指令發(fā)送數(shù)據(jù)，如監(jiān)測(cè)跟蹤孩子的活動(dòng)軌跡等。

（3）環(huán)境監(jiān)測(cè)。WSN非常適合應(yīng)用于野外環(huán)境，極大地方便了環(huán)境研究所需的原始數(shù)據(jù)的獲取。

（4）農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有的實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)，無(wú)線通信特點(diǎn)，使其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有很大發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] A survey on wireless multimedia sensor networks. Computer networks

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)范文3

關(guān)鍵詞無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);發(fā)展;組成;特點(diǎn);關(guān)鍵技術(shù);應(yīng)用

中圖分類號(hào)tp212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼a文章編號(hào) 1007-5739(2010)01-0016-02

隨著微機(jī)電技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和數(shù)字信息處理技術(shù)的發(fā)展,低成本、低功耗、多功能、小尺寸的傳感節(jié)點(diǎn)變成現(xiàn)實(shí),此類節(jié)點(diǎn)包含有傳感、數(shù)據(jù)處理和通信功能,傳感節(jié)點(diǎn)可以在短距離內(nèi)進(jìn)行通信。與傳統(tǒng)傳感器不同的是,此類傳感器依賴于大量傳感節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作,傳感器網(wǎng)絡(luò)是對(duì)傳統(tǒng)傳感器的一大革新[1]。傳感器網(wǎng)絡(luò)被美國(guó)的《商業(yè)周刊》評(píng)為影響21世紀(jì)的21個(gè)方面[2],被美國(guó)麻省理工學(xué)院《技術(shù)評(píng)論》評(píng)為即將改變世界的十大技術(shù)[3]。

1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想最初由美國(guó)軍方提出,美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究所計(jì)劃署于1978年開(kāi)始資助卡耐基-梅隆大學(xué)進(jìn)行分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究,這被看成是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形。此后,類似的項(xiàng)目在全美高校間廣泛展開(kāi),著名的有uc berkeley的smart dust項(xiàng)目、ucla的wins項(xiàng)目以及多所機(jī)構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)的sensit計(jì)劃[4]等。在這些項(xiàng)目取得進(jìn)展的同時(shí),其應(yīng)用也從軍用轉(zhuǎn)向民用。在森林火災(zāi)、洪水監(jiān)測(cè)等環(huán)境應(yīng)用中,在人體生理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、藥品管理等醫(yī)療應(yīng)用中,在家庭環(huán)境的智能化應(yīng)用及商務(wù)應(yīng)用中都已形成。

2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成

2.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)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應(yīng)模塊四部分組成(見(jiàn)圖1)[5]。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)的操作,存儲(chǔ)和處理本身采集的數(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,交換控制消息和收發(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。

2.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感節(jié)點(diǎn)組成,傳感節(jié)點(diǎn)部署在檢測(cè)區(qū)域的附件傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示,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)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。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)逐跳地進(jìn)行傳輸,在傳輸過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理,經(jīng)過(guò)多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn),最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(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,監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測(cè)、控制以及無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),節(jié)點(diǎn)數(shù)目更為龐大(上千甚至上萬(wàn)),節(jié)點(diǎn)分布更為密集;由于環(huán)境影響和能量耗盡,節(jié)點(diǎn)更容易出現(xiàn)故障;環(huán)境干擾和節(jié)點(diǎn)故障易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化;另外,傳感器節(jié)點(diǎn)具有的能量、處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力等都十分有限。傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供高服務(wù)質(zhì)量和高效帶寬利用,其次才考慮節(jié)約能源;而傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是能源的高效使用,這也是傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最重要的區(qū)別之一[6]。因?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大,每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的尺寸和成本的的限制,而且還處在隨時(shí)變化的環(huán)境中,這就使它有著不同于普通傳感器網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特“個(gè)性”。

3.1無(wú)中心和自組網(wǎng)特性

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,所有節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的,沒(méi)有預(yù)先指定的中心,各節(jié)點(diǎn)通過(guò)分布式算法來(lái)相互協(xié)調(diào),在無(wú)人值守的情況下,節(jié)點(diǎn)就能自動(dòng)組織起一個(gè)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。而正因?yàn)闆](méi)有中心,網(wǎng)絡(luò)便不會(huì)因?yàn)閱蝹€(gè)節(jié)點(diǎn)的脫離而受到損害。

3.2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化性

網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)是處于不斷變化的環(huán)境中,它的狀態(tài)也在相應(yīng)地發(fā)生變化,加之無(wú)線通信信道的不穩(wěn)定性,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟虼艘苍诓粩嗟卣{(diào)整變化,而這種變化方式是無(wú)人能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出來(lái)的。

3.3傳輸能力的有限性

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)無(wú)線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,雖然省去了布線的煩惱,但是相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò),低帶寬則成為它的天生缺陷。同時(shí),信號(hào)之間還存在相互干擾,信號(hào)自身也在不斷地衰減。

3.4能量的限制

為了測(cè)量真實(shí)世界的具體值,各個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)密集地分布于待測(cè)區(qū)域內(nèi),人工補(bǔ)充能量的方法已經(jīng)不再適用。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要儲(chǔ)備可供長(zhǎng)期使用的能量,或者從自身以外汲取能量(如太陽(yáng)能)。

3.5安全性的問(wèn)題

無(wú)線信道、有限的能量,分布式控制都使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易受到攻擊。被動(dòng)竊聽(tīng)、主動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)則是這些攻擊的常見(jiàn)方式。因此,安全性在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。

4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1物理層技術(shù)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián),按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(iso)的規(guī)定,為數(shù)據(jù)流傳輸所需的物理連接的建立、維護(hù)和釋放提供的機(jī)械的、電氣的、功能和規(guī)程性的模塊就叫做物理層。從這個(gè)定義可以看出,物理層需要承擔(dān)為數(shù)據(jù)終端提供數(shù)據(jù)傳輸通路、傳輸數(shù)據(jù)和完成管理工作的職責(zé)。具體到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)以及擴(kuò)頻技術(shù)[7]。由于是無(wú)線網(wǎng)絡(luò),傳輸介質(zhì)自然要選電磁波。不過(guò),源信號(hào)要依靠電磁波傳輸必須通過(guò)調(diào)制技術(shù)變成高頻信號(hào),當(dāng)?shù)诌_(dá)接受端時(shí),又通過(guò)解調(diào)技術(shù)還原成原始信號(hào)。

在物理層面上,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)遵從的主要是ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。依照此標(biāo)準(zhǔn),其物理層主要進(jìn)行如下工作:激活和去活無(wú)線收發(fā)器,檢測(cè)當(dāng)前信道的能量,發(fā)送指示,信道頻率的選擇,數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃了幾個(gè)工作頻段。其中,2.4ghz頻段的物理層可提供250kb/s的數(shù)據(jù)傳輸率,適用于高吞吐量、低延時(shí)或低作業(yè)周期的場(chǎng)合;工作在869/915mhz頻段的物理層則能提供20kb/s的數(shù)據(jù)傳輸率,適用于低速率、高靈敏度和大覆蓋面積的場(chǎng)合。依據(jù)ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議被稱為zigee,其傳輸帶寬雖然不及wi-fi和blue tooth,但是能耗較低,非常適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[8]。圖3為各無(wú)線協(xié)議工作的頻段。

4.2mac層協(xié)議

信號(hào)的傳輸要靠信道,因此信道也就成為了一種寶貴的資源。如何合理有效地分配信道,是數(shù)據(jù)鏈路層中的mac子層要解決的問(wèn)題。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常使用的有3種mac協(xié)議,即傳感器協(xié)議(s-mac)、分布式能量意識(shí)協(xié)議(de-mac)和協(xié)調(diào)設(shè)備協(xié)議[9]。s-mac協(xié)議通過(guò)調(diào)配節(jié)點(diǎn)的休眠方式來(lái)有效地分配信道;de-mac則采用周期性監(jiān)聽(tīng)和休眠機(jī)制,避免空閑監(jiān)聽(tīng)和串音,其目的是減少能耗和增加網(wǎng)絡(luò)的生存周期;md協(xié)議則能為大規(guī)模、低占空比運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)提供不需要高精度時(shí)鐘的可靠通信。總體來(lái)說(shuō),無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議在分配信道的同時(shí)還要保證系統(tǒng)的能耗最低。

4.3路由協(xié)議

在具備底層傳輸協(xié)議的保障后,信息如何快速地從源傳輸?shù)侥康牡厥怯陕酚蓞f(xié)議來(lái)解決的。路由要實(shí)現(xiàn)2個(gè)基本功能,即確定最佳路徑和通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸信息。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩酱嬗诼酚杀?由路由算法初始化并負(fù)責(zé)維護(hù)[8]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與普通的網(wǎng)絡(luò)不同,它具有能量受限、通信方式以數(shù) 據(jù)為中心、相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)具有相似性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也在不斷變化等特點(diǎn)。與此對(duì)應(yīng),常規(guī)網(wǎng)絡(luò)的路由并不一定能適應(yīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

4.4能量管理

能耗是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的最大問(wèn)題,因?yàn)楣?jié)點(diǎn)長(zhǎng)期處于無(wú)人值守的狀況下,有效的能耗策略必不可少。目前最常使用的策略是休眠機(jī)制,即在節(jié)點(diǎn)空閑時(shí),使其處于休眠狀態(tài),此時(shí)其能耗降到最低。但是休眠的節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)回正常狀態(tài)的時(shí)候,往往會(huì)消耗大量的能量,因此尋找合理的狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略是確保休眠機(jī)制成功的關(guān)鍵[10]。數(shù)據(jù)融合是另一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。多個(gè)鄰近節(jié)點(diǎn)經(jīng)常會(huì)采集同樣的信息,發(fā)送這些冗余信息就給系統(tǒng)增加了不必要的負(fù)擔(dān)。因此,通過(guò)本地計(jì)算和篩選,確保發(fā)送出最有效的信息就是數(shù)據(jù)融合的任務(wù)。其他能量管理策略還有沖突避免和糾錯(cuò)以及多跳短距離通信等。

4.5軟件支持

tinyos是uc berkeley針對(duì)其無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)意義上的操作系統(tǒng),它更像一個(gè)編程構(gòu)架,在此構(gòu)架下,搭配一組必要的組件,就能方便地編譯出面向特定應(yīng)用的操作系統(tǒng)。tinyos由眾多組件組成,包括了主組件、應(yīng)用組件、執(zhí)行組件、傳感組件、通信組件和硬件抽象組件。每一個(gè)組件在其內(nèi)部都封裝了命令處理程序和事件處理程序,它們通過(guò)接口聲明所調(diào)用的命令和將要觸發(fā)的事件。調(diào)度器則負(fù)責(zé)根據(jù)任務(wù)的輕重緩急來(lái)安排系統(tǒng)的工作。crossbow公司生產(chǎn)的mica傳感器平臺(tái)上就使用了tinyos系統(tǒng)[11]。實(shí)踐證明,其基本應(yīng)用只占用很少的系統(tǒng)資源,能圓滿的完成數(shù)據(jù)采集、處理和通信組網(wǎng)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。

5無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)范文4

【 關(guān)鍵詞 】 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；組成；特點(diǎn)；關(guān)鍵技術(shù)

Analysis of Key Technologies for Wireless Sensor Network

Yin Jun

（Yuxi Agricultur YunnanYuxi 653106）

【 Abstract 】 With the development of micro-electromechanical system，wireless communication technology and digital information processing techniques，wireless sensor networks has been developed in such cross-disciplinary research area，with a very broad application prospects. In this paper，the definition of wireless sensor networks，the structure，characteristics，key technology of wireless sensor networks were described and analysised.

【 Keywords 】 wireless sensor networks; structure; characteristics; key technology

1 前言

近年來(lái)，隨著微機(jī)電技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和數(shù)字信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，集成了感知、計(jì)算、通信能力，具有低成本、低功耗、多功能、體積小和短距離無(wú)線通信等特點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)變成現(xiàn)實(shí)，由數(shù)量不等的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，被稱為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）。WSN可以協(xié)同工作，實(shí)時(shí)或長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的各種對(duì)象數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式預(yù)處理后傳遞給最終用戶，從而為用戶提供直觀的觀察效果，因此可將其廣泛配置于各種不同領(lǐng)域的應(yīng)用中，如軍事國(guó)防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等，將對(duì)人類生活帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響，這也使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為目前在國(guó)際范圍內(nèi)備受關(guān)注，非常活躍的研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以看成是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡(luò)和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點(diǎn),如圖1所示,各節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)議自組成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò),再將采集來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)優(yōu)化后經(jīng)無(wú)線電波傳輸給信息處理中心。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)Tiny0S141的研制者，Jason Hill博士把WSN定義為：Sensing＋CPU＋Radio＝Thousands of potential application。

2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

WSN與傳統(tǒng)傳感器和測(cè)控系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線連接，大大減少了電纜成本，在傳感器節(jié)點(diǎn)端即合并了模擬信號(hào)／數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理和網(wǎng)絡(luò)通信功能，節(jié)點(diǎn)具有自檢功能，系統(tǒng)性能與可靠性明顯提升而成本明顯縮減。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有多種特點(diǎn)。

1）硬件資源有限。WSN節(jié)點(diǎn)采用嵌入式處理器和存儲(chǔ)器，計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力十分有限。所以，需要解決如何在有限計(jì)算能力的條件下進(jìn)行協(xié)作分布式信息處理的難題。

2）電源容量有限。為了測(cè)量真實(shí)世界的具體值,各個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)密集地分布于待測(cè)區(qū)域內(nèi),每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要儲(chǔ)備可供長(zhǎng)期使用的能量,或者自己從外汲取能量（太陽(yáng)能）。

3）無(wú)中心。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有預(yù)先指定的中心，節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。各節(jié)點(diǎn)通過(guò)分布式算法來(lái)相互協(xié)調(diào),在無(wú)人值守的情況下,節(jié)點(diǎn)就能自動(dòng)組織起一個(gè)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。

4）自組織。網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開(kāi)無(wú)需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)通過(guò)分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。

5）多跳路由。WSN節(jié)點(diǎn)通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十到幾百米，節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。WSN中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成的。

6）動(dòng)態(tài)拓?fù)洹SN是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。這些都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能。

7）節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集。WSN節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、分布范圍廣，難于維護(hù)甚至不可維護(hù)。因此傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件要求有好的健壯性和容錯(cuò)性。

8）傳輸能力的有限性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)無(wú)線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,省去了布線的煩惱,但是相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò),低帶寬是它的缺陷。同時(shí),還存在信號(hào)之間相互干擾,信號(hào)自身不斷衰減的問(wèn)題。

9）安全性的問(wèn)題。無(wú)線信道、有限的能量,分布式控制都使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易受到攻擊。被動(dòng)竊聽(tīng)、主動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)則是這些攻擊的常見(jiàn)方式。因此,安全性在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。

3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 組網(wǎng)模式

在確定采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，首先面臨的問(wèn)題是采用何種組網(wǎng)模式，主要的組網(wǎng)模式有幾下幾種。

1）扁平組網(wǎng)模式。所有節(jié)點(diǎn)的角色相同，通過(guò)相互協(xié)作完成數(shù)據(jù)的交流和匯聚。

2）基于分簇的層次型組網(wǎng)模式。節(jié)點(diǎn)分為普通傳感節(jié)點(diǎn)和用于數(shù)據(jù)匯聚的簇頭節(jié)點(diǎn)，傳感節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)先發(fā)送到簇頭節(jié)點(diǎn)，然后由簇頭節(jié)點(diǎn)匯聚到后臺(tái)。

3）網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)模式。Mesh模式在傳感器節(jié)點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)上增加一層固定無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)收集傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，另一方面實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的信息通信，以及網(wǎng)內(nèi)融合處理。

4）移動(dòng)匯聚模式。移動(dòng)匯聚模式是指使用移動(dòng)終端收集目標(biāo)區(qū)域的傳感數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)到后端服務(wù)器。移動(dòng)匯聚可以提高網(wǎng)絡(luò)的容量，但數(shù)據(jù)的傳遞延遲與移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的軌跡相關(guān)，如何控制移動(dòng)終端軌跡和速率是該模式研究的重要內(nèi)容。

3.2 拓?fù)淇刂?/p>

WSN技術(shù)中，拓?fù)淇刂频哪康脑谟趯?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連通的同時(shí)保證信息的能量高效、可靠的傳輸。目前主要的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)分為時(shí)間控制、空間控制和邏輯控制三種。時(shí)間控制通過(guò)控制每個(gè)節(jié)點(diǎn)睡眠、工作的占空比，節(jié)點(diǎn)間睡眠起始時(shí)間的調(diào)度，讓節(jié)點(diǎn)交替工作，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓谟邢薜耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)間切換；空間控制通過(guò)控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率改變節(jié)點(diǎn)的連通區(qū)域，使網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)不同的連通形態(tài)，從而獲得控制能耗、提高網(wǎng)絡(luò)容量的效果；邏輯控制則是通過(guò)鄰居表將不“理想的”節(jié)點(diǎn)排除在外，從而形成更穩(wěn)固、可靠和強(qiáng)健的拓?fù)洹?/p>

3.3 媒體訪問(wèn)控制和鏈路控制

媒體訪問(wèn)控制(MAC)和鏈路控制解決無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中普遍存在的沖突和丟失問(wèn)題，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流狀態(tài)控制臨近節(jié)點(diǎn)，乃至網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的信道訪問(wèn)方式和順序，達(dá)到高效利用網(wǎng)絡(luò)容量，減低能耗的目的。要實(shí)現(xiàn)拓?fù)淇刂浦械臅r(shí)間和空間控制，WSN MAC層的運(yùn)行效率直接反應(yīng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量效率。

復(fù)雜環(huán)境的短距離無(wú)線射頻，在其覆蓋范圍內(nèi)的過(guò)渡臨界區(qū)寬度與通信距離的比例，較長(zhǎng)距離要大得多，更多鏈路將呈現(xiàn)復(fù)雜的不穩(wěn)定特性，需要在MAC控制中更充分地考慮鏈路特性。同時(shí)，鏈路特征也是在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和匯聚中需要考慮的重要因素。

3.4 路由、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及跨層設(shè)計(jì)

WSN網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流向與Internet相反，在WSN網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備是向網(wǎng)絡(luò)提供信息因此，WSN網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議設(shè)計(jì)有自己的獨(dú)特要求。由于在WSN網(wǎng)絡(luò)中對(duì)能量效率的苛刻要求，研究人員通常利用MAC層的跨層服務(wù)信息來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)流向的選擇。另外，網(wǎng)絡(luò)在任務(wù)過(guò)程中一般要將任務(wù)信息傳送給所有的節(jié)點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)能量高效的數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議也是在網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)研究的重點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)是提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率的一項(xiàng)技術(shù)，在分布式存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，一份數(shù)據(jù)往往有不同的對(duì)其感興趣，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)通過(guò)有效減少網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)容量和效率。

3.5 QoS保障和可靠性設(shè)計(jì)

QoS保障和可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)走向可用的關(guān)鍵技術(shù)之一。QoS保障技術(shù)包括通信層控制和服務(wù)層控制。傳感器網(wǎng)絡(luò)大量的節(jié)點(diǎn)如果沒(méi)有質(zhì)量控制，將很難完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境變化的任務(wù)。可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)目的則是保證節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)在惡劣工作條件下長(zhǎng)時(shí)間工作。節(jié)點(diǎn)計(jì)算和通信模塊的失效直接導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)，而傳感模塊的失效則可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)岐變，造成網(wǎng)絡(luò)的誤警。如何通過(guò)數(shù)據(jù)檢測(cè)失效節(jié)點(diǎn)也是關(guān)鍵技術(shù)研究?jī)?nèi)容之一。

3.6 移動(dòng)控制模型

隨著WSN組織結(jié)構(gòu)從固定模式向半移動(dòng)乃至全移動(dòng)轉(zhuǎn)換，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)控制模型變得越來(lái)越重要，當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)沿著網(wǎng)絡(luò)邊緣移動(dòng)收集可以最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)生命周期。多種匯聚點(diǎn)移動(dòng)策略，可根據(jù)每輪數(shù)據(jù)匯聚情況，估計(jì)下一輪能夠最大延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期的匯聚點(diǎn)位置。針對(duì)事件發(fā)生頻度自適應(yīng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置，可使感知節(jié)點(diǎn)更多地聚集在使事件經(jīng)常發(fā)生的地方，也可分擔(dān)事件匯報(bào)任務(wù)，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

4 總結(jié)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是影響人類未來(lái)生活的重要技術(shù)之一，就目前的技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，讓無(wú)線傳感器網(wǎng)正常運(yùn)行并大量投入使用，雖然還面臨著通信、成本、能量供應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等很多的問(wèn)題。但毫無(wú)疑問(wèn)的是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景是非常誘人的，這一新興技術(shù)給人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑，同時(shí)也給人們提出了很多新的技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)

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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)范文5

關(guān)鍵字：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；測(cè)量；信道；網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

隨著傳感器、無(wú)線通信、集成電路、微機(jī)電系統(tǒng)以及納米等技術(shù)和生產(chǎn)工藝的飛速發(fā)展和日益成熟，使得低成本、低功耗、多功能的集成微型傳感器的大量生產(chǎn)成為可能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的Ad-hone網(wǎng)絡(luò)，可應(yīng)用于布線和電源供給困難的區(qū)域以及作業(yè)人員不能到達(dá)的區(qū)域和一些臨時(shí)場(chǎng)合等。微型集成傳感器在極小的體積內(nèi)集成了傳感器、微處理器、雙向無(wú)線通信模塊和供電模塊等多種電路模式。大量的多種廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，通過(guò)利用關(guān)于無(wú)線電通信的軟件形成一個(gè)多跳的具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1關(guān)于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的介紹

無(wú)線傳感器的應(yīng)用環(huán)境通常是由廉價(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有采集、存儲(chǔ)和處理環(huán)境信息的能力，并且能和鄰居節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線鏈路保持通信。關(guān)于覆蓋問(wèn)題是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)配置首先面臨的基本問(wèn)題，由于傳感器節(jié)點(diǎn)可能任意分布在配置區(qū)域的任意性，它反映了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在某區(qū)域被監(jiān)測(cè)和跟蹤的時(shí)況。LanF.AkydidizD提出了WSN協(xié)議棧的五層模型，分別對(duì)應(yīng)OSI參考模型物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層進(jìn)行了介紹。如下：

1.1物理層

物理層：物理層為設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒體和互連設(shè)備，為數(shù)據(jù)傳輸提供環(huán)境物理層的媒體物理層，其中通信用的互連設(shè)備是指DTE和DCE間的互連設(shè)備。

1.2數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的多路選擇、數(shù)據(jù)幀偵測(cè)、媒介訪問(wèn)和差錯(cuò)控制，保證了點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的可靠性鏈接。媒介訪問(wèn)控制為數(shù)據(jù)的傳輸建立了通信鏈路，并保證了對(duì)共享媒介的公平和有效的訪問(wèn)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議決定著無(wú)線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點(diǎn)之間的分配有限無(wú)線通信資源是用來(lái)構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

1.3網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層向上只提供簡(jiǎn)單靈活的、無(wú)連接的、盡最大努力交付的數(shù)據(jù)包服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層不提供服務(wù)質(zhì)量的承諾，即所傳送的分組，可能出錯(cuò)、丟失、重復(fù)和失序，當(dāng)然也不能保證分組傳送的時(shí)限。

1.4傳輸層

傳輸層是管理從匯聚節(jié)點(diǎn)到傳感節(jié)點(diǎn)的傳輸過(guò)程中WSN不適合設(shè)計(jì)通用的路由協(xié)議：能耗和計(jì)算復(fù)雜度。WSN是無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是電池供電、無(wú)人看守，并且電池不能補(bǔ)充，想要延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命就必須降低能耗。

1.5應(yīng)用層

在某種程度上可以把傳感器網(wǎng)絡(luò)看作一種由大量微型、廉價(jià)、能量有限的多功能傳感器節(jié)點(diǎn)組成的。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊性，而導(dǎo)致傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)操作系統(tǒng)的需求相對(duì)于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)有較大的差異。

2無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)這三大部分。目前常見(jiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器具有以下幾種特點(diǎn)：（1）具有計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間、能耗和能量供應(yīng)有限；（2）網(wǎng)絡(luò)通常具有自組織性網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開(kāi)無(wú)需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施；（3）網(wǎng)絡(luò)的多跳路由性在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通信距離一般有限，通常情況下在百米范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)只能與它相鄰的節(jié)點(diǎn)直接通信，如果想要與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由連接；（4）網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)湫詿o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)；（5）通常無(wú)中心性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有嚴(yán)格的控制中心，因此所有節(jié)點(diǎn)地位平等；（6）節(jié)點(diǎn)稠密布置，協(xié)作感知；（7）節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)融合的能力。

3無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的應(yīng)用

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以包含大量的由震動(dòng)、紅外、聲音、圖像和雷達(dá)等多種不同類型傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，也可以用于監(jiān)控溫度、濕度、壓力、噪聲、機(jī)械應(yīng)力等不同的量。它在軍事、農(nóng)業(yè)及環(huán)境、工業(yè)、醫(yī)療、空間探索、土木工程、跟蹤及物流管理等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。下面簡(jiǎn)單的舉幾個(gè)應(yīng)用的例子：

3.1野外的測(cè)量應(yīng)用

通過(guò)傾角傳感器可以監(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)速度也不同。發(fā)生這種情況的部署在不同深度的傾角傳感器將會(huì)返回不同的傾角數(shù)據(jù)。

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，而且免去了有線接人的繁瑣過(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)工作，保證數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和及時(shí)的更新。并且整個(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)。

3.2室內(nèi)無(wú)線信道的應(yīng)用

由于傳統(tǒng)的無(wú)線信道模型進(jìn)行的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和實(shí)現(xiàn)必然會(huì)因?yàn)樾诺滥Ｐ偷牟町惗鴰?lái)仿真結(jié)果和可信度的下降，甚至?xí)绊憻o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方案的設(shè)計(jì)效果。因此對(duì)無(wú)線信道模型是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和實(shí)現(xiàn)變得越來(lái)越重要。

對(duì)于在無(wú)線路由器網(wǎng)絡(luò)在室內(nèi)無(wú)線信道與室外相比，室內(nèi)的多障礙物環(huán)境、地面、天花板和將比等結(jié)構(gòu)會(huì)直接造成接收信號(hào)為不同方向的多種信號(hào)的合成而使信號(hào)在接收時(shí)發(fā)生，瞬時(shí)接收?qǐng)鰪?qiáng)的快速波動(dòng)。因此室內(nèi)環(huán)境中的小尺度衰減對(duì)平均接收?qǐng)鰪?qiáng)測(cè)定的影響遠(yuǎn)大于室外，因此，測(cè)定室內(nèi)大尺度衰減模型的難度大大提高了。

3.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用CSS擴(kuò)頻通訊方式測(cè)量距離

利用一種軟件進(jìn)行通訊方式測(cè)量距離，利用了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)技術(shù)，是現(xiàn)代化的一個(gè)新興技術(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用CSS擴(kuò)頻通訊方式測(cè)距實(shí)驗(yàn)箱，配置IEEE802.15.4a位置追蹤功能的PHY，有著構(gòu)建自控通信網(wǎng)、提供距離測(cè)量、定位解決方案等優(yōu)勢(shì)。

3.4在地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

地震監(jiān)測(cè)是指通過(guò)獲取地震發(fā)生時(shí)的震動(dòng)信號(hào)，以有線或無(wú)線的方式將獲取的監(jiān)測(cè)信息傳送到監(jiān)控中心，然后通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，并進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)控和預(yù)警。

A、有線地震監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)有線網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)測(cè)量中重要的信息傳輸方式，但有線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法有效地對(duì)一些人力難以到達(dá)的環(huán)境惡劣的地區(qū)進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)，而且在應(yīng)急情況下有線網(wǎng)絡(luò)往往容易被破壞，無(wú)法實(shí)時(shí)傳送余震的信息。

B、無(wú)線地震監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于傳統(tǒng)的有線和其它無(wú)線網(wǎng)絡(luò)而言具有“具有自組織、自愈合”的特點(diǎn)。從而能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，在監(jiān)測(cè)各種有線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法有效監(jiān)測(cè)的地區(qū)，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)難預(yù)警與救助的功能。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，筆者憑借在規(guī)劃管理所多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量方面應(yīng)用的也有一定的認(rèn)識(shí)，上文也簡(jiǎn)要的介紹了一些應(yīng)用方面。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量作為一種新興技術(shù)，它擁有著廣泛的發(fā)展空間。利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)靈活、可靠、安全的數(shù)據(jù)采集。相信隨著技術(shù)的進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)與完善，會(huì)使得越來(lái)越多的傳統(tǒng)方法無(wú)法解決的問(wèn)題迎刃而解。

參考文獻(xiàn)：

[1] 房澤平， 張瑩. 一種液位測(cè)量無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)[J]. 中原工學(xué)院學(xué)報(bào)， 2012， 23（5）： 76-78.

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)范文6

關(guān)鍵詞：錄井；無(wú)線；傳感器；網(wǎng)絡(luò)；低功耗

中圖分類號(hào)：TE 19 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1812-2485（2013）06-032-004

錄井施工需要利用傳感器對(duì)鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，目前常用的方式是將分布在井場(chǎng)的傳感器，通過(guò)信號(hào)線連接到錄井儀器房的主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集處理。錄

[作者簡(jiǎn)介] 袁吉魯（1963-），男，勝利石油管理局地質(zhì)錄井公司，現(xiàn)主要從事綜合地質(zhì)研究勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)管理工作。

井現(xiàn)場(chǎng)用于數(shù)據(jù)采集的傳感器基本分為模擬信號(hào)傳感器和脈沖信號(hào)傳感器兩大類，涉及鉆井參數(shù)測(cè)量、氣體參數(shù)測(cè)量、地質(zhì)參數(shù)測(cè)量等應(yīng)用。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是近幾年提出的一種基于近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)。隨著短距離無(wú)線通信技術(shù)和電子元器件技術(shù)的發(fā)展，在錄井現(xiàn)場(chǎng)組建一種新型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是今后錄井技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)錄井現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以錄井儀器房為中心節(jié)點(diǎn)，中心天線安裝在錄井儀器房頂，覆蓋整個(gè)井場(chǎng)節(jié)點(diǎn)， 負(fù)責(zé)接收各節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)（圖1）。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中， 每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的ID， 數(shù)據(jù)的傳輸采用主從站方式。

圖1 錄井現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 通訊協(xié)議

目前，常用的短距離無(wú)線通信技術(shù)主要有ZigBee、藍(lán)牙、WiFi、數(shù)傳電臺(tái)等，表1針對(duì)目前常用短距離無(wú)線通訊技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比[1]。ZigBee技術(shù)是一項(xiàng)基于IEEE 802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的低速率、低功率無(wú)線技術(shù)[2]，基本速率250 kb/s，傳輸范圍100m，當(dāng)傳輸速率降低到28 kb/s時(shí)，傳輸范圍可擴(kuò)大到134m，傳輸可靠性也進(jìn)一步增強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)，具備擴(kuò)展性好、功耗低、成本低、安裝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。在錄井現(xiàn)場(chǎng)，單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通常情況下數(shù)據(jù)傳輸速率小于2kb/s，因此Zigbee無(wú)線通訊28kb/s的傳輸速率完全滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，是組建錄井現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選短距離通信技術(shù)。

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

將現(xiàn)有有線傳感器變?yōu)闊o(wú)線傳感器，需要做的工作的就是使其具備小型化、低能耗、滿足工業(yè)防爆要求和配備無(wú)線收發(fā)模塊，以及持久穩(wěn)定的獨(dú)立供電技術(shù)。無(wú)線錄井傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)組成[3]。傳感器節(jié)點(diǎn)具有傳感器信號(hào)采集、處理和無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)的功能；主節(jié)點(diǎn)具有多點(diǎn)信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理及無(wú)線通信功能，收集傳感器數(shù)據(jù)并通過(guò)數(shù)據(jù)接口傳送到錄井設(shè)備。

2.1 主節(jié)點(diǎn)

主節(jié)點(diǎn)在錄井儀器房?jī)?nèi)，采用UPS供電，其設(shè)計(jì)不需考慮功耗，而將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和收發(fā)信號(hào)的穩(wěn)定性作為優(yōu)先考慮因素。主節(jié)點(diǎn)由高增益天線、無(wú)線傳輸模塊、電源模塊和輸出接口模塊組成（圖2），其功能是將收集的無(wú)線傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)輸出接口傳輸?shù)戒浘杉到y(tǒng)。

圖2 主節(jié)點(diǎn)模塊組成

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分。傳感器由于被檢測(cè)對(duì)象的不同而分為不同類型， 但是一般都由傳感元件及信號(hào)處理模塊、微處理器、無(wú)線傳輸模塊、電源模塊四部分組成，其設(shè)計(jì)遵循可靠性與低功耗并重的原則，模塊組成如圖3所示。

圖3 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)模塊組成

2.2.1 電路微功耗設(shè)計(jì)。無(wú)線傳感器的設(shè)計(jì)必須考慮電路的功耗問(wèn)題，無(wú)線傳感器的設(shè)計(jì)必須解決小型化乃至微型化、低功耗等問(wèn)題。要實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器的小型化，必須優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、使用新材料和新技術(shù)以便數(shù)據(jù)處理和控制器、通訊控制器及其他數(shù)模轉(zhuǎn)化電路等都集成在一塊芯片上，使傳感器的體積更小、功耗更低。在低能耗電路設(shè)計(jì)中，主要采用低功耗元件、優(yōu)化改進(jìn)電路、軟件節(jié)能控制等技術(shù)措施，以期達(dá)到降低綜合能耗的目的。

硬件電路設(shè)計(jì)可采取以下幾項(xiàng)措施：

（1）選用低功耗的CMOS芯片；

（2）選用自身消耗功耗小的電源調(diào)理芯片；

（3）射頻芯片選用待機(jī)電流小、收發(fā)電流穩(wěn)定的芯片；

（4）降低微處理器工作頻率可以有效減小工作電流而降低功耗；

（5）在保證系統(tǒng)工作前提下，選用較低的工作電壓可以降低功耗。

2.2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)電源管理。無(wú)線傳感器的供電技術(shù)是影響傳感器無(wú)線化的主要因素之一，通過(guò)降低節(jié)點(diǎn)傳感器功耗、增加電池容量、采用節(jié)點(diǎn)電源管理等方式，使節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間大大延長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的目的。無(wú)線節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)由外置電池、內(nèi)置電池、電源管理模塊三部分組成。通常情況下，由外置電池為整個(gè)節(jié)點(diǎn)提供電力，電源管理模塊動(dòng)態(tài)檢測(cè)電池電量并對(duì)節(jié)點(diǎn)各模塊進(jìn)行電量分配，當(dāng)電源管理模塊檢測(cè)電路檢測(cè)到電量低于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)出低電警告。

延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間，除通過(guò)增加電量，設(shè)計(jì)合理的低功耗電路外，還可通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的整體能耗進(jìn)行有效管理，利用動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)使系統(tǒng)各個(gè)部分都運(yùn)行在節(jié)能模式下，達(dá)到進(jìn)一步降低能耗的目的。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)各部分功耗占節(jié)點(diǎn)總功耗的百分比[4]見(jiàn)圖4。

圖4 無(wú)線節(jié)點(diǎn)總功耗的百分比

測(cè)試表明，傳感器模塊和微處理器模塊的功耗很低，絕大部分能量消耗在無(wú)線傳輸模塊上，因此對(duì)無(wú)線傳輸模塊的能耗管理非常重要。電源管理策略是對(duì)不同模塊進(jìn)行自動(dòng)間斷供電，在這種供電模式下，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)或部分模塊被關(guān)閉或者處于低功耗狀態(tài)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送[5]。

3網(wǎng)絡(luò)安全

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，必須采取必要的技術(shù)手段增加網(wǎng)絡(luò)的安全性。針對(duì)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)，主要采取以下兩種措施增強(qiáng)安全性：一是從路由安全的角度出發(fā)，選擇能設(shè)置安全路由的主節(jié)點(diǎn)路由器和無(wú)線傳輸模塊，來(lái)保證主節(jié)點(diǎn)與各節(jié)點(diǎn)間的通訊安全；二是開(kāi)發(fā)專用安全協(xié)議，將每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行編碼，在主節(jié)點(diǎn)接收到無(wú)線節(jié)點(diǎn)信息后，根據(jù)通訊協(xié)議的約定進(jìn)行解碼，然后通過(guò)節(jié)點(diǎn)信息中包含的唯一識(shí)別符、傳感器類型指示符和傳感器數(shù)據(jù)測(cè)量值等信息，區(qū)別分辨每個(gè)傳感器發(fā)送來(lái)的信息，達(dá)到信息的安全保護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在石油勘探領(lǐng)域，無(wú)線傳感器技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用也在快速發(fā)展變化，錄井傳感器技術(shù)正逐漸由有線向無(wú)線發(fā)展，技術(shù)創(chuàng)新層出不窮，產(chǎn)品不斷推陳出新。無(wú)線錄井傳感器網(wǎng)絡(luò)，將錄井傳感器與錄井儀的連接由有線變?yōu)闊o(wú)線，大大減少了施工現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)線、電源線的架設(shè)，為鉆井施工提供了方便，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)安全性，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)用前景廣闊。

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