包邮无线传感器网络:理论及应用/孙利民等

第1章CHAPTER 1〖〗绪论 导读 本章介绍了无线传感器网络的基本概念、典型应用、主要特征，并分析了无线传感器网络设计和应用中的挑战及关键技术。接下来概要介绍了无线传感器网络相关的标准化工作。*后对无线传感器网络技术相关的无线传感反应网络、容迟网络、信息物理融合系统、物联网、泛在网络等网络类型或概念进行了对比分析。 引言 在当今信息技术飞速发展的时代，以Internet为代表的信息网络给人们的生活带来了巨大的变化。通过Internet，人们能够及时了解世界各地的新闻，方便地获得许多有用信息，如股市行情、旅游信息、商品介绍，参与网上的互动游戏等娱乐活动，进行网上远程教育和购物，发送电子邮件等等，Internet已经成为很多人日常活动不可缺少的部分。 随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，推动低功耗多功能传感器快速发展，使得在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能，这些智能传感器以无线方式进行通信形成无线传感器网络本书如无特殊声明，“传感器网络”即指“无线传感器网络”。（wireless sensor network，WSN），能够获取监测区域内人们感兴趣的信息。如果说Internet构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线传感器网络将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，将改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。美国《商业周刊》和《MIT技术评论》在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪*有影响的21项技术和改变世界的十大技术之一。传感器网络、塑料电子部件和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业。 无线传感器网络可以在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量的监测信息。因此，无线传感器网络作为一种新型的信息获取系统，以其高度的灵活性、容错性、自治性以及快速部署等优势为其带来广阔的应用前景，在军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等诸多应用领域有广阔的应用空间。 〖〗〖〗无线传感器网络作为Mark Wesier的普适计算（ubiquitous computing）思想衍生的产物，通过近几年的研究，人们对传感器网络特点的认识已经逐渐明确，但是许多基础理论和关键技术还没有得到完全解决，如能量有限性、计算存储能力、传输层和服务质量、覆盖率与部署、可靠数据传输、网络协议的统一标准等。但无线传感器网络作为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学术交叉的结果，将会对人类未来的日常生活和社会生产活动的各个领域产生深远影响，应用前景十分广阔，实现普适计算思想将不再遥远。1.1传感器网络的概念〖*4/5〗1.1.1传感器及其发展〖*2〗1） 传感器的基本知识换能器是把一种形式的能量转换成另一种形式的设备。传感器就是一种典型的换能器，把物理世界的物理或化学等能量转换成电能，具有“感”知现实世界的物理量，按照一定规律把感知结果以某种形式的信息“传”输出去，而且输出量与输入量有明确的对应关系，满足一定的精确程度。国际上把传感器解释为测量系统中的一种前置部件，把输入变量转换成可供测量的信号。中国国家标准GB 7665—1987对传感器下的定义如下: 传感器能感受规定的被测量，并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传送或测量的电信号部分。 传感器种类繁多，声、光（可见光，红外光）、电、温、压、磁、流量、转速、位移、化学等数不胜数，使用何种传感器完全取决于应用系统。传感器一般包括传感器探头和变送系统两个部分，不同种类、不同精度要求的传感器其自身体积和对变送系统的要求也不相同。传感器的工作原理如图11所示。 图11传感器工作原理 首先，物理量的变化通过各种机制转换成电阻、电容或者电感变化；然后，这些电子特性变化通过转换电路，如阻桥电路，转换成电压信号；接着，电压信号经过积分电路、放大电路进行整形处理；*后，采集电路（ADC）将模拟电压信号转换成数字信号。转换的数字和采集的电压之间是线性关系，但采集的电压信号和原始物理量之间的关系往往要用特定的传递函数描述，故要把采集到的数据直接对应到原始物理量还需要通过处理器查表或者用传递逆函数进行计算。 温湿度、光照传感器和声音传感器，其价格不高，体积也可以做得很小。图12是瑞士Sensirion公司的温湿度一体传感器，其体积只有火柴头大小。加速度传感器、超声波传感器、振动传感器、压力传感器和磁传感器的变送电路比较复杂、体积稍大，且价格较高，在传感器网络中可以设置部分包含此种传感器的节点。化学传感器的体积较大，工作时的预热时间长（有的甚至需要数十个小时的预热时间），加上成本也相当高，不适用于直接网络化使用，如果目标应用需要使用这样的传感器，可以考虑作为独立测试节点使用。 图12SHTxx温湿度一体传感器 为了研究和应用传感器，人们从不同的角度对传感器进行了分类。根据感知的物理量，传感器分为温度、湿度、位移、速度、压力、流量、化学成分等传感器；根据工作原理，传感器分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器；根据输出信号的性质，传感器分为输出为“1”和“0”的开关型传感器、模拟型传感器，以及输出为脉冲或代码的数字型传感器等。 根据对感知物理量的方向敏感性，传感器分为全向传感器和定向传感器，全向传感器在测量中对方向不敏感，如测量温度、湿度、气压、烟浓度等，而定向传感器对测量有一个明确方向，如摄像传感器等。在无线传感器网络的部署中，为了满足应用的感知覆盖需求，需要关注传感器感知方向的敏感性，在满足相同覆盖度的前提下，全向传感器需要部署的数量相对定向传感器要少。 根据是否需要主动发射信号来感知目标，传感器分为主动传感器和被动传感器。主动传感器通过主动发射微波、光和声音等形式的能量来触发响应或检测发送信号能量的变化，往往需要外部提供电源；被动传感器通过接收外界发射或反射的信号来感知目标，具有较强的隐蔽性和抗干扰性，往往不需要外部提供电源来发送能量。被动传感器相对主动传感器消耗的能量少，非常适合应用在低功耗的无线传感器网络的设备中。 由于传感器的物理效应和工作机理不同，有些传感器需要直接接触被测对象，有些则无需直接接触被测对象。人们希望传感器的输出与输入之间表现出完全的线性关系，但实际上由于物理效应、制作工艺和应用场景复杂性等影响，很难完全做到输出与输入之间的稳定线性关系。理想传感器的遵循原则是: 仅对被测试物理量敏感，不应对其他物理量敏感，不受其他因素的影响；传感器本身不要对测试环境中被测试物理量产生影响。 传感器能够连接物理世界和信息空间，感知物理世界的细微变化，并转化成能够处理、存储和操作的信号。把各种传感器集成到大量设备、机械和环境中，能够极大增强人们感知物理世界的能力，帮助避免大型基础设施倒塌的灾难，保护宝贵的自然资源和环境，增加农作物的产量，增强生产安全和社会安全，以及带来丰富多样的新应用，产生巨大的经济效益和社会效益。 2） 传感器的发展 传感器发展从早期的模拟信号输出，经过了数字化传感器、多功能传感器、智能化传感器到传感器网络的自治传感器，在通信上从单个连接、有线网络、无线单跳到无线多跳网络，在体积上逐渐向小型化、微型化的方向发展。 早期传感器输出模拟信号，只能感知单一物理参数，传感器采集的感知信息输出给控制单元进行存储和分析，通常用来制作单一的采集设备，或参与单一的采集控制过程。随着电子技术的发展，A/D模拟数字转化电路集成到传感器设计中，传感器输出数字信号，信息传输对环境的抗干扰能力得到增强，延长了传感器与控制单元之间的距离。传感器集成化技术的发展，能够把传感器与放大、运算以及温度补偿等环节组装到一个传感器件中，在单个芯片上集成多个或多种传感器，在增加多功能和提高可靠性的同时，传感器的体积也逐渐缩小。传统传感器仅产生数据流而没有计算能力，应用时把传感器部署在感知对象附近。随着应用系统的规模逐渐扩大，多个传感器节点把采集的感知信息传输到中心处理系统，中心处理系统基于汇总的感知信息进行系统优化和决策控制。 网络通信技术的发展推动了在传感器节点中集成网络接口，初期主要集成有线网络的接口。这使得传感器节点能够部署在更大的空间范围内，通过局域网或互联网远程获取传感器节点采集的感知信息，形成跨区域、跨系统的数据收集系统。有线网络需要布线，部署成本较高且不够灵活，有些应用场景可能无法或不允许布线，人们就在传感器节点中集成无线接口，传感器节点可直接与无线基站进行通信。传感器节点在通信能力不断增强的同时，也逐渐增加了智能性。借助于半导体集成化技术把传感器与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上，使之不仅具有采集信息的功能，还具有检测判断和信息处理的功能，成为新型的智能传感器。智能传感器能够对采集信息进行剔除、纠错和过滤等预处理，减少需要传输的数据量，及时检测传感器节点的工作状态以及对紧急事件做出适当响应，甚至还可以结合模糊推理、神经网络等人工智能技术，成为传感器重要的发展方向之一。 在*近10多年，人们研发了具有自治能力的新型传感器节点。它利用携带的存储器存储程序代码和采集的数据，利用处理器运行相对简单的通信协议和信息处理代码，通过无线方式实现与基站之间的通信，相互之间还能够形成多跳无线网络。这种具备一定自治能力的节点就是无线传感器网络节点，通过自组织方式形成无线多跳网络，不仅能够采集物理信息和传输感知数据，而且能够对自身和其他传感器节点的数据进行网内分析、关联和融合处理。当大量传感器网络的节点部署在监测环境中，它们无需人工干预就能够协同完成预先规划的信息收集、事件监测和决策控制等任务。 具有无线通信能力的传感器节点在10年前已经在技术上达到实用水平，但由于传感器节点的生产成本和系统的维护成本高，一直没有得到大规模的应用。哪些技术的进步使无线传感器网络的广泛应用成为可能？**是半导体技术的发展。对于给定的处理能力，芯片的物理尺寸每年成倍减小，价格成倍降低，摩尔定律被预测经过10~20年才会*终失效；半导体制造技术还驱动节点设备的小型化发展，催生出体积极小的无线和机械结构部件。第二是电池体积的小型化。传感器网络节点往往通过电池供电。在过去的20多年，一节AA碱性电池的容量在快速充电情况下从0.4Ah增加到1.2Ah；电路的能量消耗与它的计算性能正相关，通常电路的设计要求是对于一个给定的任务，如果用较长的时间完成，它消耗的能量相对要少；目前已经有多种技术能够动态调整性能来*小化能量消耗。第三是片上系统（SoC）集成技术。在非常微小的芯片上集成微传感器、处理器和无线通信接口，使得传感器网络节点能够微型化和低功耗，适用大规模应用场景。 1.1.2无线传感器网络〖*2〗1） 网络系统架构微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能的智能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。这些微小传感器节点嵌入在监测区域内的物理环境中或部署在监测对象的附近，协同监测人们感兴趣的现象或事件，及时把感知信息通过网络传递给人们。 早期研究无线传感器网络，目标是在监测区域内部署大量的传感器节点，在无需人工干预条件下，这些节点能够以自组织的方式形成多跳无线网络，协同地完成采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的信息，及时发布给使用网络的观察者。传感器节点、感知对象和观察者构成无线传感器网络的三个基本要素。如同诸多新技术一样，军事应用成为早期无线传感器网络发展的推动力，在条件恶劣的战场环境大规模部署无线传感器网络，及时获取各种战场信息可为指挥决策和作战行动提供有力支持。现在，无线传感器网络已经应用到诸多的民用领域，帮助人们更高效地从事生产和科研，也为人们的社会和生活活动带来了安全和便利。 图13传感器网络的系统架构传感器网络的应用场景如图13所示。传感器网络系统通常包括传感器节点和汇聚节点（sink），以及网络后端的感知信息的管理平台和使用者。部署在监测区域内部或附近大量的传感器节点形成无线网络，节点采集的信息通过其他节点的协助进行逐跳传输，在传输过程中采集数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，*后通过互联网或卫星传输到相应的数据存储和处理服务器。用户通过管理平台对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。 传感器节点通常是微型价廉的嵌入式设备，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼有传统网络的终端节点和网络路由器的双重功能，不仅负责本地信息的采集和数据处理，还可对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，以及把自己和其他节点的数据转发给下一跳节点或直接发送给汇聚节点。另外，相邻节点之间还可通过合作实现协同通信机制、事件联合判断等功能。 汇聚节点又称网关节点或基站，连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种网络之间的通信协议转换。汇聚节点把收集的数据转发到外部网络上，同时还向传感器网络转发外部管理节点的监测任务。一般来说，汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，既可以是增强的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有多种通信接口的转发设备。