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无线传感器网络在物联网技术中的意义与应用

发布时间:2018-05-18 责任编辑:wenwei

【导读】随着社会和现代技术发展,物联网超悄然而至,得到了很多国家和人民的关注。物联网是基于现在已有的互联网而发展起来的,它除了融合网络、RFID 技术、信息技术,还引入了无线传感器技术,使得 M2M 型物联网有了更深的发展。而且无线传感技术结合了嵌入式系统技术,传感器技术,现代网络以及无线通信技术,所以它本身也是一个热点的研究领域。
 
2009 年在无锡成立“感知中国”中心,并且,目前针对物联网的《国家物联网 “十五”发展规划》也正在制定过程中,进一步确定了物联网技术在新兴科技领域中的重要位置。而无线传感器网络作为物联网中的核心产业,也需要更多的关注与研究,以促进物联网的发展,使得物联网成为新的全球经济增长点。
 
1.1 无线传感器网络
 
无线传感器网络(WSN , wireless sensor networks)是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成,是采用无线通信的方式形成的一个多跳自组织网络系统,能够通过集成化的微型传感器,协同地实时监测、感知、采集和处理网络覆盖区域中各种感知对象的信息,并对信息资料进行处理,再通过无线通信方式发送,并以自组多跳网络方式传送给信息用户,以此实现数据收集、目标跟踪以及报警监控等各种功能。
 
目前,传感器信息获取技术逐渐向集成化、微型化和网络化方向发展,其智能化的发展将会带来一场信息革命。无线传感器络技术综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技等先进技术,该技术具备的感知能力、计算能力、通信能力,给更多的 WSN 应用空间和应用价值提供了可能性,是物联网当前研究开发的热点之一。
 
WSN 的发展历程
 
无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络。最早的代表性论述出现。1999 年,题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上, 提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。2003 年,美国《技术评 论》杂志论述未来新兴十大技术时,无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。
 
同年,美国《商业周刊》未来技术专版,论述四大新技术时,无线传感器网络也列入其中。美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展,将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。2004 年(IEEE Spectrum)杂志发表一期专集:传感器的国度,论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。可以预计,无线传感器网络的发展和广泛应用,将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。无线传感器网络是从传感器网络开始的,传感器网络经历了如图一所示的发展历程。 
 
第一代传感器网络出现在 20 世纪 70 年代,使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器,采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络;第二代传感(R8-232、RS -485)器网络,具有获取多种信息信号的综合能力,采用串,并接口与传感控制器相联,构成有综合多种信息的传感器网络;第三代传感器网络出现在 20 世纪 90 年代后期和本世纪初,用具有智能获取多种信息信号的传感器,采用现场总线连接传感控制器,构成局域网络,成为智能化传感器网络;第四代传感器网络正在研究开发,目前成形并大量投入使用的产品还没有出现,用大量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器,采用自组织无线接入网络,与传感器 网络控制器连接,构成无线传感器网络。本文所介绍的无线传感器网络就是指第四代传感器网络。
 
无线传感网络在物联网技术中的意义与应用
图一传感器的发展历程
 
1.2 物联网
 
物联网(IOT , internet of things)顾名思义就是物物相连。目前较为认可的物联网定义为:物联网是通过射频识别( RFID )、红外感应器、全球定位系统、 激光扫描器等信息传感设备与互联网连接起来,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理另外,物联网可以理解为通过“泛在网络” 实现“泛在服务”,基于个人和社会的各种需求,通过融合前沿智能技术,实现人与人、人与物、物与物之间所需要的信息采集、传递、存储、加工处理、决策
 
使用等综合服务,是一种更加广泛深远的未来网络应用形态。物联网最为明显的特征是物物相连,信息可以自动化处理,无需人为操作,所以效率极高,降低了人为因素引发的不稳定性。因此,物联网在各个行业中的应用潜力非常巨大,应用领域也非常广泛,发挥了极大的价值作用,而且物联网将与互联网有效地整合起来,实现人类社会与物理系统的整合。
 
无线传感网络在物联网技术中的意义与应用
图二物联网结构图
 
1.3 物联网多参量协同感知应用
 
以物联网系统中配网线路监测为例,物联网示范应用系统已将 13 种传感器 分别应用于配网运行管理中,实现了配网设备温度、环境运行温湿度、环网柜水浸、门开关、杆塔倾斜、线路故障电流、电缆屏蔽层电流、变压器中心点电流、变压器噪声等多参量的状态、故障及防盗在线监测。监测的配网设备覆盖种类广,包括配网线路、配电变压器、断路器、隔离开关、环网柜、分支箱、箱式变等。
 
由于电力系统中存在大量不确定的潜伏性故障,特别是在比较复杂的配电网络,由于其运行线路复杂,线路故障情况多样,给检修人员进行故障定位提供了困难。从目前单一监测量往往很难诊断故障做出正确定位,甚至会出现“虚警” 现象,给维护人员带来不必要的麻烦。因此需要采用上述的多传感器融合方式,综合分析各监测内容, 通过主站数据控制中心对各个传感器装置上传的数据进行计算处理,按照相应的处理计算公式,得到更为准确的判断值。特意选取了物联网示范应用项目中几个多传感器参量协同监测的应用示例:对配电变压器运行协
 
同监测:通过在配电变压器上安装配变综测骨干节点、无线温度传感器、无线噪 声传感器实现变压器的多参量协同监测,可以监测变压器低压侧电流、电压、变压器运行温度、运行噪声以及变压器所在杆塔的倾斜度等,当变压器出现故障时先进行电流的分析,如果电流比较大,那变压器的温度一定高,噪声也会变大,如果电流不变,再进行温度的分析,温度升高,可能是电缆接触不良等原因造成,噪声也会变大。
 
1.4 物联网无线传感器网络多传感器数据融合
 
(1)数据融合理论 
 
无线传感网络中的传感器将采集到的数据传输给数据服务中心,数据服务中心需要将这些数据进行相应的处理,再将处理后的数据发送给各业务系统进行使 用,因此对这些多传感器感知信息的融合技术是多参量协同监测的理论依据。多传感器融合技术的基本原理就像人脑综合处理信息的过程一样,它充分地利用多个传感器资源,通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用,将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则组合起来,产生对观测环境的一致性解释和描述。信息融合的目标是基于各传感器分离观测信息,通过对信息的优化组合导出更多的有效信息。 它的最终目的是利用多个传感器共同或联合操作的优势,来提高整个传感器系统的有效性。 
 
目前,比较常用的多传感器融合方法有:卡尔曼滤波,贝叶斯估计,D-S 推 理,聚类分析法,而近年来随着神经传感网络技术的发展,其最新研究也逐步运用在多传感器信息融合上。多传感器融合技术的应用非常广泛,主要应用在军事 和民用两个领域,军事应用是多传感器信息融合技术诞生的源泉,具体应用包括海洋监视系统,空对空或地对空防御系统,战场情报、防御、目标获取,战略预警和防御系统。而民用领域主要是用于机器人、智能制造、智能交通、无损检测、环境监测、医疗诊断、遥感等。 
 
(2)物联网数据融合体系架构及方法传感器信息融合体系目前大致分为三种分布式,集中式和混合式。每种体系的区别仅在于对数据的处理的位置。分布式的结构主要是对已经进行预处理的数据在信息融合中心进行智能组合,从而得到最终的结果,集中式则与其相反,数据的处理都是单独进行上传,全部集中在数据处理中心进行融合,对处理器要求较高。混合式多传感器信息融合体系框架中,部分传感器采用集中式融合技术,剩余的传感器采用分布式融合方式。这样的数据处理体系具有较强的适应能力,兼顾了两种融合体系的优点,但是也相对比较复杂。物联网系统的数据融合采用了混合式的数据融合方式,同时对于数据的传输模型提出了电子表单 TEDS 的概念,物联网系统中通过电子表单,对传感器数据进行统一封装和解析,目前物联网中的 TEDS 机构采用图三的方式。
 
无线传感网络在物联网技术中的意义与应用
图三无线通信协议相关的 TEDS
 
二、无线传感器网络在物联网领域中的应用
 
物联网是由感知层、网络层和应用层构成的层次体系。感知层主要涉及到 RFID 、传感器、二维码等机器设备,然后通过电信网和互联网的融合网络层,及时准确地传递物体基本信息,在应用平台上,利用各种先进智能技术对信息资 料进行分析处理,以便对物体进行智能控制。如图 1 所示,传感器在基础感知层,负责对物体信息的采集和抓取,这一功能对于物联网技术的发展和应用,起着至关重要的支撑作用。
 
2.1 无线传感器网络在军事领域中的应用
 
无线传感器网络的可快速随机部署、可自组织、隐蔽性强、高容错性等特点,使得传感器节点在恶劣的战场环境中发挥极大的作用。在军事领域应用方面,结合无线传感器技术思想,将大量廉价传感器节点,通过飞机或火炮等发射装置,按照一定的密度投放到待监测区域内,对节点周边环境的各种参数,如温度、湿度、声音、 磁场等信息进行采集,然后由传感器自组织网络,通过网关、互联网、卫星等通讯方式,传回信息中心,实时监控敌军兵力与装备,实时监视冲突区,进行目标定位,战场评估,并实现各种攻击的监测和搜索等功能,有效地提高军队的作战决策能力。
 
2.2 无线传感器网络在工业领域中的应用
 
无线传感器网络在工业领域中的应用比较广泛,比如工业安全、先进制造、交通控制管理、安防系统、仓储物流管理等领域,其中工业安全领域的应用研究已日趋壮大。在计算机技术、无线通信技术、微电子技术和网络技术发展的推动下,工业通信技术正朝着智能化和网络化的方向不断发展。目前,随着测控系统规模的不断扩大,煤矿、石化、核电等行业对工作人员安全及易燃、易爆、有毒
 
物质的监测成本非常昂贵。其中,煤炭行业对先进的井下安全生产保障系统的需求日渐巨大。 因此, 降低投资和使用成本成为工业通信技术发展新阶段的迫切要求。而无线传感器网络的成本低廉、方便简捷、泛在感知等特点可以满足工业通 信领域的多个要求。对传感器节点经防爆处理和技术优化后,用于危险的工作环境, 实时全面地监控员工安全及工业全流程,及时获取险恶工作环境下工作现场的员工基本情况、工作环境状况以及其它无法在线监测的重要工业过程参数,并在此基础上,优化控制工业流程,提高产品质量,降低工业生产过程中的各种安全事故,达到国家指定的安全生产目标。
 
2.3 无线传感器网络在农业领域中的应用
 
农业作为中国发展经济的一大基础,促进其优质高产将产生重大的意义。无线传感器网络的通信简便、部署简捷、可密集分布等优势,可以充分地发挥在农 业生产领域中,用以监测土壤环境状况、农作物灌溉及生长情况、牲畜和家禽的环境状况以及大面积的地表特征检测。再结合目前成熟的互联网技术、 GPS 技术,可以构建能动态实时管理的系统平台。例如英特尔公司在俄勒冈建立的世界上第一个无线葡萄园,通过无线传感器监测葡萄生长环境中得各种因素,并分析 葡萄质量与各种影响因素之间的关系,是典型的精准农业、智能耕种的实例。在国内,在“九五”计划中,“工厂高效农业工程”把智能传感器和传感器网络化的研制列为国家重点项目,可以看出无线传感器网络在农业领域中的重要作用和意义。
 
2.4 无线传感器网络在医疗护理领域中的应用
 
目前,随着国家人口老龄化日趋明显,在医疗护理方面的问题也愈加增多起来,对于病患者的病情实时关注成为亟待解决的问题。无线传感器网络在此方面发挥了重要作用,在患者身上可以安放各种传感器,用以检测采集各种生理信息,比如体温、呼吸、血压等生理数据,一方面可以随时关注患者的病情发展情况,另一方面,可以将收集的生理数据作为研制新药品的参考资料。另外,也可以在患者居住的环境里安放多个传感器节点,有效监测病人的活动状况,进行远程的 人体行为监测。现在,美国已经开展了一个无线传感器网络系统项目,可以实现家庭护理,方便老年人独居时给予及时的帮助。
 
2.5 无线传感器网络在智能家居领域中的应用
 
目前,智能家居是物联网发展的一个重要方向。从一定意义上讲智能家居就是高科技的家庭自动化系统,融合了计算机网络系统、自动化控制系统、综合布线技术及网络通讯技术,自动化控制、远程控制家庭中的各种产品设备,实现拟人化的要求,提升家居安全性、便捷性、舒适性,并实现环保节能。而自动化、远程控制所需的各种信息,均是由无线传感器节点进行传达的,比如环境检测信息、安放系统的有效实施,都需要无线传感器节点提供 家庭煤气含量、温度、湿度等环境信息。所以,在智能家居系统中,每一个家居 设备或终端,都会设置对应的传感器节点,通过无线传感器网络节点间的自组织互连,实现家庭设备互连与信息控制,从而实现家居生活的智能化。
 
三、传感器技术在物联网中的意义
 
据分析机构预测,未来物联网的发展将经历四个阶段,2010 年之前广泛应用于物流、零售和制药领域,2010~2015 年物体互联,2015~2020 年物体进入半智能化,2020 年之后物件全智能化。经初步估计,中国物联网产业链的发展和应用将有可能创造 1000 亿元左右的产值。而且,已有部分省市的关于十二 五期间物联网发展规划,已加快形成物联网产业基本框架等一系列的“智慧”行动,表明了大力发展物联网的决心。而传感器作为物联网关键物件之一,在物联网的发展与应用过程中,传感器网络技术的提高与发展势必会产生巨大的推动作用。
 
物联网包含感知层、网络层和应用层三个层面,叶云认为,目前中国最缺乏的是感知层的产品和技术,是信息的抓取和聚合。在感知层中,由于传感器技术的技术成熟度和成本问题,阻碍了无线传感器网络及物联网的大规模发展及应用。余建美指出,四个方面的因素将最终将决定物联网的普及程度,一是无线传感器的进一步低功耗化,二是发展无线供电或采电技术,三是能源的超微型化,四就是无线传感器自身的微型化。除此之外,传感器的集成制造技术、信号检测的智 能化发展,也是无线传感器需要考虑改善的重要方面。因此,目前的传感器技术的主要研究工作就要注重以上四个方面的因素,突破这些研究热点,物联网的发展水平势必会突飞猛进,应用也将会广泛普及,市场规模进一步扩大,物联网就可以真正实现物物相联,成为会“说话”、会“思考”、会“行动”的物物信息 交流网络。
 
四、目前研究重点及研究现状
 
在物联网传感器网络体系结构的这三大部分中, 目前的发展主要集中在几个 方面,在协议通信层主要研究重点是数据链路层 MAC 协议及网络层路由协议的 研究;在网络管理技术层,主要研究方向是收集数据的管理、节能问题的解决以 及网络通信安全的实现; 在网络支撑技术层, 主要研究点是节点定位问题的解决、 时间同步技术的实现以及用户应用接口的实现,这其中,协议的研究与节能的实 现又是相辅相成的。
 
4.1 数据处理问题的解决
 
基于传感器网络的任何应用系统都离不开感知数据的管理和处理技术。 不言 而喻, 感知网数据管理和处理技术是确定感知网可用性和有效性的关键技术。对 于观察者来说,传感器网络的核心是感知数据,而不是网络硬件。观察者感兴趣 的是传感器产生的数据,而不是传感器本身。观察者不会提出这样的查询:“从 A 节点到 B 节点的连接是如何实现的?”,他们经常会提出如下的查询:“网络 覆盖区域中哪些地区出现毒气?”。在传感器网络中,传感器节点不需要地址之 类的标识。观察者不会提出查询:“地址为 27 的传感器的温度是多少?”,他们 感兴趣的查询是,“某个地理位置的温度是多少?”。综上所述,传感器网络是 一种以数据为中心的网络。 显然,感知数据管理和处理技术的研究是一项实现高 效率传感器网络的重要和关键的任务。遗憾的是,到目前为止,感知数据管理和
 
处理技术的研究还不多, 还有大量的问题需要解决。感知数据管理与处理技术的 研究是数据库界面临的新任务和新挑战,也为数据库界提供了新机遇。
 
4.2 节能问题的实现
 
能量是节点工作的基础, 节能问题,几乎贯穿无线传感器网络发展的各个方 面。协议的建立需要考虑节能问题,以上面的 MAC 协议的研究和路由协议的实 现都可以看出; 网络中的数据处理需要考虑节能问题, 没有能量, 数据无法处理; 节点定位、时间同步都需要考虑节能问题,节能问题的解决,跟随在每个环节的 实现上。当然,纯粹的节能方式也有很多,比如让节点定期“休眠”等。但是, 大部分的节能还是包含在了具体实现细节当中,如文献 [1] 采用一种带有能量控 制的有效路由方式, 通过调整每个节点发送数据时的数据传输范围进而调整消耗 的能量,以节省资源,从而延长网络寿命。
 
4.3 网络安全问题
 
传感器网络多用于军事、商业领域,安全性是其重要的研究内容。由于传感 器网络中节点随机部署、 网络拓扑的动态性以及信道的不稳定性,使传统的安全 机制无法适用。因此需要设计新型的网络安全机制。可借鉴扩频通信、接入认证 /鉴权、数据水印、数据加密等技术。目前,保证网络安全性的方法也不少。 其中一种是借助特殊的无线传感器终端。如文献 [2] 中,采用 PTD
 
(Personal Trust Device)作为传感器网络的终端,由于价格高及有特殊环境要求等因素, 不能为每个节点在网络中设立认证服务器来提供传感器需要的服务,而在 PTD 和服务器之间建立认证和加密体系,只有在服务器注册过的 PTD 终端才 能获得服务,未注册的则不能,从而保证系统安全。通常,这种系统用在家庭环 境中。 
 
一种是采用安全罩(Secure Oveday)。 例如文献 [3] 中, 采用一种称为 SCANv2(Secure Conten AddressableNetwork Version2) 安全内容网络寻址的安全罩,来实现无线传感器网络的安全。SCANv2 其实是在盖在实际网络层上的一个虚拟结构,通过采用 Hash 函数,把实际网络中的节点映射到这个罩空间上,某一区域或某 种功能的节点在罩空间的某一个共同的特定位置。用户在从网络中获取服务时, 需要通过相应的安全认证进入罩空间,再进一步通过加密解密过程从这个映射空间进入实际网络中获得所需服务。 
 
此外, 网络安全中的加密后密钥管理也是个问题。复杂的非对称加密方式不 适合完全应用于能量有限的传感器网络, 而相对简单的对称加密方式又使得网络 容易受到攻击。在文献 [4] 中,提到了一种新的加密方式,综合采用了对称和非 对称的两种加密方式中的某些特点。 在假定基站能量不受限制及节点不移动的前 提下,基站首先发出特定信息,建立网络的分层拓扑结构。外围分布的节点又有 子节点和父节点之分, 父节点保有子节点的密钥,确保子节点发送上来的信息是有效地子节点发送上来的;同时,子节点又保有父节点的密钥,以便对发出的数 据进行跟踪。基站拥有所有密钥且拥有唯一的初始入网认证密钥。
 
4.4 网络支撑层的研究
 
4.4.1 节点定位问题
 
与一般的计算机网络相比, WSN 在计算机软硬件所组成计算世界与实际物 理世界之间建立了更为紧密的联系,只有结合位置信息,传感器获取的数据才有 实际意义。 许多 WSN 的研究成果都表明了节点位置信息的重要性, 如在网络层,因为 WSN 节点无全局标识,可以设计基于节点位置信息的路由算法;在应用层,根据节点位置,WSN 系统可以智能地选择一些特定的节点来完成任务,从而大大降低整个系统的能耗,提高系统的存活时间。许多对目标追踪问题的研究更是将节点位置已知作为一个前提条件。节点定位是 WSN 系统布设完成后面临的首要问题,它可表述为:依靠有限的位置已知节点,确定布设区中其它节点的位置,传感器节点间建立起一定的空间关系。当前对节点定位问题的研究一般都基于以下前提:(1)有一定比例的节点位置已知或具有 GPS 定位功能,这些节点的位置 可作为定位参考点;(2)节点可能具有测量与邻节点距离的能力;(3)节点不具有 自主移动能力。全球定位系统 (GPS ) 已经在许多领域得到了应用,但由于价格高及有特殊环境要求等因素,不能为每个节点配备 GPS 接收装置。目前无线传感器网络自身定位系统和算法的分类如下:
 
(1)物理定位与符号定位。
(2)绝对定位与相对定位。 
(3)紧密耦合与松散耦合。 
(4)集中式计算与分布式计算。 
(5)基于测距技术的定位和无须测距技术的定位。 
(6)粗粒度与细粒度。 
(7)三角测量、场景分析和接近度定位。
 
4.4.2 时间同步
 
传统的分布式系统时间同步算法一般采用集中发布方式,即系统内的时间服务器通过单播或广播方式周期性地向客户节点发布时间,如:NTP 。这种中心 发布方式不适合在具有能量受限、节点易损坏和网络拓扑结构动态变化等特点的 WSN 中使用。目前对 WSN 时间同步的研究主要集中在两个方面:一是尽量减少 同步算法对时间服务器及信道质量的依赖, 缩短可能引起同步误差的 “关键路径” ; Elson WSN 二是从能耗的角度,研究节能、高效的同步算法。 等人分析了的工作 模式, 认为传感器节点在大部分时间内处于自主工作状态,只有在被监测事件发 生后才需要协同通信。基于这种工作模式, Elson 提出了一种“事后同步”方法
( post — factos)rllchronization) ,即在被监测事件发生之前,不对各节点进行同步。只有当被监测事件发生后,参与协同工作的节点间才开始同步,共同推断事 件发生时间。仿真表明,该方法有较好的节能特性,但实时性较差。 Hill 等人分析了同步过程中由节点本地硬件处理引起的同步误差, 提出了从硬件设计的角度 提高时间同步精度的方法。为了准确记录物理层数据包到达时间,文中设计了专用硬件“同步加速器”,消除了由于对同步报文的本地处理所引发的不确定性,提高了时间同步的精度。综合 WSN 现有的时间同步方法在同步精度、同步有效时间、同步有效范围、能量消耗等方面的特点, Elson 提出了针对 WSN 时间同步方法设计的五点建议: 
 
·结合使用多种、可调的同步方式 
·尽量不维护全局时间信息 
·使用事后同步节能方式 
·能够动态适应不同的应用需求 
·充分利用底层通信服务。
 
参考文献
 
1.阮殿旭.唐大放.张晓光.刘旭东 Zigbee 技术无线传感器网络在煤矿井下环境监测 中的应用研究[期刊论文]-煤矿机械 2008(6) 
 
2.李汉玲 WSN 24_Link 系列无线传感器网络及应用[期刊论文]-机械工程与自动 化 2008(2) 
 
3.李汉玲 WSN 24_Link 无线传感器网络在心电监护系统中的应用[期刊论文]-电 脑开发与应用 2008(1)
 
4.朱轮.刘欣基于 IAPIT 的无线传感器网络定位算法研究[期刊论文]-科学技术与 工程 2012(32)
 
 
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