doi :10.3969/j.issn.1002-7351.2009.03.060
无线传感器网络及其在林业中的应用
叶慧坤
(福建省平和县林业局,福建平和363700)
摘要:综述了无线传感器网络(Wireless Sensor Networks ,WSN )的节点构成、体系结构、研究热点以及在森林火灾监测和救灾、自然保护区生态多样性监测、生态环境监测、木材检测、精准林业中的应用研究现状,表明其在林业中的应用虽然尚处于起步阶段,但其扩展了传统资源管理的能力,尤其数据采集上更突破传统方法的局限,有着广阔的应用前景。关键词:无线传感器网络;林业;应用现状;应用前景
中图分类号:S712;TP21219 文献标识码:A 文章编号:1002-7351(2009)03-0251-05
Wireless Sensor N et w orks and Its Application in Forestry
YE H ui 2kun
(Fujian Pinghe Forestry Bureau ,Pinghe 363700,Fujian ,China )
Abstract :This paper summarized wireless sensor networks ’knot construction ,system structure ,research hots pot and the present research situation of application in forest fire ins pection ,providing disaster relief ,nature reserve ecological diversity monitoring ,e 2cological environment monitoring ,wood inspection ,and exactitude forestry.It showed that although its application in forestry be 2longed to underway period ,it expanded the traditional resource management ability ,it broke through the traditional method ’s lo 2calization for the data collection es pecially ,and owned broad application foreground.
K ey w ords :wireless sensor networks ;forestry ;present application situation ;application foreground
随着微机电系统(Micro 2Electro 2Mechanism System ,M EMS )、片上系统(System on Chip ,SOC )、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks ,WSN )。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理等技术,通过特定的协议高效、稳定、正确地自组织起来,协同工作完成某项应用任务。大量廉价的节点散落增加了我们认识世界的手段,无线传感器网络所带来的机遇不仅仅是针对未来,也是打破学科间隔阂、沟通不同学科的最好机遇。未来,传感器网络将向天、空、海、陆、地下一体化综合传感器网络的方向发展,最终将成为现实世界和数字世界的接口,深入到人们生活的各个层面[1]。
近年来网络化、微型化的传感器研究一直是国内外关注的重点课题之一,被《时代周刊》评为十大最有潜力领域之一,具有广泛的应用前景,在军事、环境、健康、家庭、空间探索、灾难拯救和其他商业领域有其得天独厚的技术优势。在林业中的应用虽然尚处于起步阶段,但其扩展了传统资源管理的能力,尤其在数据采集上更突破传统方法的局限,有着广阔的应用前景。
1 无线传感器网络简介
无线传感器网络具有节点部署密度大、数量多,微型化,计算、存储和能量有限,以数据为中心,自组织通信,拓扑变化频繁,多跳路由和具备容错能力等特征,是一种全新的信息获取和处理技术,未来将改变人与自然的交互方式。
111 无线传感器网络及节点的结构
无线传感器网络结构由传感器节点、汇聚节点、现场数据收集处理决策部分及分散用户接收装置组成,见图1[2]。传感器节点通过飞行器撒播、人工埋设和火箭弹射等方式随机部署在感知区域内;节点间 收稿日期:2008-12-19;修回日期:2009-02-20
作者简介:叶慧坤(1975-),男,福建平和人,福建省平和县林业局助理工程师,从事森林资源管理工作。
第36卷第3期
2009年9月福建林业科技Jour of Fujian Forestry Sci and Tech
Vol 136 No 13Sep 1,2009
以自组织形式通信,通过多跳路由构成网络,每一个节点都具有存储、处理、传输数据的能力,可以完成对目标信息的采集、传输、决策制定与实施;由无线方式把数据传到汇聚节点(网关),同时汇聚节点也可以将信息发送给各节点,通过互联网或无线方式实现任务管理节点(即用户)与传感器之间的通信,实现区图1 无线传感器网络结构
域监控、目标跟踪、定位和预测等任务[3,4]。
传感器网络节点构成包括电源、传感器、A/D
转换接口、处理器单元、存储器单元、数据发送接收
的传输单元,见图2。个别功能更强大的可能还包
括定位系统、运动或执行机构、能源再生装置。单个
传感器节点集微电子技术,低功耗信号处理,低功耗
位运算和廉价无线网络等各种性能于一身[5]。
112 无线传感器网络研究的热点和关键技术
目前WSN 研究工作主要集中在网络技术和通
图2 无线传感器网络节点构成信协议方面,在WSN 数据管理、中间件、传感器节
点的嵌入式软件系统、WSN 软件开发环境与工具等
方面的研究还不多,研究成果很少。目前的研究只
是从不同角度、针对不同问题来探讨WSN ,欠缺统一、系统和完整的认识,与实际应用还有较大距离,
大量的问题尚未解决,大量的新问题尚待发现,大量
的新应用尚待开发[6]。
113 无线传感器网络与下一代互联网的融合
基于IPv6的无线传感器网络通过各种多媒体接入设备将真实世界信息连接到全球网络,满足人们包括味觉、嗅觉、触觉、全息、立体影象等服务需求,无线传感器网络丰富内涵将充分挖掘。各种人性化界面将成为未来互联网的的主要表现形式。
114 无线传感器网络的标准
无线传感器网络的发展目前主要是两个方向:Wi 2Fi 遵循IEEE 802111(IEEE 1999b ),ZigBee 遵循IEEE 80211514(IEEE 2003)通讯协定。前者以日本农业总会研究所创的田间伺服器(Field Server ,FS )为代表,后者为美国柏克莱大学所创,以Mote 为基础的WSN 与NASA 喷射引擎实验室(J PL )所建的感测网(Sensor Web ,SW )为最具代表性。
2 无线传感器网络在林业中的应用概述
211 森林火灾监测和救灾的无线传感器网络系统
由于无线传感器网络可以弥补基于“3S ”的防火技术的不足之处,比基于固定摄像装置的监控技术成本低,部署方便,更节省数据存储空间。应用于森林火灾监测和救灾的无线传感网络,其系统结构、节点结构、软硬件工作环境、网络协议和定位机制都必须满足森林火灾的监测和救灾要求。美国加州大学伯克利分校在国家科学基金的资助下,研制出了FireBug 系统,该系统由用于采集温度、相对湿度和大气压力等数据的环境传感器组成。每个传感器节点上都有定位器,这些节点通过基站与远程的数据库服务器通信,用户则可以通过WEB 浏览器与该服务器通信。该系统在美国圣弗兰西斯科附近的森林火灾监测实验中得到了实际应用,系统的性能很令人满意。美国华盛顿大学的学者通过在无线传感器网络中使用移动智能体来查找火源,而且使得该网络具有较大的灵活性来完成其它的任务。加拿大Calgary 大学的学者开发的森林火灾实时监测与管理系统包含数据采集与处理系统、基于GIS 的Web 浏览器。该系统将热红外传感器、无线通信技术、惯性导航系统和火灾预测模型有效地结合起来,能够分辨5m 以内的火点,并预测最可能的火灾蔓延方向,还能根据烟雾、光亮度等因素较准确地监测到火险。葡萄牙生产者联合会与诺瓦
大学合作开发出新型森林火灾探测系统“F3”
(Forest Fire Finder ),该系统能够自行探测到15km 以外的?252?福建林业科技第36卷
火情,并在5min 内向消防和其他相关应急部门传送准确的信息。陆志平等设计了基于射频SoC 芯片nRF9E5、温度传感器DS18B20、湿度传感器HS1101的传感器节点电路,基于ARM7系S3C44B0X 、GPRS 模块SIM100的网关设计方案,并构建了合理的数据协议,编写了友好的人机界面。该系统能够实时准确地监测环境温湿度,有效地起到了预防和监测森林火灾的作用。目前对无线传感器网络在林火监测中应用的许多研究,大都还处于实验室阶段,实际应用并不多见[7-13]。
212 自然保护区生态多样性监测系统
针对目前自然保护区管理落后的状况,王韬提出了一种基于WSN 、GPRS 、GIS 、GPS 、数据库、红外夜视等技术,以嵌入式PDA 为核心的自然保护区生态监测系统。该系统由3个层次组成:现场信息采集终端、信号处理和转发终端、自然保护区监控中心。该系统实现了自然保护区生态环境信息的监测、动物活动路线规律的跟踪、新动物的发现、火灾等自然灾害的预警、以及巡护管理等功能[14]。如果再结合SOA 和网格计算技术将复杂的数据处理转移到高性能平台,有效弥补了传统传感器网络电源能量有限、数据处理能力不足,为自然保护区科学管理提供有效的技术保障[15]。
213 生态环境监测与研究[9,16]
传统环境监测方法存在造价昂贵、布线难、维护成本高等问题,基于无线传感器网络实时监测环境变化,具有成本低、对环境影响小、维护管理方便、免布线、可大量布点等特点,可以广泛地应用于生态环境监测、生物种群研究。在野外地区或者不宜人工监测区域布置无线传感器网络可进行长期无人不间断监测,为生态环境的研究和分析提供实时丰富的数据资料。一个典型的监测系统通常由环境监测节点(如M I 2CA2)、基站(如Stargate )、通信系统、互联网以及监控软硬件系统构成。
2002年,。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落,每隔1min 检测1次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量,以确保葡萄可以健康生长。通过长年的数据记录以及相关分析,便能精确地掌握葡萄酒的质地与葡萄生长过程中的日照、温度、湿度的确切关系。该系统使用的器件包括M ICA2,M TS300CA 配套节点,信号接收节点,PC 机及显示系统等。这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。同年英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器Mote 连进互联网,用于监测观察缅因州“大鸭岛”上动物的栖息地环境,来评价一种海燕巢的条件,并且长时间搜集光线、温度等环境气候因子的变化资料。该系统使用了包括光、湿度、气压计、红外传感器、摄像头在内的近10种传感器类型,通过自组织无线网络,将数据传输到300英尺外的基站计算机内,再由此经卫星传输至加州的服务器。该系统使用的器件包括上百个M ICA2,经过定制的传感器模板,笔记本电脑,Star 2gate 信号接收处理板,以及卫星通信传输系统等。
2005年,澳洲的科学家利用M ICA2来探测北澳大利亚的蟾蜍的分布情况。由于蟾蜍的叫声响亮而独特,因此利用声音作为检测特征比较有效。由于目前的M ICA2的条件限制,科研人员在声音采集过程中关闭了所有其他功能模块。接着,采集到的信号在节点上就地处理,然后将处理后的少数结果数据发回给控制中心。该系统使用的器件包括数个M ICA2,Stargate 信号接收处理板,及M TS300CA 配套节点等。
许多珍贵药材的生长规律可以通过该项技术得到精确测量,通过无线信道、卫星或互联网传输到控制中心,从而可以精确掌握这类药材的生长周期、水分、湿度、光照、雨水等资料。根据分析结果,在人造环境下进行逼真地模拟,有望提高产量、改善稀有药材紧缺的现状。
森林生态资源的地网监测中引入无线传感器网络这一前沿技术,在重点区域进行无线传感器网络的部署,原来的系统从单一的图像监测变为复合信息的采集,在前端监控点实施传感器节点定位,并在地理信息系统中进行位置标定,控制中心的监控终端可以对采集到的数据信息进行分析处理和显示报警,并且通过互联网授权登陆浏览,从而实现远程森林生态资源的在线监测,使森林资源数学模型的各个因子参数得到实时更新显示,则监测效果可以得到很大提高。
214 在木材检测中的应用
单一传感器在木材工业中已得到了一定程度的应用,但各种单项技术在应用上存在一定的局限性。基于多传感器(机器视觉及X 射线等)数据融合技术的木材及木制品表面缺陷检测,可以集成多个传统单
?352?第3期叶慧坤:无线传感器网络及其在林业中的应用
项技术,更可靠、准确地实时检测出木材表面的各种缺陷,为实现木材分级自动化、智能化奠定基础,同时为集裁除锯、自动调整、自动裁除节子等为一身的新型视频识别集成材双面节子数控自动剔除成套设备提供技术支持[17]。
215 在精准林业中的应用[18,19]
当前在林业发达国家,森林和林地资源几乎全部实现了数字化管理,在立地水平上实现了土壤、气候、水文和植被的高精度数字空间信息管理,为严格的适地适树和林分管理,以及森林区域和林区景观的管理提供了科学依据,既能达到景观优化管理模式、生物多样性保护,又能实现最优化的生态、经济和社会效益。精准林业则是在数字化管理的基础之上实现的。所谓精准林业(Precision Forestry )又称精细林业或精确林业,是指在林业领域内采用包括林木遗传工程、3S 技术、数字通讯、林业机械自动化、传感器技术等现代高新科学技术,建立森林土壤类型分析、林地适应性评价、立地类型与立地条件分析、森林生态环境模拟、林木育种和施肥以及生长监测、病虫火害防治、森林收获等一体化、信息化、数字化的现代林业技术体系。精准林业的技术核心是对森林生长实现精确的计测和监测,研究森林生长的空间结构性和时空差异性,采取优化的森林空间结构调整理论和方法,消除和减少这些差异,从而实现森林的健康和可持续经营。
精准林业生产系统作为一个多组分的复杂系统,是由能量流动、物质循环、信息流动所推动的具有一定的结构和功能的复合体,各组分间的关系和结合方式影响系统整体的结构和功能。林业系统信息来源多种多样,存在空间和时间上质的差异,通过无线传感器网络可以重复和费用合理的方式获得的高分辨率的时空数据(空间几何数据、时间数据、结构化的非空间属性数据以及非结构化的描述数据等)来进行森林管理、森林作业和木材加工等方面的决策[25]。利用空间信息综合技术、林业工程技术、智能DSS (决策支持系统)以及VR T (可变量技术)等,帮助决策者在特定时间对特定林区进行操作规划,指挥和控制各子系统协调、有条不紊地工作,实施可变量投入,使林业生产成为一个高效、柔性和开放的体系,从而实现林业生产的标准化、规范化、开放性,建立基于信息流融合的精确林业系统,达到低成本、低消耗、高效率、可持续发展等目标。
3 小结
作为有助于缩小人机隔阂的技术和产品,无线传感器网络可以实现人与自然界以及机与机之间无处不在的通信和计算能力,自主实现各种数据的计算、融合和传输,是一种新兴的测量与控制的网络技术。能将逻辑上的信息世界与真实的物理世界紧密地结合起来,随着网络技术的进一步成熟和网络节点价格的持续下降,大规模部署无线传感器网络的条件的快速成熟,在未来其将是一个无孔不入十分庞大的网络。
无线传感器网络的诸多优势,有利于创建林业生产中的野外环境、田间环境、设施内环境、生活环境、办公室环境、工厂环境等以人为本的智能环境。其在林业领域的广泛应用还面临着诸如安全问题、成本问题、能耗问题、移动性管理、节点大规模部署高效及合理性等难题有待进一步研究和完善。无线传感器网络的研发作为建立泛在智能(Ambient Intelligence ,AmI )的工具,其在林业中的应用研究无疑将加快精准林业系统工程的实现,最终落实以人为本的科学发展观,推进中国现代林业的可持续发展。
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年会论文集,北京:2003:776-7801
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二○○九年九月十日
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552?第3期叶慧坤:无线传感器网络及其在林业中的应用
南京航空航天大学 硕士学位论文 基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现 姓名：耿长剑 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：王成华 20090101
南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络，已成为当前无线通信领域研究的热点。 随着生活水平的提高，环境问题开始得到人们的重视。传统的环境监测系统由于传感器成本高，部署比较困难，并且维护成本高，因此很难应用。本文以环境温度和湿度监控为应用背景，实现了一种基于无线传感器网络的监测系统。 本系统将传感器节点部署在监测区域内，通过自组网的方式构成传感器网络，每个节点采集的数据经过多跳的方式路由到汇聚节点，汇聚节点将数据经过初步处理后存储到数据中心，远程用户可以通过网络访问采集的数据。基于CC2430无线单片机设计了无线传感器网络传感器节点，主要完成了温湿度传感器SHT10的软硬件设计和部分无线通讯程序的设计。以PXA270为处理器的汇聚节点，完成了嵌入式Linux系统的构建，将Linux2.6内核剪裁移植到平台上，并且实现了JFFS2根文件系统。为了方便调试和数据的传输，还开发了网络设备驱动程序。 测试表明，各个节点能够正确的采集温度和湿度信息，并且通信良好，信号稳定。本系统易于部署，降低了开发和维护成本，并且可以通过无线通信方式获取数据或进行远程控制，使用和维护方便。 关键词：无线传感器网络，环境监测，温湿度传感器，嵌入式Linux，设备驱动
Abstract Wireless Sensor Network, a new intelligent control and monitoring network combining sensor technology with computer and communication technology, has become a hot spot in the field of wireless communication. With the improvement of living standards, people pay more attention to environmental issues. Because of the high maintenance cost and complexity of dispose, traditional environmental monitoring system is restricted in several applications. In order to surveil the temperature and humidity of the environment, a new surveillance system based on WSN is implemented in this thesis. Sensor nodes are placed in the surveillance area casually and they construct ad hoc network automatieally. Sensor nodes send the collection data to the sink node via multi-hop routing, which is determined by a specific routing protocol. Then sink node reveives data and sends it to the remoted database server, remote users can access data through Internet. The wireless sensor network node is designed based on a wireless mcu CC2430, in which we mainly design the temperature and humidity sensors’ hardware and software as well as part of the wireless communications program. Sink node's processors is PXA270, in which we construct the sink node embedded Linux System. Port the Linux2.6 core to the platform, then implement the JFFS2 root file system. In order to facilitate debugging and data transmission, the thesis also develops the network device driver. Testing showed that each node can collect the right temperature and humidity information, and the communication is stable and good. The system is easy to deploy so the development and maintenance costs is reduced, it can be obtained data through wireless communication. It's easy to use and maintain. Key Words: Wireless Sensor Network, Environment Monitoring, Temperature and Humidity Sensor, Embedded Linux, Device Drivers
无线传感器网络的特点 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。 传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。 自组织网络在 传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传
感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，
从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。
基于无线传感器网络的桥梁安全检测系统 摘要 根据桥梁监测无线传感器网络技术的桥梁安全监测系统，以实现方案的安全参数的需要；对整个系统的结构和工作原理的节点集、分簇和关键技术，虽然近年来在无线传感器网络中，已经证明了其潜在的提供连续结构响应数据进行定量评估结构健康，许多重要的问题，包括网络寿命可靠性和稳定性、损伤检测技术，例如拥塞控制进行了讨论。 关键词：桥梁安全监测；无线传感器网络的总体结构；关键技术 1 阻断 随着交通运输业的不断发展，桥梁安全问题受到越来越多人的关注。对于桥梁的建设与运行规律，而特设的桥梁检测的工作情况，起到一定作用，但是一座桥的信息通常是一个孤立的片面性，这是由于主观和客观因素，一些桥梁安全参数复杂多变[1]。某些问题使用传统的监测方法难以发现桥梁存在的安全风险。因此长期实时监测，预报和评估桥梁的安全局势，目前在中国乃至全世界是一个亟待解决的重要问题。 桥梁安全监测系统的设计方案，即通过长期实时桥跨的压力、变形等参数及测试，分析结构的动力特性参数和结构的评价科关键控制安全性和可靠性，以及问题的发现并及时维修，从而确保了桥的安全和长期耐久性。 近年来，桥梁安全监测技术已成为一个多学科的应用，它是在结构工程的传感器技术、计算机技术、网络通讯技术以及道路交通等基础上引入现代科技手段，已成为这一领域中科学和技术研究的重点。 无线传感器网络技术，在桥梁的安全监测系统方案的实现上，具有一定的参考价值。 无线传感器网络（WSN）是一种新兴的网络科学技术是大量的传感器节点，通过自组织无线通信，信息的相互传输，对一个具体的完成特定功能的智能功能的协调的专用网络。它是传感器技术的一个结合，通过集成的嵌入式微传感器实时监控各类计算机技术、网络和无线通信技术、布式信息处理技术、传感以及无线发送收集到的环境或各种信息监测和多跳网络传输到用户终端[2]。在军事、工业和农业，环境监测，健康，智能交通，安全，以及空间探索等领域无线传感器网络具有广泛应用前景和巨大的价值。 一个典型的无线传感器网络，通常包括传感器节点，网关和服务器，如图1
无线传感器网络的应用与影响因素分析 摘要：无线传感器网络在信息传输、采集、处理方面的能力非常强。最初，由于军事方面的需要，无线传感网络不断发展，传感器网络技术不断进步，其应用的范围也日益广泛，已从军事防御领域扩展以及普及到社会生活的各个方面。本文全面描述了无线传感器网络的发展过程、研究领域的现状和影响传感器应用的若干因素。关键词：无线传感器网络；传感器节点；限制因素 applications of wireless sensor networks and influencing factors analysis liu peng (college of computer science,yangtze university,jingzhou434023,china) abstract:wireless sensor networks in the transmission of informa- tion,collecting,processing capacity is very strong.initially,due to the needs of the military aspects of wireless sensor networks,the continuous development of sensor network technology continues to progress its increasingly wide range of applications,from military defense field to expand and spread to various aspects of social life.a comprehensive description of the development
一、课题研究目的 针对目前中国的交叉路口多，车流量大，交通混乱的现象研究一种控制交通信号灯的基于无线传感器的智能交通系统。 二、课题背景 随着经济的快速发展，生活方式变得更加快捷，城市的道路也逐渐变得纵横交错，快捷方便的交通在人们生活中占有及其重要的位置，而交通安全问题则是重中之重。据世界卫生组织统计，全世界每年死于道路交通事故的人数约有120 万，另有数100 万人受伤。中国拥有全世界1. 9 %的汽车，引发的交通事故占了全球的15 % ，已经成为交通事故最多发的国家。2000 年后全国每年的交通事故死亡人数约在10 万人，受伤人数约50万，其中60 %以上是行人、乘客和骑自行车者。中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5180 亿(人民币)，死亡率为9 人/ 万·车，因此，有效地解决交通安全问题成为摆在人们面前一个棘手的问题。 在中国，城市的道路纵横交错，形成很多交叉口，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集通过。而目前的交通情况是人车混行现象严重，非机动车的数量较大，路口混乱。由于车辆和过街行人之间、车辆和车辆之间、特别是非机动车和机动车之间的干扰，不仅会阻滞交通，而且还容易发生交通事故。根据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/ 3，在所有交通事故类型中居首位，对交叉口交通安全影响最大的是冲突点问题，其在很大程度上是由于信号灯配时不合理(如黄灯时间太短,驾驶员来不及反应)，以及驾驶员不遵循交通信号灯，抢绿灯末或红灯头所引发交通流运行的不够稳定。随着我国经济的快速发展，私家车也越来越多，交通控制还是延续原有的定时控制，在车辆增加的基础上，这种控制弊端也越来越多的体现出来，造成了十字交叉路口的交通拥堵和秩序混乱，严重的影响了人们的出行。智能交通中的信号灯控制显示出了越来越多的重要性。国外已经率先开展了智能交通方面的研究。 美国VII系统(vehicle infrastructure integration)，利用车辆与车辆、车辆与路边装置的信息交流实现某些功能，从而提高交通的安全和效率。其功能主要有提供天气信息、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。目前发展的重点主要集中在2个应用上: ①以车辆为基础; ②以路边装置为基础。欧洲主要是CVIS 系统(cooperative vehicle infrastructure system)。它有60 多个合作者，由布鲁塞尔的ERTICO 组织统筹，从2006 年2 月开始到2010年6月，工作期为4年。其目标是开发出集硬件和软件于一体的综合交流平台，这个平台能运用到车辆和路边装置提高交通管理效率，其中车辆不仅仅局限于私人小汽车，还包括公共交通和商业运输。日本主要的系统是UTMS 21 ( universal traffic management system for the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 为基础的综合系统概念,由NPA (National Police Agency) 等5个相关部门和机构共同开发的，是继20 世纪90 年代初UTMS 系统以来的第2代交通管理系统，DSSS是UTMS21中保障安全的核心项目，用于提高车辆与过街行人的安全。因此，从国外的交通控制的发展趋势可以看出，现代的交通控制向着智能化的方向发展，大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络系统，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源，减轻驾驶疲劳等功能，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。
1武警部队监控平台架构介绍与设计 1.1监控系统的系统结构 基站监控系统的结构组成如上图所示，主要由三个大的部分构成，分别是监控中心、监控站点、监控单元。整个系统从资金、功能以及方便维护性出发，我们采用了干点加节点方式的监控方法。 监控中心（SC）：SC的定义是指整个系统的中心枢纽点，控制整个分监控站，主要的功能是起管理作用和数据处理作用。一般只在市级包括（地、州）设置相应的监控中心，位置一般在武警部队的交换中心机房内或者指挥中心大楼内。 区域监控中心（SS）：又称分点监控站，主要是分散在各个更低等级的区县，主要功能是监控自己所负责辖区的所有基站。对于固话网络，区域监控中心的管辖范围为一个县/区；移动通信网络由于其组网不同于固话本地网，则相对弱化了这一级。区域监控中心SS的机房内的设备配置与SC的差不多，但是不同的是功能不同以及SS的等级低于SC,SS的功能主要是维护设备和监控。 监控单元（SU）：是整个监控系统中等级最低的单元了，它的功能就是监控并且起供电，传输等等作用，主要由SM和其他供电设备由若干监控模块、辅助设备构成。SU侧集成有无线传感网络微设备，比如定位设备或者光感，温感设备等等。 监控模块（SM）：SM是监控单元的组成部分之一，主要作用监控信息的采集功能以及传输，提供相应的通信接口，完成相关信息的上传于接收。
2监控系统的分级管理结构及监控中心功能 基站监控系统的组网分级如果从管理上来看，主要采用两级结构：CSC集中监控中心和现场监控单元。CSC主要设置在运营商的枢纽大楼，主要功能为数据处理，管理远程监控单元，对告警信息进行分类统计，可实现告警查询和存储的功能。一般管理员可以在CSC实现中心调度的功能，并将告警信息进行分发。而FSU一般针对具体的某一个基站，具体作用于如何采集数据参数并进行传输。CSC集中监控中心的需要对FSU采集的数据参数进行报表统计和分析，自动生产图表并为我们的客户提供直观，方便的可视化操作，为维护工作提供依据，维护管理者可以根据大量的分析数据和报表进行快速反应，以最快的速度发现网络的故障点和优先处理点，将人力资源使用在刀刃上。监控中心CSC系统的功能中，还有维护管理类，具体描述如下： 1）实时报警功能 该系统的报警功能是指发现机房里的各种故障后，通过声音，短信，主界面显示的方式及时的上报给操作者。当机房内的动力环境，空调，烟感，人体红外等等发生变量后，这些数据通过基站监控终端上传到BTS再到BSC。最后由数据库进行分类整理后存储到SQLSEVRER2000中。下面介绍主要的几种报警方式： 2)声音报警 基站发生告警后，系统采集后，会用声卡对不一样的告警类别发出对应的语音提示。比如：声音的设置有几种，主要是以鸣叫的长短来区分的。为便于引起现场维护人员的重视紧急告警可设置为长鸣，不重要的告警故障设置为短鸣。这样一来可以用声音区分故障的等级，比方某地市的中心交换机房内相关告警声音设置，它的开关电源柜当平均电流达到40AH的时候，提示声音设置为长鸣，并立即发生短信告警工单。如果在夜晚机房无人值守的情况下：
文章编号:1004-9037(2009)02-0254-05 基于无线传感网络的大型结构健康监测系统 尚 盈 袁慎芳 吴 键 丁建伟 李耀曾 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,南京,210016) 摘要:针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,实现了基于无线传感网络的多点应变结构健康监测系统,采用自组织竞争神经网络成功判别了集中载荷模拟的损伤位置。本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。为了降低系统网络功耗及成本,提高系统的稳定性和可靠性,改善传感网络的实时性和同步性,设计了可直接配接无线传感网络节点的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块。实验证明,相比于传统有线的监测方法和数据采集系统,基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。 关键词:无线传感网络;结构健康监测;层次路由协议;自组织竞争网络中图分类号:T P2;T P9 文献标识码:A 基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA 032117)资助项目;国家自然科学基金(60772072,50420120133)资助项目;航空基金(20060952)资助项目。 收稿日期:2007-09-05;修订日期:2008-04-17 Large -Scale Structural Health Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks S hang Ying ,Yuan Shenf ang ,Wu J ian ,Ding J ianw ei ,L i Yaoz eng (T he A ero nautic Key La bo rat or y o f Smart M ater ial and Str uct ur e,N anjing U niv ersit y o f Aer onautics and A str onautics,N anjing,210016,China) Abstract :Aimed at the large-scale structure and anisotropy nature o f the carbon fiber compos-ite material w ing box ,a large-scale structural health m onitoring system based on w ireless sen-sor netw orks is presented .A kind of artificial neural netw ork is designed to distinguish the damag e locatio n simulated by the co ncentrated load .The sy stem co nsists o f the sensor data ac-quisition,the w ireless sensor netw or ks,and the terminal monitoring sub-sy stem s.To im pro ve the performance o f the system ,the signal conditio ning circuit and the hierarchical routing pro -to col are designed based o n w ireless sensor netw orks ,the prog rams of data acquisition and Sink node are ex ploited.Experimental result pro ves that the system has advantag es of flexibili-ty o f deplo yment,low maintenance and deploym ent costs . Key words :w ir eless senso r netw or ks ;str uctural health monitoring ;hierarchical routing ;self -org anizing com petitive netw o rk 引 言 结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念,利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络,在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等),结 合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模 方法,提取特征参数,识别结构的状态,包括损伤,并对结构的不安全因素在其早期就加以控制,以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展,从而实现结构健康自诊断、自修复、保证结构的安全和降低维修费用[1]。 无线传感网络节点具有局部信号处理的功能, 第24卷第2期2009年3月数据采集与处理Jour nal of D ata A cquisition &P ro cessing Vo l.24N o.2M a r.2009
无线传感器网络概述 1科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代，作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，得到了极大的发展。 2目前无线网络可分为两种:一种是有基础设施的网络,需要固定基站,例如我们使用的手机，属于无线蜂窝网，它就需要高大的天线和大功率基站来支持，基站就是最重要的基础设施；另外，使用无线网卡上网的无线局域网，由于采用了接入点这种固定设备，也属于有基础设施网。 另一类是无基础设施网，又称为无线Ad hoc网络,节点是分布式的，没有专门的固定基站。 无线Ad hoc网络又可分为两类: 一类是移动Ad hoc网络(Mobile Ad hoc Network,简称MANET)，它的终端是快速移动的。一个典型的例子是美军101空降师装备的Ad hoc网络通信设备，保证在远程空投到一个陌生地点之后，在高度机动的装备车辆上仍然能够实现各种通信业务，而无需借助外部设施的支援。另一类就是我们讲的无线传感器网络,它的节点是静止的或者移动很慢。 3传感器网络的标准定义是这样的： 传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。它的英文是Wireless Sensor Network, 简称WSN。 如图所示，大量的传感器节点将探测数据，通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。 在这个定义中，传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。 4它们分别构成了信息系统的“感官”、“大脑”和“神经”三个部分。因此说，无线传感器网络正是这三种技术的结合，可以构成一个独立的现代信息系统。 5第一阶段：最早可以追溯二十世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，这条道路是胡志明部队向南方游击队源源不断输送物资的秘密通道，美军曾经绞尽脑汁动用航空兵狂轰滥炸,但效果不大。后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。所谓“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。 这种早期使用的传感器系统的特征在于传感器节点只产生探测数据流，没有计算能力，并且相互之间不能通信。 6第二阶段是二十世纪80年代至90年代之间。 主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。 7第三阶段：21世纪开始至今。也就是本课开始介绍的911事件发生之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。 除了应用于情报部门反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室－－橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。 由于无线传感网在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，2003年美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一。 在现代意义上的无线传感网研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。在2006年我国发布的《国家中长期科学
无线传感器网络技术的应用 摘要：无线传感器网络(WSN)是新兴的下一代传感器网络，在国防安全和国民经济各方面均有着广阔的应用前景。本文介绍了无线传感器网络的组成和特点，讨论了无线传感器网络在军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通等方面的现有应用，最后提出无线传感器网络技术需要解决的问题。 关键词：无线传感器网络，军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通。 1．无线传感器网络研究背景以及发展现状 随着半导体技术、通信技术、计算机技术的快速发展，90年代末，美国首先出现无线传感器网络（WSN）。1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。WSN是由布置在监测区域内传感器节点以无线通信方式形成一个多跳的无线自组网（Ad hoc），其目的是协作的感知，采集
和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者是WSN的三要素。将Ad hoc技术与传感器技术相结合，人们可以通过WSN感知客观世界，扩展现有网络功能和人类认识世界的能力。WSN技术现已经被广泛应用。图为WSN基本结构。 WSN经历了从智能传感器，无线智能传感器到无线传感器三个发展阶段，智能传感器将计算能力嵌入传感器中，使传感器节点具有数据采集和信息处理能力。而无线智能传感器又增加了无线通信能力，WSN将交换网络技术引入到智能传感器中使其具备交换信息和协调控制功能。 无线传感网络结构由传感器节点，汇聚节点，现场数据收集处理决策部分及分散用户接收装置组成，节点间能够通过自组织方式构成网络。传感器节点获得的数据沿着相邻节点逐跳进行传输，在传输过程中所得的数据可被多个节点处理，经多跳路由到协调节点，最后通过互联网或无线传输方式到达管理节点，用户可以对传感器网络进行决策管理、发出命令以及获得信息。无线传感器网络在农业中的运用是推进农业生产走向智能化、自动化的最可行的方法之一。近年来国际上十分关注WSN在军事，环境，农业生产等领域的发展，美国和欧洲相继启动了WSN研究计划，我国于1999年正式启动研究。国家自然科学基金委员会在2005年将网络传感器中基础理论在一篇我国20年预见技术调查报告中，信息领域157项技术课题中7项与传感器网络有直接关系，2006年初发布的《国家长期科学与技术发展
《无线传感器网络及应用》第一次作业答案 一、单项选择题。本大题共11个小题，每小题2.5 分，共27.5分。在每小题给出的选项中，只有一项是符合题目要求的。 1.下面哪种协议不属于路由协议（ C ）。 A.地理位置路由协议 B.能量感知路由协议 C.基于跳数的路由协议 D.可靠的路由协议 2.ZigBee的通信速率在2.4GHz时为（ D ）。 A.40Kbps B.20Kbps C.256 Kbps D.250kbps 3.传感器节点（ D ）范围以内的所有其它节点，称为该节点的邻居节点。 A.视线 B.跳数 C.网络 D.通信半径 4.TinyOS是一个开源的（ D ）操作系统，它是由加州大学的伯利克分校开发， 主要应用于无线传感器网络方面。 A.桌面 B.后台 C.批处理 D.嵌入式 https://www.doczj.com/doc/d817493038.html,N技术使用了哪种介质（ A ）。 A.无线电波 B.双绞线 C.光波 D.沙狼 6.传感器节点消耗能量主要消耗在（ A ）上。 A.无线通信模块 B.处理器模块 C.传感器模块 D.管理模块 7.传感器最早起于二十世纪（ B ）年代。 A.60年代 B.70年代 C.80年代 D.90年代 8.定向扩散（Directed Diffusion，DD）路由协议是一种（ B ）机制。 A.能量感知路 B.基于查询的路由
C.地理位置路由 D.可靠的路由 9.传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对方向性要求较高时，应 选择在其它方向上灵敏度（）的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越（）越好。 A A.小；小 B.小；大 C.高；高 D.高；底 10.传感器的频率响应越（），则可测的信号频率范围就越（）。C A.小；高 B.大；宽 C.高；宽 D.大；高 11.传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。理论上在此范围内，灵敏度保持 定值。传感器的线性范围越（），则它的量程就越（），并且能保证一定的测量精度。D A.小；宽 B.小；高 C.高；大 D.宽；大 二、多项选择题。本大题共29个小题，每小题2.5 分，共72.5分。在每小题给出的选项中，有一项或多项是符合题目要求的。 1.根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以分为（AD）。 A.平面结构 B.网络结构 C.星形结构 D.分级结构 2.传感器节点消耗能量的模块包括（ACD）。 A.传感器模块 B.存储模块 C.处理器模块 D.无线通信模块 3.下面哪些属于数据融合的方法（ABD）。 A.模糊逻辑法 B.神经网络方法 C.优选法 D.综合平均法 4.目前人们采用的节能策略主要有（AC）。 A.休眠机制 B.定时发送机制 C.数据融合机制
1-2.什么是无线传感器网络? 无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息,并报告给用户。 1-4.图示说明无线传感器网络的系统架构。 1-5.传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别是什么? (1)传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块电源模块和嵌入式软件系统 (2)传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。另外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。 1-8.传感器网络的体系结构包括哪些部分?各部分的功能分别是什么? (1)网络通信协议：类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系。它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。 (2)网络管理平台：主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理。包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。 (3)应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。 1-9.传感器网络的结构有哪些类型?分别说明各种网络结构的特征及优缺点。 （1）根据结点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。如果网络的规模较小，一般采用平
面结构；如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。 （2）平面结构： 特征：平面结构的网络比较简单，所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。 优点：源结点和目的结点之间一般存在多条路径，网络负荷由这些路径共同承担。一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。 缺点：①影响网络数据的传输速率，甚至造成网络崩溃。②整个系统宏观上会损耗巨大能量。③可扩充性差，需要大量控制消息。 分级结构： 特征：传感器网络被划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。簇头结点负责簇间数据的转发，簇成员只负责数据的采集。 优点：①大大减少了网络中路由控制信息的数量，具有很好的可扩充性。②簇头可以随时选举产生，具有很强的抗毁性。 缺点：簇头的能量消耗较大，很难进人休眠状态。 1-13.讨论无线传感器网络在实际生活中有哪些潜在的应用。 (1)用在智能家具系统中，将传感器嵌入家具和家电中，使其与执行单元组成无线网络，与因特网连接在一起。 (2)用在智能医疗中，将传感器嵌入医疗设备中，使其能接入因特网，将患者数据传送至医生终端。 (3)用在只能交通中，运用无线传感器监测路面、车流等情况。 2-2.传感器由哪些部分组成?各部分的功能是什么? 2-5.集成传感器的特点是什么? 体积小、重量轻、功能强、性能好。 2-7.传感器的一般特性包括哪些指标? 灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、重复性、漂移、精度、分辨（力）、迟滞。 2-15.如何进行传感器的正确选型？ 1.测量对象与环境：分析被测量的特点和传感器的使用条件选择何种原理的传感器。 2.灵敏度：选择较高信噪比的传感器，并选择适合的灵敏度方向。 3.频率响应特性:根据信号的特点选择相应的传感器响应频率，以及延时短的传感器。 4.线性范围：传感器种类确定后观察其量程是否满足要求，并且选择误差小的传感器。 5.稳定性：根据使用环境选择何时的传感器或采用适当的措施减小环境影响，尽量选择稳定性好的传感器。 6.精度：选择满足要求的，相对便宜的传感器。 2-17.简述磁阻传感器探测运动车辆的原理。 磁阻传感器在探测磁场的通知探测获得车轮速度、磁迹、车辆出现和运动方向等。使用磁性传感器探测方向、角度或电流值，可以间接测定这些数值。因为这些属性变量必须对相应的磁场产生变化，一旦磁传感器检测出场强变化，则采用一些信号处理办法，将传感器信号转换成需要的参数值。 3-2.无线网络通信系统为什么要进行调制和解调?调制有哪些方法? （1）调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响。采用什
30 无线传感器网络集传感器技术、微机电系统（MEMS）技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术于一体，它由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络因其具有成本低、能耗小等特点，已经展现了非常广阔的应用前景，参考文献[1]和参考文献 [2]中分别介绍了其在农业与医药学领域的应用。2003年MIT技术评论Technology Review在预测未来技术发展的报告中，将其列为改变世界的十大新技术之一。 随着社会经济的发展及生活条件的改善，人们对工作和生活环境的安全性和舒适度提出了更高的要求，而室内环境与人们的生活与工作息息相关，因此室内环境的监测与控制引起了人们越来越多的关注。为了实现各式各样的生活与工作要求，室内环境的结构也是多种多样的，正是这种结构复杂多样性及区域差异性，给室内环境的监测与控制带来了诸多挑战。但是，随着无线传感器网络技术的发展及应用，这些挑战均迎刃而解。 1 系统工作原理 系统的监控功能主要利用了无线传感器网络技术来实现。系统分为三个部分，分别为监控节点、 下位机和上位机。系统结构如图1所示： 图1 系统结构示意图 监控节点：作为无线传感器网络的基本组成部分，它可以利用搭载的多种传感器来获取室内的环境参数，通过微机电系统将这些参数进行数字化处理，并打包通过无线通讯模块发送至下位机。 下位机：作为无线传感器网络的中心节点，下位机起着承上启下的作用。它既能够通过无线通讯模块与诸传感器节点通讯，又能通过串口与上位机实现信息交互，最终实现了传感器节点与上位机的协调。 上位机：作为无线传感器网络的“大脑”，上位机负责整个传感器网络的正常运行。通过对下位机呈递的数据包进行解码，上位机能够提取各环境参数信息，并将其图形化显示。此外，通过设置环境参 数阈值，上位机可以实现整个系统的自动控制。 基于无线传感器网络的室内监控系统 张新耀 冯启朋 霍 鹏 王亚慧 （中国海洋大学信息科学与工程学院，山东 青岛 266100） 摘要： 室内环境与人的生活、工作密切相关，一般具有结构复杂及区域差异性大的特点。无线传感器网络是由具有感知能力、计算能力、无线通讯能力的传感器节点组成的智能网络，可以有效地监测环境参数变化，并能够对环境异常做出实时处理，从而实现复杂环境下的分区域环境监控，由此设计了一套基于无线传感器网络（WSN）的智能室内监控系统。文章通过对整个系统的设计方法、软硬件实现及系统测试结果进行了分析研究，最终证明了由无线传感器网络构成的系统可以高效地实现室内环境监控的任务。关键词： 无线传感器网络；室内监控系统；环境监控；环境参数中图分类号： TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）30-0030-032012年第30期（总第237期）NO.30.2012 （CumulativetyNO.237）
基于系统集成技术的节点类型和特点 在节点的功能设计和实现方面，目前常用的节点均为采用分立元器件的系统集成技术。已出现的多种节点的设计和平台套件，在体系结构上有相似性，主要区别在于采用了不同的微处理器，如AVR系列和MSP430系列等；或者采用了不同的射频芯片或通信协议，比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee[1]协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等。典型的节点包括Berkeley Motes [2，3], Sensoria WINS[4], MIT μAMPs [5], Intel iMote [6], Intel XScale nodes [7], CSRIO研究室的CSRIO节点[8]、Tmote [9]、ShockFish公司的TinyNode[10]、耶鲁大学的XYZ节点[11] 、smart-its BTNodes[12]等。国内也出现诸多研究开发平台套件，包括中科院计算所的EASI系列[13-14]，中科院软件所、清华大学、中科大、哈工大、大连海事大学等单位也都已经开发出了节点平台支持网络研究和应用开发。 这些由不同公司以及研究机构研制的无线节点在硬件结构上基本相同，包括处理器单元、存储器单元、射频单元，扩展接口单元、传感器以及电源模块。其中，核心部分为处理器模块以及射频通信模块。处理器决定了节点的数据处理能力和运行速度等，射频通信模块决定了节点的工作频率和无线传输距离，它们的选型能在很大程度上影响节点的功能、整体能耗和工作寿命。 目前问世的传感节点（负责通过传感器采集数据的节点）大多使用如下几种处理器：ATMEL公司AVR系列的ATMega128L处理器，TI公司生产的MSP430系列处理器，而汇聚节点（负责会聚数据的节点）则采用了功能强大的ARM处理器、8051内核处理器、ML67Q500x系列或PXA270处理器。这些处理器的性能综合比较见表1。 表1、无线传感器网络节点中采用的处理器性能比较