无线传感器网络(数据库)

时间：2022-11-29 20:30:01 | 来源：信息时代

时间：2022-11-29 20:30:01 来源：信息时代

    无线传感器网络 : 由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成的,通过无线通信方式形成的自组织的网络系统,主要用于收集和处理从各个传感器节点收集的数据。
随着微电子技术、计算机技术和无线通信等技术的快速发展,传感器能够在微小体积内将信息采集、数据处理和无线通信等多种功能集成为一体。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境信息,并对这些信息进行处理,获得详尽而准确的信息,传送到需要这些信息的用户。
无线传感器节点通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。无线传感器节点主要由四部分组成: 包括数据感知模块、数据处理与控制模块、无线通信模块、能量供应模块(如图1所示)。

图1 无线传感器节点的结构

数据感知模块主要用来感知监测区域内的信息,并进行数据转换; 数据处理与控制模块负责协调节点各部分的工作,对感知部件获取的信息进行必要的处理和存储、保存,并控制感知部件和电源的工作模式,有时还要处理其他节点转发的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信;能量供应模块是传感器节点的一个非常重要的部分,它为传感器节点提供工作所需的能量,一般采用微型电池进行能量供应。
无线传感器网络的典型结构如图2所示,通常由无线传感器节点、汇聚节点(也称为接收发送器(sink)或基站(base station))、Internet或通信卫星、任务管理节点等构成。
通常大量的传感器节点被随机散布在监测区域内部或附近,它们通过自组织方式构成网络。感知数据通过“多跳”的方式在传感器节点之间进行传输,并不断地被传感器节点进行处理,最后被传送到汇聚节点,汇聚节点通过Internet或通信卫星把数据返回给用户。

图2 无线传感器网络的典型结构

无线传感器网络具有如下特点:
(1)大规模性:在监测区域通常部署大量传感器节点,其数量可以达到成千上万,要比专用网络中的节点数大几个数量级。
(2)资源有限性: 具体包括: ①通信能力有限:传感器网络中传感器节点间带宽资源有限且稳定性差。通信覆盖范围只有几十到几百米,节点之间的通信易受干扰,经常导致通信失败。②电源能量有限: 传感器节点的电源能量极其有限,网络中的传感器节点的电源能量消耗导致节点经常失效或废弃。③计算能力有限: 传感器网络中的传感器都配备嵌入式处理器和存储器,具有有限的计算能力,可以完成一些基本的信息处理工作。
(3) 网络动态性: 网络中的传感器、感知对象和观察者都可能具有移动性,加之物理环境不确定性的影响,使整个系统呈现高度的动态性。传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变: ①外界环境干扰或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效。②环境因素变化导致的无线通信链路带宽变化、网络延迟、低信号传输质量。③传感器、感知对象和观察者三要素都可能具有移动性。④网络动态变化,例如,新节点的加入和能量耗尽节点的失效。
(4)网络自组织性:网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施,节点协调各自的行为,启动后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。传感器网络中没有严格的控制中心,所有节点地位平等,是一个对等式网络。网络中节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信,则需通过中间节点进行路由。
(5)节点可靠性:传感器网络的软硬件必须具有一定的鲁棒性和容错性。在恶劣的环境下或人类不宜到达的区域,传感器节点可能遭受暴晒、风吹、雨淋,甚至遭到人为或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署,如通过飞机抛撒或炮弹发射到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点坚固,不易损坏,适应各种恶劣环境。同时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或获取伪造的监测信息。
(6)应用多样性:不同的应用背景对传感器网络的要求不同,其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别,所以传感器网络不能像Internet一样,有统一的通信协议平台。不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题,但在开发传感器网络应用中,更关心传感器网络的差异。只有让系统更贴近应用,才能做出更高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术,这是传感器网络设计不同于传统网络设计的显著特征。
(7)数据中心性:在无线传感器网络中,用户感兴趣的是传感器感知的数据,而不是传感器本身。其基本思想是: 把传感器视为感知数据流或感知数据源,把传感器网络视为感知数据空间或感知数据库,把数据管理和处理作为网络的应用目标。
针对无线传感器网络数据的特殊性,无线传感器网络数据管理系统也相应地在系统结构、数据的存储和组织、查询技术等方面提出了不同的要求,包括感知查询语言、连续查询处理技术、网内聚集技术、区域查询、近似查询处理、感知数据收集、异常事件检测、无线传感器网络生命周期、感知数据空间关联性和感知数据时间关联性。
无线传感器网络已经在军事、家庭、环境、健康等领域得到了广泛的应用。在军事方面,利用传感器网络及时、准确地探测爆炸中心将会为军队提供宝贵的反应时间,从而最大程度地减小伤亡。传感器网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中,例如,传感器网络已经成为军事命令、控制、通信、计算、情报、监视、搜查、目标打击系统(简称为C4ISRT)必不可少的一部分。
在建筑方面,无线传感器网络可用来监控建筑物的安全状态。美国加州大学伯克利分校的环境工程和计算机科学家们采用传感器网络,让大楼、桥梁和其他建筑物能够感测到自身的状况,提高对建筑物的安全监控能力。
在环保方面,无线传感器网络的应用包括跟踪候鸟和昆虫的迁移,分析环境变化对农作物的影响,监测海洋、大气和土壤的成分等,还可以用于行星探测、气象和地理研究、洪水监测等。
在医疗系统和健康护理方面,无线传感器网络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,管理医院的药品等。
在家庭应用方面,无线传感器的应用正在逐步渗透到千家万户。如,在家电和家具中嵌入传感器节点,提供对家庭设施的远程监控与遥控,为人类提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。