1、 1 毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 传感器 研究综述 摘要 ： 文章对 传感器 做了较为全面的介绍。概括了 传感器 的背景知识，定义，应用以及较为详细的分类情况。然后对 传感器 的分类以及发展的走势进行了展望 。 关键词 ： 传感器；传感器网络；传感器节点；无线传感器网络的应用。 1. 引言 随着微机电系统的迅速发展，片上系统 SoC(System onChip)得以实现，一块小小的芯片就可以传递逻辑指令，感知现实世界，甚至于作出反应。无线传感器网络 WSN(Wireless SensorNetwork)，这个由大量具有片上微处理能力的微型 传感器节点组成的网络，引起了工业界和学术界众
2、多研究者的关注 。传统的传感器网络通常由两种节点：传感器节点 (sensor)和接收器节点 (sink)组成。传感器节点主要负责对事件的感知和数据包的传输；接收器节点则是数据传输的目标节点，一般都具有人机交互界面，并可以接入其它类型的网络体系。传感器网络以其低成本、低功耗的特点，在军事、医疗健康、环境监测等领域都有着广泛的应用。在本文中，对大量现有无线传感器和无线传感器网络的应用进行分析，从节点移动性、节点互联方式、网络数据规模、网络分层结构等方面进行分析和比较。并在 此基础上，提出若干值得继续研究的方面，为挖掘传感器网络新的应用打下基础。无线传感器网络系统研究有着巨大的科学意义和应用前景，已
3、经成为当今前沿性的热点研究方向之一，必将成为对 21世纪产生巨大影响力的高新技术之一。 2传感器原理 2.1 什么叫传感器 从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单 来 说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就 可以 构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感 知外界信息的原理来讲，可分为 物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。 化学类，基于化学反应的原理。 生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常 根据 其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件
4、、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将传感器分 46 类）。 国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是： “ 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成 ” 。传感器是一种检测装置，能感受到被测2 量的信息，并 能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 2.2 原理框图 说明： 无线传感器的组成模块封装在一个外壳内，在工作时，它由电池或振动发电机提供
5、电源，构成无线传感器网络节点。它可以采集设备的数字信号通过无 线传感器网络传输到监控中心的无线网关，并 直接送入计算机，进行分析处理。如果需要，无线传感器也可以实时传输采集的整个时间历程信号。监控中心也可以通过网关把控制、参数设置等信息无线传输给节点。 数据调理采集处理模块把传感器输出的微弱信号经过放大， 经过 滤波等调理电路后，送到模数转换器，转变为数字信号，送到主处理器进行数字信号处理，计算出传感器的有效值，位移值等。 无线通讯模块采用基于 IEEE802.15.4 标准的无线协议进行数据传输。 IEEE802.15.4 主要针对工业，建筑，传感器的无线数据采集和监控，油田，电 力，矿山和
6、物流管理等应用领域。它具有低功耗，传输可靠性高，抗干扰能力强，网络容量大，能够自动组网等特点。 2.3 无线传感器网络结构 无线传感器网络就是由分布在监测区域内大量的微型传感器节点组成，它是通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。传感器网络节点的基本组成包括如下 4 个基本单元：传感单元、处理单元、通信单元以及电源。另外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。结构图如图 1 所示 。 3 图 1 无线传感节点 在传感器网络中，节点可通过飞机布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知对象内部或附近，这些节点通过自发组织方式构成无线网络，以协作的方式实时感知、采集和处理
7、网络覆盖区域中的信息，并通过多跳网络将数据经 Sink 节点链路将整个区域内的信息传送到远程控制管理中心。远程管理中心也可对网络节点进行操纵控制。整个 网络主要有以下几部分： 网络用户：它负责从网络中获取所需的信息，同时对网络做出各种各样的指示、操作等。 传输介质：它是用户与传感网络之间的桥梁和纽带。 Sink 节点 (接收发送器 )：它拥有足够的能量，可以将从传感器网络中的能量有限的节 上传来的信息转发到传输介质上。 传感网络：这是传感器网络的核心。在感知区域中，大量的节点自组成网，监测、感知信息向Sink 节点发送，或接收来自 Sink 节点的操作命令，改变自身的工作状态。 4 图 2 无
8、线传感器网络结构图 网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议 的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。网络体系结构由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术三部分组成。分层的网络通信协议结构类似于 TCP IP 协议体系结构；传感器网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理；在分层协议和网络管理技术的基础上，支持了传感器网络的应用支撑技术。结构图如图 2 所示。 3 研究与应用现状 无线传感器网络的研究主要集中在通信 (协议、路由、检错等 )、节能和网络控制三个方面，目前都已经有了比较成熟的解决方法，为无线传感器网络投入实际应用提供了理 论基础。传感
9、器网络低成本、低功耗的特点，使其可以大范围地散布设置在定区域，即使是人类无法到达的区域，都能正常工作，应用面比较广泛。目前的无线传感器网络常应用于军事、环境监测、医疗健康、空间探测、工业生产等领域。 3.1 军事应用 从某种意义而言，无线传感器网络的产生正是源于网络在军事应用上的需求，因此在军事上的应用非常贴近无线传感器网络本身的概念。纵观无线传感器网络在战场上的应用主要是信息收集、跟踪敌人、战场监视、目标分类等。 无线传感器网络由低成本、低功耗的密集型节点构成，拥有自发组织性和相当的容错能力， 即使部分节点遭到恶意破坏，也不会导致整个系统的崩溃，正是这一点保证了无线传感器网络能够在5 恶劣的
10、战场环境下工作，从而最大程度地减少伤亡，同时提供准确可靠的信息传输。除了在战争时期，和平年代也能应用无线传感器网络进行国土安全保护、边境监视等应用。例如，用埋设地雷来保卫国土、防止入侵，这也可能对本国带来了巨大的安全威胁。取而代之的可能是成千上万的传感器节点，通过对声音和震动信号的分类分析，探测敌方的入侵。美国佛吉尼亚大学已经着手研究和开发这一系统 。 3.2 环境监测 环境监测是无线传感器网络的又一个非常重要的应 用领域。在人们对环境问题越来越关注的今天，环境监测所及的范围非常的广泛，依靠传统的数据收集和统计方法已经无法正常进行，无线传感器网络则能够胜任此项工作。人们在设计未来智能大楼的进程
11、中，对于室内环境的监测是很有必要的。加州大学伯克利分校的 SABER研究中心研制的 Smart Dust系统 ，可以监测室内实时的温度和亮度。 ASHRAE研究机构 (American Society of Heating， Refrigerating andAir Conditioning Engineers)设计了 HVAC系统 (heating， ventila tion and air condition) ，将无线传感器网络布置在办公大楼中，实时监测楼内的温度和空气质量，以改善室内环境。传感器网络为获取野外的研究数据也提供了很大的方便。例如，哈佛大学与北卡罗莱纳大学的合作项目，通过无
12、线传感器网络收集震动和次声波信息并加以分析，进行火山爆发的监测 E61。澳大利亚的新南威尔士大学利用无线传感器网络跟踪一种名为 Cane toad的癞蛤蟆 ，了解它们在澳大利亚的分布情况。 UCBerkeley大学在红杉树上布置无线传感器网络 ，连续监测 44天红杉树 的生长情况，收集温度、湿度、光合作用的信息。 3.3医疗健康 随着无线传感器网络的不断发展，它在医疗健康方面也得到了一定的应用，医生可以利用传感器网络，随时对病人的各项健康指标以及活动情况进行监测，为远程医疗技术的发展提供了很大的便利。 Intel研究中心利用无线传感器网络开发的老人看护系统。可以实时检测他们的健康问题。sens
13、or节点被安置在老年人身上，能够感知到老人的各项行动，并相应地作出正确提醒，记录下老年人的全部活动，为老人的健康安全提供保障。 3.4 其它应用 除此之外，无线传感器网络在空间探测、物 流控制、工业生产、人工生命以及其他一些商业领域有着广泛的应用。美国宇航局 (NASA)研制 Sensor Webs ，为将来火星探测做准备；英国石油公司(BP)利用无线传感器网络以及 RF ID技术，对炼油设备进行监测管理 ；许多大公司利用无线传感器网络对仓库货物进行控制。传感器网络低成本、低功耗，并且可以自发组织地进行工作，为其在各个领域的应用奠定了基础，这也必将会孕育出越来越多新的应用模式。 6 4 无线自
14、组传感器网络需要解决的主要问题 4 1 传感器节点的定位问题 。 传感器节点的放置大部分采用随机放置的方法 ，因为它数目众多，考虑到费用问题，每个节点都带有定位系统是不太可能的。一般采用的方法是 5到 10的节点带有定位系统 (这种节点称为锚节点或灯塔节点 )，可以确定自身的位置，目前主要的研究方向是如何利用这些锚节点提供的位置信息和其他节点的通讯之间的约束 (邻接节点之间无线通讯半径 )，普通节点估算出自身的位置。另一个主要的研究方向是如何预先摆放一定量的锚节点，使其他普通节点随机摆放可以取得更好的效果。定位问题除了定位本身的意义外，在路由选择上也有很大的帮助。此外在移动机器人研制中也具有很
15、重要的意义 1 2。 4 2 网络的组织管理 网络的组织管理的焦点是如何把网络有效的划分为许多小局域网，并保证每一个小的局域网中都有一个簇头或节点代理负责管理每一个小的局域网。解决该问题可用以下的两种方法： 1、产生簇头的方法。所有的节点都是对等的节点，这时根据每个节点能量情况、连接情况选择合适簇头，负责数据的汇总及初步处理。为了节省能量定期选举产生新的簇头。 2、放置代理的方法。每个代理节点负责管理一定数目的普通节点，如何使每个代理 12管理节点的数目基本相同并使管理网络有着基本相同的网络半径是研究的重点问题。另外网络的管理形式、 拓扑结构等都是需要研究的重要问题3。 4 3 数据在网络中的
16、传输 目前来看，传感器网络中路由算法基本上都是以泛洪算法为基础，通过增加一定的约束条件而形成的。每个传感器节点所带的电量有限，然而通讯、计算、传感等过程都要消耗能量，其中通讯是消耗能量的最主要过程，需要通过适当的路由算法，减少网络中的计算量和通讯量，有效延长网络的寿命 4。 4 4 信号的协作处理 单个的传感器节点往往不能完成对目标的测量、跟踪和识别，这就需要具有一定属性的多个传感器节点采用一定的算法通过交换信息，对所获得的数据进行加工、汇总 和过滤，并且以事件的形式得到最终结果。数据的传递和信息协作都关系到网络协议的设计和能量的消耗，也是目前研究的热点之一 5 6。 4 5 传感器数据库查询
17、和广告 从用户的角度来说，整个传感器网络看起来更像一个数据库，可以从里面查询需要的信息。但如何按照一定的属性查询信息是个重要的课题，它包括查询数据的组成形式、查询数据的路由选择7 等等，合理的选择查询属性和路由可以有效的节省能量。除了查询以外，另一个方向是有用数据的广播，如何使有用的信息快速准确地传播到需要使用这些信息的节点处，同时又不造成广播泛滥，节省宝贵的 能量这也是亟待解决的问题 7。 4 6 硬件、软件的设计和制造 国外有些研究所已经开始进入了装置设计阶段，如何利用已有的电源、微电子、微机械 (纳米技术 )、微无线通讯等技术，合理的构成微体积长寿命的节点，也是一个研究课题。它的研究设计
18、需要考虑依距离远近发送一个比特位及每条指令所需的能量的大小、甚至不同地址编码所需的能量的差异等因数。合理优化设计硬件和软件资源可以有效的增加网络节点的寿命。厘米级和毫米级的传感器节点称为当今的主要研究目标 8。 5 总结与展望 随着不断取得的研究成果，无线传感器网络已经得到了 很大的发展，也产生了越来越多的实际应用，虽然大规模的商业应用并未出现。本文针对这些应用作了大量的分析和研究，综述了无线传感器网络在不同领域中应用，并从节点移动性、节点互联方式、网络数据规模、网络分层结构这 4个重要特性着手，对传感器网络的应用进行分析和比较。同时，我们也看到一些值得继续努力去解决的问题：如何在个网络中实现
19、多个 sink节点，在重复传输较少的情况下，分别获得各自需要的数据包；如何在分层结构的无线传感器网络中，选择最佳的层次组合方案，用最低的成本换取最优的性能；如何将无线传感器网络和已有的网络体系结 构相互结合等。相信随着诸多问题逐个得到解决，无线传感器网络会越来越走近我们的生活，得到更加广泛的应用。 参考文献 ： 1 叶朝辉 ,华成英 ,赵彦博 . PSoC实践教学研究 A. 2007年全国高等学校电子技术研究会论文集C, 2007, (总第 49期 ) . 2 王凯 ,陈尚松 ,郭庆 . 用 PSOC数模混合信号阵列实现压频 V/F变换 A. 2004全国测控、计量与仪器仪表学术年会论文集（下
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