1、 1 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电子信息 工程 无线传感器网络的应用 摘要： 过去十年来，无线传感器网络迅速发展成一门应用技术，它是遥感技术的扩展。 本文章介绍 无线传感器网络的概述包括无线传感器网络的概念，演化历程，发展状况，无线传感器网络的特点，重点介绍无线传感器网络应用的各个方面包括自然环境检测，防灾减灾检测，工业生产检测，日常生活检测。总结无线传感器网络技术发展过程 ,并对未来的应用进行展望。 关键词： 无线传感器网络（ WSN）；自然环境监测；工业监测 ；防灾防害监测 1.引言 无线传感器网络（ WSN）是有部署 在监测区域内大量具有特定功能的微型传感器节点通过无线通信方式形
2、成的自组织网络，其目的是协同的感知，采集和处理网络覆盖区域内被监测对象的信息，并将该信息传送到观察者 13。一个 WSN 主要包括传感器节点，无线传感器网络，远程通信网，管理中心，用户等元素。 WSN 经历了智能传感器，无线智能传感器，无线传感器网络 3 个阶段 4。 WSN 的特性使得它的应用范围非常广泛，涉及军事应用，工业监测与控制，环境监测，医疗监护，智能家居建筑仓库物流管理，交通控制管理，精细农业，消费电子，太空探索，反恐，救灾等诸多领域 58。本文对无线传感器网络应用系统的最新进展情况进行综述，介绍了自然环境监测，防灾减灾监测，工业生产监测和日常生活监测 4个大类的应用领域，并对其各
3、个应用系统进行详细的分析和对比。 2.自然环境监测 无线传感器网络对自然环境监测起到了巨大的推动作用，使人类可以更容易且更合理地监测和了解大自然环境， CitySense910是美国哈佛大学和 BBS 公司在麻省剑桥部署的一个城市规模的无线传感器网络系统，他有一百个传感器节点组成，可以监测的环境信息有空气温度，大气压，相对湿度，风向，风速，降雨量，降雨强度， CO2 浓度和声 音等级，数据采集频率为每小时一次，传感器节点通过多跳路由的方式将数据传送给基地。在网页http:/ 公开了 CitySense 项目的监测数据。本节详细介绍近年来传感器网络在自然环境监测领域的应用系统实例。 2 2.1
4、土壤环境应用 在陆地生态系统中 , 植 物 通过光合作用捕获大气中的 CO2, 并把它们存储到根系及根区微生物中。但是 , 人们对于这个土壤根系过程至今没有很好的理解。使用传感器网络技术测量土壤中的各种交互作用和动态过程来提高对土壤根系呼吸作用的理解。传感器网络技 术可以帮助实时了解土壤自氧和异氧呼吸的时间动态。现在 , 定点测量根系生长时的 CO2 通量已经成为可能 (Baldocchi 等 , 2006)。 Allen 等 (2007)使用土壤内部成像技术获取土壤中植物微根逐日生长动态。还搭建了由一系列土壤传感器组成的传感器网络用于监测 CO2 通量、土壤纹理、土壤温度、湿度、硝酸根、氮氢
5、化合物等的浓度。由于不能直接看到土壤下部的结构 , 布设土壤传感器又要求对土壤环境的扰动最小化 , 所以需要使用探地雷达等设备预先对土壤下部岩石、水位、植物粗根等进行探测。今后的趋势是将这些传感器链 接起来构建密集的土壤观测网络 , 利用无线传输技术收集土壤成像和通量数据。 2.2 空气环境应用 城市空气质量状况是瞬息万变 , 而且城市的车辆交通是一个大污染源。它不仅影响当地的空气质量 , 还是噪声源 , 并对附近水源造成污染 , 最终影响气候变化。车辆交通的污染排放包括 : 苯 (C6H6), 1,3丁邻二烯 , 一氧化碳 (CO), 铅 (Pb),二氧化氮 (NO2),人们臭氧 (O3),
6、 颗粒物 (PM10 and PM2.5) 和二氧化硫 (SO2)等。由于空气污染时空分布的监测受到监测站点少而且固定、布点不 合理、不能线上处理等的限制 , 近些年 , 人们不断尝试设计传感器网络。将它们用于大范围、实时、全面的城市环境监测。此外 , 人们特别关注发展可移动的便携式空气质量监测与定位装置 (Wallace 等 , 2009)。 Ma 等 (2008)设计了一种空气污染监测系统可以固定于城市街道或架设到公交车上进行移动和定点空气质量集成测量。该系统包括一种称为 MoDisNet 的分层分布式监测网络。在这个网络中 , 移动式的监测仪器可以对原始采集数据做初步处理 , 然后无线发
7、送到最近的路边定点监测节点 , 最后传回到数据采集中心。他们 还自己制作了传感器 , GUSTO(通用此外传感技术及观测 )。 GUSTO 能同时探测多种污染气体 (SO2, NOX, O3, 苯等 )浓度 , 实时获取数据并将数据无线传输到附近节点。 GUSTO 价廉、稳定而且精确。数据传输速度可以达到 1 次 /秒 的频率。 2.3 水环境应用 传统水质监测通过采集水样 ， 然后经实验室测定。水质监测的内容包括能够反映水的物理、化学、生物学特性的沉积物、悬浮物、叶绿素 a、溶解有机物、溶解氧、盐分、氮、磷等养分含量等。能够通过遥感实时测量的内容包括有色溶解有机质浓度、叶绿素 a, 沉积物
8、,此外 , 水体的物理特性如温度、水深、流速、流向等也能实时定点获得。近些年逐步发展出3 基于无线传感器网络的水体物理性质和水质状况的监测装置 。 Yang 等 (2002)提出建立水中无线传感器网络开展实时测量的设计 。 中国太湖已经架设了类似的测量仪器 。 Hemond 等(2008)设计了一种半自动实地水化学测量系统用于实时测量湖水的化学性质并实时传输到岸上的数据接收站。这种系统由安装在固定浮标上的传感器和搭载在自动水下潜水器 (AUV)中的传感器联网组成。传感器包括水质探头和温度计以及能够测量甲烷等溶解代谢气体 和常规气体的 NEREUS 水下质谱仪。水下数据传输通过水体定点监测无线传
9、感器网络应用(Yang 等 , 2002) 声学调制解调器实现 ， 水上数据通过使用 IEEE 802. 11b 协议的无线网络实时传送到岸上数据接收站。 还有更多的环境应用如农业环境监测在 11中讨论。 3.防灾防害监测 3.1 火灾信息和救援系统（ SmoKeNet） 每年全世界因为火灾导致人生和财产的损失，加州大学伯克利分校机械工程系开展了“活在信息和救援 12”项目研究，该项目使用的一个叫做 SmoKeNet 的无线传感器网络对发生 事故的大型建筑物内的消防员进行跟踪，并向所有参加救援的人员提供重要信息，包括位置，火源，和健康状况数据等，通过 SmoKeNet 消防员能够迅速判断火源位
10、置，火势怎样蔓延以及对安全路线进行评估， SmoKeNet 由 Telos Sky 节点组成，节点通过多跳路由的方式将数据传送给基点，然后基站以 40Hz 的频率对数据进行广播。 3.2 智能家居报警系统 把无线传感器网络应用到智能家居报警系统中，通过各种传感器实时采集家居的环境信息，以无线的方式将信息传输给家居控制中心，能够补救有线设备的缺陷，具有价廉，可靠性高易 于校正等优点 13.无线传感器网络的智能家居报警网络有门磁开关，红外线传感器，火灾烟感传感器，煤气泄漏传感器，玻璃破碎报警器等传感器网络节点形成一个无线传感器网络，有一个与计算机相连的无线通信模块作为网络的中心节点，可以跟网络中的
11、任何一个网络节点通信，网络节点将家居环境中的参数进行测量，采样，将采样到的数据发往中心节点，并且对中心节点发来的数据，命令进行分析处理，完成相应的操作。进一步的研究和设计思路在 14中详细描述和介绍。 4.工业和生活监测 4.1 用于过程工业的无线传感器网络技术 过程工业 对数据传输的实时性和可靠性有很高的要求，而现阶段过程工业生产现场设备间的数据传输主要还是采用有线方式，例如通过现场总线将控制器，变送器，执行器等现场4 设备连接起来构成控制回路，将无线传感器网络技术用于工业自动化的好处有无需电缆，节省成本，设备的安装，调整和维护更加简便，灵活，有线通信方式无法实施的场所也能得到无线应用的支持
12、。详细的介绍无线传感器网络的可靠性，实时性在 15中讨论 .除此外还有自来水管检测系统，有麻省理工学院做了一个基于无线传感器网络的管道检测系统 16.结构健康监测系统，美国南加州大学的 Wisden17是个基于无线传感器网络的数据采集系统，主要用于建筑结构健康监测。 4.2 日常生活监测 无线传感器网络的应用范围已不仅仅局限于环境和工业监测等领域，很多的应用系统已开始逐渐贴近人们的日常生活应用领域，如医疗保健，行为监测等等。如今，全球的老年人越来越多，医疗保健也就成了关键，目前无线传感器网络的发展使在病人生上部署可穿戴的传感器成为可能， CareNet18是一种用于远程医疗保健的无线传感器网络
13、，使用 Telos 节点，节点上有加速计和陀螺仪，测量老人的运动数据，此项应用减少了医疗的费用 ，高效的利用了临床资源。美国一家大学的 MetroNet1920项目利用无线传感器网络做了一个行人统计监测系统，其目的是采集行人数据进行某些预测，将传感器部署在商店的门和窗户上，从而获得行人的信息，比如某一天的天气如何，顾客经常光顾的商店有哪些等等。 5.总结 WSN 作为一种新的计算机模式正在推动科技发展和社会进步，我国最近几年也开始重视 WSN 的技术研究，在中国未来的 20 年技术预见研究报告中，有 7 项技术课题直接论述了传感网络， 2006 年初发表的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息
14、技术确定了 3个前沿方向，其中有两个与 WSN 研究直接相关。具体的各个方面进展在 2122中介绍 .无线传感器网络技术还有很多的挑战，如数据采集与管理挑战，能源供给有效性的挑战，无线通讯的标准问题，未来传感器的采集将可能不仅是温度等数据，有可能有视觉数据。今后的5-10 年传感器技术将是一个重要的发展，甚至应用在航天领域，更多的其他地方在 23中详解。 参考文献 1BARONTI P,PILLAI P,CHOOK V W C,et al.Wireless sensor networks:a Survey on the state of the art and the 802.15.4 and
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