无线传感器系统设计文献综述


    线传感器系统设计文献综述
     引言
    现代信息技术三基础传感器技术通信技术计算机技术分完成信息采集传输处理传感器网络三种技术结合起实现信息采集传输处理真正统传感器网络认21 世纪重技术[1]会类未生活方式产生深远影响2003年2 月份美国技术评(Technology Review)杂志评出类未生活产生深远影响十新兴技术中传感器网络名列第1998 年美国先进国防研究项目局(DARPA)研究项目中第次提出线组织传感器网络概念[2]年着线通信微处理器微机电系统(MEMS)等技术发展传感器网络
    技术逐步走成熟应越越广目前国许关传感器网络方面研
    究成果总体讲处起步阶段传感器网络技术发展整国家社会济具重战略意义
    二.线传感器网络基原理
    21 线传感器网络概念
    线传感器网络散布工作区域中量体积成低具线通信传感数处理力传感器节点组成节点具感知形态例声纳震动波红外线等节点完成目标信息采集传输决策制定实施实现区域监控目标踪定位预测等务节点具存储处理传输数力通线网络传感器节点间相互交换信息信息传送远程端传感器网络量节点组成加强节点控制设置基站获取传感器节点位置信息探测目标信息等传感器感知象观察者传感器网络三基素线线网络传感器间传感器观察者间通信方式传感器观察者间建立通信路径协作感知采集处理发布感知信息传感器网络基功组功限传感器协作完成感知务传感器网络重特点传感器网络中部分全部节点移动传感器网络拓扑结构会节点移动断动态变化节点间Ad Hoc 方式进行通信节点充路器角色节点具备动态搜索定位恢复连接力观察者传感器网络户感知信息接受应者观察者计算机设备传感器网络观察者观察者传感器网络户观察者动查询收集传感器网络感知信息动接收传感器网络发布信息观察者感知信息进行观察分析挖掘制定决策感知象采取相应行动感知象观察者感兴趣监测目标传感器网络感知象坦克军队动物害气体等感知象般通表示物理现象化学现象现象数字量表征温度湿度等传感器网络感知网络分布区域象象传感器网络感知
    22 线传感器网络节点结构
    传感器网络节点般数采集单元数处理单元数传输单元组成]数采集单元包括传感器AD 转换设备负责目标信息采集传感器根目标特定采传感形态声纳超声波红外温度烟雾等数处理单元般单片机微处理器嵌入式操作系统应软件等组成负责采集目标信息进行处理节点位置信息采集目标信息目标信息空间时间变量综合分析然处理结果送数传输单元存储里算法实现目标识踪定位等移动节点根分析结果运动机构机器进行控制着目标方前进数传输单元般线收发模块组成负责数接收发送节点间通信节点基站间通信
    三.线传感器网络应
    目前传感器网络已获广泛应说已覆盖社会领域文选择中重领域简单介绍
    31 军事防御
    军事传感器网络探测获取敌军情报战场情况复杂果收集敌方情报危险通传感器网络放置敌军阵安全获精确信息时容易敌军察觉士兵装备军火加装传感器供识分清敌防止误
    * 监控战场状态通飞机空投等方式量廉价微型传感器节点散布预定区域通传感器节点实时监测周围环境变化监测数通卫星信道等方式发回基样实时监控战场状态
    *踪射击象位置通传感器节点射击象踪定位实现精确制导
    *探测判定化学生物放射核子等物质攻击利传感器网络时准确判断否生化武器核武器攻击确定生化源爆炸中心位置军队提供反应时间减伤亡
    32 环境监测
    目前环境状况逐渐恶化已引起广泛关注加强环境研究防止进步恶化具重意义环境监测包括方面:
    * 监测原森林海洋等环境变化
    *  提供遭受化学污染位置检定出化学污染种类避免工作员险进入受污染区域
    * 灾害判定
    * 监测空气污染水污染土壤污染
    * 生态监控例生物栖息觅食惯
    33 医疗卫生
    *  佩戴病身血压心率等项健康指标进行实时监测
    * 作隔离病房监控设备减少医生护士进病房次数
    34 反恐抗灾
    美国911 事件发生反恐成国普遍关注问题反恐问题时收集信息加强周围环境监测够时效应突发事件传感器网络技术应反恐问题效放置恐怖袭击事件发生外工业制造交通控制空间探索源食品安全等领域中应赘述
    四.研究现状
    传感器网络巨应价值已引起世界许国家军事部门工业界学术界极**注美国国防部军事部门传感器网络予高度重视C4ISR 基础提出C4KISR 计划[4]强调战场情报感知力信息综合力信息利力传感器网络作重研究领域设立系列军事传感器网络研究项目美国英特尔公司美国微软公司等信息工业界巨头开始传感器网络方面工作纷纷设立启动相应行动计划日英国意利巴西等国家传感器网络表现出极兴趣纷纷展开该领域研究工作线传感器网络复杂系统全面研究系统困难选取中特定方面进行专门研究面方面重点介绍目前研究进展情况
    41 目标踪
    传感器网络进行目标踪研究始20 世纪80 年代末美国等发达国家提高军事情报力改进战斗系统生存力开始着手该应课题研究
    根时期典型代表踪网络研究
    分阶段:
    集中式踪 集中式踪诞生20 世纪90 年代早踪方法该方法采数中心网状结构[5]监控区域节点处活动状态定采样频率更新读数读数符合某预设条件时认该节点探测踪目标控制单元发送事件信息数处理器收集数计算出物体位置速度等参数该方法信息载问题突出量资源消耗严重没发展进方法取代层次式踪 集中式踪基础发展层次式踪该方法采树型结构连接传感器根传感器节点量级性特点位置分布进行等级划分根节点户端直接相连负责接收回应户查询叶节点负责运动物体监测数传送务余节点充中间节点收集存放探测物体前位置信息层次式踪提出效缓解通信量问题研究指引道路分布式踪出现晚层次式踪目前研究广成熟种踪方法传感器节点理位置划分成许单元单元负责指挥节点发送信息理节点运动物体进入感知区域时单元
    节点会活跃起探测信息数汇总理节点理节点数传送处理器进行位置估算轨迹预推分布式踪方法出现解决型踪网络部分难题着规模传感器网络需求断增加该方法遇瓶颈
    动态访问式踪 技术研究切忌固守陈规踪网络样然网络布局量效率问题成规模网络中困扰研究者索性网络掉利节点移动实现网络功提出动态访问划时代新概念动态访问式传感器网络两部分组成:传感器负责探测基通信动态访问端(:驾驶飞行器)传感区域四处活动传感器收集信息外限区域目标踪值关注课题判断踪网络坏两项基标准踪质量量消耗精确踪结果需消耗量资源味减耗会影响踪质量矛盾间找权衡办法成传感器网络目标踪研究重点
    42 扩散控制
    关扩散控制研究解决三方面应问题:(1)辐射源引起辐射区域安全边界界定(2)受毒扩散源污染水域毒区域表面边界界定区域控制(3)受生化污染空气毒区域三维边界界定
    区域控制传感器节点空中陆水中移动装载化学中剂受污染区域控制研究扩散程首先反应扩散程进行
    建模般种偏微分方程描述然设定传感器节点空间坐标位置传感器进行采样求采样值时间空间分布状况根采样值扩散进行预测时控制传感器节点运动扩散程进行控制
    43 目标定位
    传感器网络中项重应技术目标定位目标定位通GPS 系统进行全局定位身定位文介绍身定位1992 年AT&T Laboratories Cambridge 开发出室定位系统Active Badge 研究者直致力领域研究事实已许系统算法[8]够解决传感器网络身定位问题种系统算法解决问题支持应定位物理现象网络组成
    量需求基础设施时空复杂性等许方面目前止传感器网络身定位系统算法研究致两阶段第阶段偏重紧密耦合型基基础设施定位系统代表性研究成果包括RADARActive BatActive BadgeRadio CameraActive OfficeEasy LivingSpotONHiBall TrackeParc TABSmart FloorSmart Rooms
    3DiDWhereNet 等第二阶段松散耦合型须基础设施定位技术研究目前已成线传感器网络领域热点目前定位算法: SPA( selfpositioningalgorithm)相定位算法凸规划定位算法DVHop 定位算法DVdistance 定位算法Euclidean 定位算法DVcoordinate 定位算法DVBearing DVRadial 定位算法等未热点研究方方面:(1)定位算法性评价模型化量化(2)建立标准仿真技术仿真系统模拟定位算法实现(3)成千万节点组成规模超规模网络身定位问题低成(时空功耗价格)[9]
    高精度实现(4)移动网络环境具调整性定位算法实现
    五.未发展趋势
    总说未传感器网络研究方:
    (1)节点微型化
    利现微机电微线通信技术设计微体积长寿命传感器节点重研究
    方伯克利学研制尘埃传感器节点传感器降低立方毫米传感器颗粒悬浮空中
    伯克利学传感器网络节点
    (2)寻求系统节策略
    线传感器网络应特殊场合时电源更换功耗问题显关重现国外节点低功耗问题已取研究成果提出低功耗线传感器网络协议未会取更进步
    (3)低成
    传感器网络节点数量非常成千万传感器网络达实化求节点价格控制1 美元现传感器节点造价约80 美元左右果够效降低节点成会推动传感器网络发展
    (4)传感器网络安全性问题抗干扰问题
    普通网络样传感器网络样面着安全性考验利较少量较计算量完成数加密身份认证等破坏受干扰情况完成执行务重研究课题
    (5)节点动配置
    未着重研究量节点定规组成网络中某节点出现错误时网络够迅速找节点影响网络正常配置冗余节点必
    参考文献
    [1] N Gross 21 ideas for the 21st century[J] Business WeekAug 30 1999 78167
    [2] Chong CheeYee Kumar Srikanta P Sensor NetworksEvolution Opportunities and Challenges[J] Proceedingsof the IEEE Vol 91 No 8 August 2003
    [3] 孙雨耕 张静 孙永进 房晖 线组传感器网络[J] 传感技术学报20046(2) 331335
    [4] 李建中 李金宝石胜飞 传感器网络数理概念问题进展[J] 软件学报 2003  14(10)17171727
    [5] 肖健吕爱琴陈吉忠等 线传感器网络技术中关键性问题[J] 传感器世界200410(7)
    陈雄博士复旦学电子工程系副教授智控制研究室研究方智控制理机器路径规划线传感器网络等杜书复旦学电子工程系硕士研究生研究方线传感器网络嵌入式系统

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