无线传感器网络及其应用.docx

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无线传感器网络及其应用

无线传感器网络概述及应用

目录

摘要2

Abstract3

第一章绪论4

1.1无线传感器网络的发展历程4

1.2无线传感器网络的基本结构6

1.3无线传感器网络的关键性能指标7

1.3.1网络的工作寿命7

1.3.2网络覆盖范围7

1.3.3网络搭建成本的难易程度8

1.3.4网络响应时间8

1.4无线传感器网络的关键技术9

1.4.1QoS保证9

1.4.2数据融合技术10

1.4.3网络安全机制10

1.4.4定位技术11

1.4.5同步管理机制11

1.4.6无线通信网络技术11

1.4.7嵌入式实时系统软件技术12

1.4.8相关的硬件技术12

1.5无线传感器网络的应用范围12

第二章无线传感器网络基础13

2.1无线传感器网络体系结构13

2.1.1无线传感器网络结构13

2.1.2无线传感器网络节点结构13

2.1.3无线传感器网络协议结构模型14

2.2无线传感器网络的特征14

2.2.2无线传感器网络的特点16

2.2.3无线传感器网络的性能评价指标16

第三章智智能交通系统的应用17

3.1无线传感网络在城市智能公交网中的应用优势17

3.2无线传感器网络构建城市智能公交网系统方案设计18

3.3网络节点和网关节点的设计19

结语22

参考文献：

22

摘要

随着社会的不断发展，传感器技术作为获取信息最重要也是最基础的技术得到极大的发展，其应用领域也越来越广。

本文介绍了无线传感器网络的基本结构和特征、关键技术及发展现状和发展趋势，并针对无线传感器网络在城市交通管理方面的应用设计了智能公交系统（IntelligentTransportationSystem,简称ITS），包括ITS的无线传感器网络构建、网络节点软件功能设计、网络节点硬件功能设计等。

关键词无线传感器网络；智能交通系统；交通信息采集；智能公交系统

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentofsociety,thesensortechnologyasthemostimportantinformationisthemostbasictechnologygetsgreatdevelopment,itsapplicationfield,alsomoreandmorewidely.Thispaperintroducesthebasicwirelesssensornetworkstructureandcharacteristics,thekeytechnologyanddevelopmentstatusanddevelopmenttrend,andinthelightofwirelesssensornetworkincitytrafficmanagementapplicationsofIntelligentdesignIntelligentTransportationSystembusSystem（ITS）,abbreviation,includingITSwirelesssensornetworkconstruction,networknodesoftwarefunctiondesign,networknodefunctionalhardwaredesign,etc.

Keywords：

wirelesssensornetwork,Intelligenttransportationsystem,Trafficinformationcollection,Intelligenttransportsystem

第一章绪论

1.1无线传感器网络的发展历程

随着社会的不断发展，各类科学技术也在飞速进步并且深刻地影响着我们的生活环境，很大程度上改善了我们的生活质量。

尤其是信息技术的发展，使得人类置身于信息时代，信息技术在我们生活中变得越来越普遍，也越来越重要。

在众多信息技术中，传感器技术作为获取信息最重要也是最基础的技术得到极大的发展，其应用领域也越来越广。

它作为基础科学出现在物联网、智慧地球等新兴概念中，在后者的研究、发展过程中发挥着举足轻重的作用。

随着现代传感器技术的发展，人们的信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，这些变化推动了无线传感器网络（WirelessSencorNetworks，WSN）的发展。

无线传感器网络是在空间上相互离散的众多传感器互相协作组成的传感器网络系统，使得分布于不同场所的数量庞大的传感器之间实现更加有效、可靠的通信。

无线传感器网络的发展将帮助物联网等前沿科学实现社会生产活动中信息感知能力、信息互通性和智能决策能力的全面提升，进而增强系统性能。

传感器网络经历了一个长期的发展过程。

在20世纪70年代，出现了利用点对点传输技术以及专门的连接传感控制器将传统传感器连接起来，从而构成传感器的雏形，这就是第一代传感器网络。

随着科学技术的不断发展和进步，传感器网络也具有了获取多种信息信号的综合处理能力，采用串、并接口（如RS-232、RS-485）与传感控制器相连，构成具有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。

第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和21世纪初，用能够智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网，成为智能化传感器网络。

第四代传感器网络就是目前的研究热点----无线传感器网络，该网络采用大量具有多功能多信号获取能力的传感器，特别重要的变化是传感器之间的采用无线技术进行连接，从而形成无线传感器网络，这是传感器网络本身发展的一个飞跃。

这将使技术进一步发展，应用范围得到极大的扩展。

传感器网络的发展历程如图1所示。

图1传感器网络的发展历程

无线传感器网络的研究起始于20世纪90年代末期。

自1999年把中间技术引入无线传感器网络中之后，就有很多研究机构开始从不同的侧面进行研究。

而大多数针对无线传感器网络的特性而开展的中间件的开发工作都集中在延长网络的生命期和如何使用网络的有限资源方面。

美国的加州大学伯克利分校、康内尔大学等学校开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究。

由于无线传感器网络的巨大应用价值，它已引起世界许多国家的军事部门、工业界和学术节的极大关注。

从2000年起，国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道；美国自然科学基金委员会于2003年制定了传感器网络研究计划，支持相关基础理论的研究；美国国防部和各军事部都对传感器网络给予了高度重视，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目；美国英特尔公司、微软公司等信息业巨头也开始了传感器网络方面的研究工作；日本、德国、英国、意大利等科技发达国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。

在国内，一些大学和科研机构的研究人员已开始关注这一全新的网络技术，研究进展十分迅速，并取得了较为丰富的研究成果。

特别是进入21世纪后，他们对无线传感器网络的核心问题提出了许多新颖的思想和解决方案。

但是，从总体上说这个领域的研究尚处于一个起步的阶段，已有的研究工作正在为该领域提出越来越多需要解决的问题。

尽管无线传感器网络目前仍处于初步应用阶段，但随着各个关键问题的解决以及传感器节点价格的逐步下降，未来10年内无线传感器网络将得到广泛应用。

1.2无线传感器网络的基本结构

无线传感器网络技术综合了传感器技术、嵌入式技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术，具有多学科高度交叉、技术高度集成的特点。

传感器节点之间通过无线方式，采用自组装多跳的形式组成一个传感器网络，利用各类集成化卫星传感器实施检测、感知和采集各种环境信息或检测对象的信息。

这些收集道德信息以卫星方式通过多跳路径传送大到用户终端，传输过程中会对信息进行各种处理，使其能够满足特定对象的需求，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。

传感器网络可以用最低的成本达到最大的灵活性，可以连接任何有通信需求的终端设备，采集数据或发送指令。

在实际应用过程中，可以将数百个乃至上千个传感器或执行单元设备任意抛撒在所需的场地，经过一段有限的事件，各节点之间可以按照各种协议建立起任意两点之间的信息传播路径，因此可以从其中任何一个传感器单元获取所有其他传感器单元的信息。

同时，由于是无线自组织的双向通信网络，传感器网络能以最大的灵活性自动完成不规则分布的各种传感器与控制节点的组网，同时具有较强的动态调整能力，某些网络还具有一定的移动能力。

无线传感器网络由许多功能相同或不同的无线传感器节点组成，。

在某个应用区域分布着很多的无线传感器网络节点，各节点之间通过无线方式传输信息。

每一个传感器节点包括数据采集模块（传感器、A/D转换器）、数据处理和控制模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）和供电模块（电池、DC/AC能量转换器）等部分，节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或类头结点（Cluster-headNode）角色。

1.3无线传感器网络的关键性能指标

根据无线传感器网络的特有结构及应用的特殊需求，可以总结出无线传感器网络系统的关键性能评价指标。

1.3.1网络的工作寿命

任何一个传感器网络搭建之前首先要考虑的就是系统的工作寿命。

环境数据采集和安全监测应用中的网络节点一般都布置在无人区，常常需要数月甚至几年的工作寿命，长期保持稳定的工作状态显得尤其重要。

影响网络工作寿命的首要因素是能源供给。

每个网络节点必须能够管理自身的能源供给以使网络寿命最大化。

节点的最小工作寿命往往会成为限制网络系统正常工作的重要因素，例如安全监测应用中任意一个节点的失效都可能使系统失效。

在某些应用场合中，网络也可以采用外部电源供电。

多数的应用场合中大部分网络节点还是采用自身供电方式，器能源储备能够维持数年时间，或者这些网络节点能够通过附加设备从所在环境中获取能源，例如太阳能电池和压电转换装置，选择这些供电方式的前提是节点的平均功率足够低。

网络节点无线收发器的功耗是网络系统最主要的功耗，可以通过降低传输信号的功率或者降低无线收发器的工作频率来降低功耗，但不管哪种方法都会影响网络的其他方面的性能。

1.3.2网络覆盖范围

无线传感器网络的第二大性能指标是网络覆盖范围。

对于一个实际网络来说，能够覆盖更大的范围通常是更有意义的事情，而且终端用户使用也会很方便。

在无线传感器网络中，覆盖范围不仅仅局限于单个节点的无线通信距离，因为采用多跳通信技术可以大大扩展网络的覆盖范围，理论上可以无限地扩展网络的范围，但在实际应用中，覆盖范围越大，也就预示着信息传递所经过的节点越多，同时对于处于关键路径的节点来说，需要传输的次数也会越多，从而增加网络节点的功耗，降低网络的工作寿命。

和覆盖范围相关的是网络容纳节点的数量，即可扩张性。

可扩张性是无线传感器网络的一大有点。

网络用户可以先组建很小的网络，随后不断增加传感器节点以采集更多的信息。

1.3.3网络搭建成本的难易程度

网络搭建容易是无线传感器网络的突出优点。

由于无线传感器网络通常可以自组织网络，因此施工人员就无需了解其底层的通信机制，没有经过特别培训的人员也可以在其关心的区域中组建简易的无线传感器网络。

理想情况下，无线传感器网络可以根据任意的节点布置方式自组织网络。

但在实际的应用环境中，不同的场景和目的制约着节点的布置方式，节点不可能任意无限制地布置，所以在搭建网络时，无线传感器网络还应能够自我评定网络组建的性能以及指示潜在的问题，这就要求任意一个节点都可以发现与其