無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(數(shù)據(jù)庫)

時間：2022-11-29 20:30:01 | 來源：信息時代

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    無線傳感器網(wǎng)絡(luò) : 由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的,通過無線通信方式形成的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),主要用于收集和處理從各個傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)。
隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和無線通信等技術(shù)的快速發(fā)展,傳感器能夠在微小體積內(nèi)將信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能集成為一體。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù),能夠協(xié)作地實(shí)時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境信息,并對這些信息進(jìn)行處理,獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息,傳送到需要這些信息的用戶。
無線傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式形成一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要由四部分組成: 包括數(shù)據(jù)感知模塊、數(shù)據(jù)處理與控制模塊、無線通信模塊、能量供應(yīng)模塊(如圖1所示)。

圖1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)感知模塊主要用來感知監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的信息,并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換; 數(shù)據(jù)處理與控制模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分的工作,對感知部件獲取的信息進(jìn)行必要的處理和存儲、保存,并控制感知部件和電源的工作模式,有時還要處理其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù);無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信;能量供應(yīng)模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的一個非常重要的部分,它為傳感器節(jié)點(diǎn)提供工作所需的能量,一般采用微型電池進(jìn)行能量供應(yīng)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示,通常由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)(也稱為接收發(fā)送器(sink)或基站(base station))、Internet或通信衛(wèi)星、任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)等構(gòu)成。
通常大量的傳感器節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)散布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近,它們通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。感知數(shù)據(jù)通過“多跳”的方式在傳感器節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行傳輸,并不斷地被傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理,最后被傳送到匯聚節(jié)點(diǎn),匯聚節(jié)點(diǎn)通過Internet或通信衛(wèi)星把數(shù)據(jù)返回給用戶。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn):
(1)大規(guī)模性:在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點(diǎn),其數(shù)量可以達(dá)到成千上萬,要比專用網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)大幾個數(shù)量級。
(2)資源有限性: 具體包括: ①通信能力有限:傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)間帶寬資源有限且穩(wěn)定性差。通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米,節(jié)點(diǎn)之間的通信易受干擾,經(jīng)常導(dǎo)致通信失敗。②電源能量有限: 傳感器節(jié)點(diǎn)的電源能量極其有限,網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)的電源能量消耗導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)經(jīng)常失效或廢棄。③計(jì)算能力有限: 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器都配備嵌入式處理器和存儲器,具有有限的計(jì)算能力,可以完成一些基本的信息處理工作。
(3) 網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性: 網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、感知對象和觀察者都可能具有移動性,加之物理環(huán)境不確定性的影響,使整個系統(tǒng)呈現(xiàn)高度的動態(tài)性。傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因?yàn)橄铝幸蛩囟淖? ①外界環(huán)境干擾或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效。②環(huán)境因素變化導(dǎo)致的無線通信鏈路帶寬變化、網(wǎng)絡(luò)延遲、低信號傳輸質(zhì)量。③傳感器、感知對象和觀察者三要素都可能具有移動性。④網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化,例如,新節(jié)點(diǎn)的加入和能量耗盡節(jié)點(diǎn)的失效。
(4)網(wǎng)絡(luò)自組織性:網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)各自的行為,啟動后就可以快速、自動地組成一個獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)中沒有嚴(yán)格的控制中心,所有節(jié)點(diǎn)地位平等,是一個對等式網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,則需通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。
(5)節(jié)點(diǎn)可靠性:傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有一定的魯棒性和容錯性。在惡劣的環(huán)境下或人類不宜到達(dá)的區(qū)域,傳感器節(jié)點(diǎn)可能遭受暴曬、風(fēng)吹、雨淋,甚至遭到人為或動物的破壞。傳感器節(jié)點(diǎn)往往采用隨機(jī)部署,如通過飛機(jī)拋撒或炮彈發(fā)射到指定區(qū)域進(jìn)行部署。這些都要求傳感器節(jié)點(diǎn)堅(jiān)固,不易損壞,適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。同時傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信保密性和安全性也十分重要,要防止監(jiān)測數(shù)據(jù)被盜取或獲取偽造的監(jiān)測信息。
(6)應(yīng)用多樣性:不同的應(yīng)用背景對傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求不同,其硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必然會有很大差別,所以傳感器網(wǎng)絡(luò)不能像Internet一樣,有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺。不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用雖然存在一些共性問題,但在開發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,更關(guān)心傳感器網(wǎng)絡(luò)的差異。只有讓系統(tǒng)更貼近應(yīng)用,才能做出更高效的目標(biāo)系統(tǒng)。針對每一個具體應(yīng)用來研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),這是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的顯著特征。
(7)數(shù)據(jù)中心性:在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,用戶感興趣的是傳感器感知的數(shù)據(jù),而不是傳感器本身。其基本思想是: 把傳感器視為感知數(shù)據(jù)流或感知數(shù)據(jù)源,把傳感器網(wǎng)絡(luò)視為感知數(shù)據(jù)空間或感知數(shù)據(jù)庫,把數(shù)據(jù)管理和處理作為網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用目標(biāo)。
針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的特殊性,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)也相應(yīng)地在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的存儲和組織、查詢技術(shù)等方面提出了不同的要求,包括感知查詢語言、連續(xù)查詢處理技術(shù)、網(wǎng)內(nèi)聚集技術(shù)、區(qū)域查詢、近似查詢處理、感知數(shù)據(jù)收集、異常事件檢測、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期、感知數(shù)據(jù)空間關(guān)聯(lián)性和感知數(shù)據(jù)時間關(guān)聯(lián)性。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在軍事、家庭、環(huán)境、健康等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在軍事方面,利用傳感器網(wǎng)絡(luò)及時、準(zhǔn)確地探測爆炸中心將會為軍隊(duì)提供寶貴的反應(yīng)時間,從而最大程度地減小傷亡。傳感器網(wǎng)絡(luò)也可避免核反應(yīng)部隊(duì)直接暴露在核輻射的環(huán)境中,例如,傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為軍事命令、控制、通信、計(jì)算、情報(bào)、監(jiān)視、搜查、目標(biāo)打擊系統(tǒng)(簡稱為C4ISRT)必不可少的一部分。
在建筑方面,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可用來監(jiān)控建筑物的安全狀態(tài)。美國加州大學(xué)伯克利分校的環(huán)境工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)家們采用傳感器網(wǎng)絡(luò),讓大樓、橋梁和其他建筑物能夠感測到自身的狀況,提高對建筑物的安全監(jiān)控能力。
在環(huán)保方面,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用包括跟蹤候鳥和昆蟲的遷移,分析環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響,監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等,還可以用于行星探測、氣象和地理研究、洪水監(jiān)測等。
在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護(hù)理方面,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用包括監(jiān)測人體的各種生理數(shù)據(jù),跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動,管理醫(yī)院的藥品等。
在家庭應(yīng)用方面,無線傳感器的應(yīng)用正在逐步滲透到千家萬戶。如,在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點(diǎn),提供對家庭設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)控與遙控,為人類提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環(huán)境。