無線傳感器網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡技術 金梧 主要內容 無線傳感器網(wǎng)絡認識 無線傳感器網(wǎng)絡應用 無線傳感器網(wǎng)絡概述 無線傳感器網(wǎng)絡實例 無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展歷程和挑戰(zhàn) 1/42 什么是無線傳感器網(wǎng)絡？ 巨型機說：“我認為全球大概只需要五臺計算機就夠了”； 每個家庭的桌面上都應該有一臺電腦” ; 太大了，應該每人口袋里放一臺” ; 每粒沙子都應該是一臺計算機”。 任務管理中心 星或移動通信網(wǎng)絡等 匯聚節(jié)點 監(jiān)測區(qū)域 傳感器節(jié)點 2/42 傳感器網(wǎng)絡的影響力 傳感器網(wǎng)絡將物理世界和信息技術連接起來 傳感器網(wǎng)絡具有改造社會的潛力，將來廣闊的應用領域使得傳感器網(wǎng)絡成為我們生活中不可缺少的部分 傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)引起國內外科技界和工業(yè)界高度重視 3/42 傳感器網(wǎng)絡的影響力 4/42 傳感器網(wǎng)絡的影響力 改變世界的十大新興技術 5/42 傳感器網(wǎng)絡的影響力 未來四大高技術將掀起新產業(yè)浪潮 6/42 無線傳感器網(wǎng)絡應用 軍事領域 醫(yī)療護理 環(huán)境觀測和預報系統(tǒng) 智能家居 建筑物狀態(tài)監(jiān)控 工業(yè)自動化 7/42 無線傳感器網(wǎng)絡應用 軍事領域 通過飛機或炮彈直接 將傳感器節(jié)點散播 到敵方陣地內部，或者在公共隔離帶部署傳感網(wǎng)絡，就能隱蔽而且近距離的準確收集戰(zhàn)場信息。 例 :傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)成為 美軍事 不可少的一部分。 8/42 無線傳感器網(wǎng)絡應用 9/42 無線傳感器網(wǎng)絡應用 醫(yī)療護理 用于人體的各種 生理數(shù)據(jù) ，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內醫(yī)生和患者的行動，醫(yī)院的藥物管理等。 例：一個可以成像的 特殊發(fā)送器芯片 與精巧設計的超低功率無線技術結合，就可以實現(xiàn)可用于一個胃腸道診斷的微型吞服攝像膠囊。患者吞下維 囊經(jīng)過食道、胃和小腸時就可將圖象廣播出來。膠囊由一個攝象機、 池、特制芯 片和天線組成。 10/42 智能醫(yī)院 在病人身上安裝帶有射頻標簽的微型無線傳感器，動態(tài)感知病人信息。 智能醫(yī)院 病房外的醫(yī)生攜帶 智能醫(yī)院 得知病人病情后，醫(yī)生將 通知值勤護士或者急救人員前往病房救助。 無線傳感器網(wǎng)絡應用 環(huán)境觀測和預報系統(tǒng) 無線傳感器網(wǎng)絡可以用于檢視農作物 灌溉 情況、土壤 情況、牲畜和家禽的環(huán)境狀況和大面積的 地表 監(jiān)測、 氣象 和 地理 研究、 洪水 監(jiān)測等。 例： 水水位和土壤水分，并依此預測爆發(fā)山洪的可能性 。 15/42 了 解 火 山 習 性 研 究 鳥 類 習 性 海洋環(huán)境監(jiān)測 無線傳感器網(wǎng)絡應用 16/42 I n t e r n e ：大棚基地倉 庫大棚基地大棚基地大棚基地大棚基地大棚基地大棚基地大棚基地倉 庫農 場 監(jiān) 控 端傳 感 器 節(jié) 點農 田無 線 信 道公 司 總 服 務 器溫度 濕度 光照 紫外線 無線傳感器網(wǎng)絡應用 地溫 土壤水分 土壤鹽分 土壤水勢 17/42 無線傳感器網(wǎng)絡應用 智能家居 家電和家具中 嵌入傳感器節(jié)點 ，通過無線網(wǎng)絡與人提供人性化的家居環(huán)境。 例： 供一個只有 1立方英寸大小的產品。這個微型的無線視頻平臺包含有一節(jié)電池、無線電、攝像相機、 (彩色成像器加鏡頭 )、控制器、天線和溫度傳感器。 18/42 智能家居 監(jiān)測節(jié) 點 智能家居 穿戴有數(shù)據(jù)衣等感知設備的人體感知到人體狀況異常時，會向房間內的節(jié)點發(fā)出信號。 無線傳感器網(wǎng)絡應用 建筑物狀態(tài)監(jiān)控 利用傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控建筑物的安全狀態(tài)。 例： 載橋梁 上安裝了一套該公司研制的系統(tǒng)，將位移傳感器安裝在鋼梁上用來測量 靜態(tài)和動態(tài)應力 ，并通過 無線網(wǎng)絡 來采集數(shù)據(jù)。該無線系統(tǒng)可以保留在橋梁上用于長期監(jiān)測橋梁是否處于正常受控狀態(tài) 。 21/42 無線傳感器網(wǎng)絡應用 22/42 工業(yè)自動化 隨著企業(yè)效益和自動化的提高，無線傳感器網(wǎng)絡（ 廣泛應用到生產中， 房監(jiān)控、 高壓電纜 檢測、 煤礦 生產現(xiàn)場以及 設備故障 檢測，在生產中 幫助現(xiàn)場點檢人員及時發(fā)現(xiàn)設備故障，避免事故的發(fā)生，創(chuàng)造了潛在的經(jīng)濟價值 。 無線傳感器網(wǎng)絡應用 23/42 無線傳感器網(wǎng)絡應用 24/42 監(jiān)控人員發(fā)現(xiàn)廠房設備及環(huán)境有異常情況時，通知相關負責人迅速到達故障地點。 無線傳感器網(wǎng)絡應用 25/42 無線傳感器網(wǎng)絡概述 計算機網(wǎng)絡 指將地理位置不同的具有獨立功能的 多臺計算機及其外部設備，通過 通信線路 連接起來，在網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡管理軟件及網(wǎng)絡通信協(xié)議的管理和協(xié)調下，實現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計算機系統(tǒng)。 無線網(wǎng)絡 利用 無線電波作為信息傳輸?shù)拿浇?構成的無線局域網(wǎng) 有線網(wǎng)絡的用途十分類似，最大的不同在于傳輸媒介的不同，利用無線電技術取代網(wǎng)線，可以和有線網(wǎng)絡互為備份。 26/42 什么是無線傳感器網(wǎng)絡？ 無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內的大量的傳感器節(jié)點 組成，通過 無線通信方式 形成的一個多跳的、自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知的對象信息，并發(fā)給觀察者 27/42 無線傳感器的實體 傳感器節(jié)點 感知、計算、通信 體積小，能耗低 連接傳感器網(wǎng)絡與 現(xiàn)兩種協(xié)議之間的轉換 發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，轉發(fā)收集到的數(shù)據(jù)。 28/42 無線傳感器網(wǎng)絡特點 大規(guī)模網(wǎng)絡 自組織網(wǎng)絡 動態(tài)性網(wǎng)絡 可靠性網(wǎng)絡 大規(guī)模性包含兩個方面： 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點分布區(qū)域廣 在一個區(qū)域不大的空間內密集部署大量節(jié)點 能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡協(xié)議自動形成轉發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的 多跳無線網(wǎng)絡系統(tǒng) 。 29/42 線傳感器網(wǎng)絡 自組織網(wǎng)絡 能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡協(xié)議 自動形成轉發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。 30/42 無線傳感器網(wǎng)絡特點 大規(guī)模網(wǎng)絡 自組織網(wǎng)絡 動態(tài)性網(wǎng)絡 可靠性網(wǎng)絡 傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障或失效 無線通信鏈路帶寬變化 傳感器節(jié)點、感知對象和觀 察者之間的移動 新節(jié)點的加入 31/42 線傳感器網(wǎng)絡 動態(tài)性網(wǎng)絡 32/42 工程應用實例 L L X L L L L L 冷軋廠 3#連退爐區(qū) 軸承溫度監(jiān)測 系統(tǒng) 無線傳感器網(wǎng)絡廣泛應用于工業(yè)自動化，尤其是設備狀態(tài)監(jiān)測 ，可以通過傳感器檢測設備的運行情況，發(fā)現(xiàn)設備潛在的危險，提前做出反應。 33/42 傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的特點 有線連接 有源供電 存在的主要困難 對于 移動和旋轉 設備，應用受限 對于 分布區(qū)域廣 的監(jiān)測對象，布線復雜、成本增加、可擴展性差，可維護性差 信號長距離傳輸 常會引入噪聲干擾，可靠性降低 高溫 /高危 等環(huán)境中監(jiān)測節(jié)點和線路的維護 臨時監(jiān)測節(jié)點 與監(jiān)控系統(tǒng)之間通信 工程應用實例 34/42 鞍鋼冷軋廠 3#線連退爐區(qū) 軸承溫度遠程監(jiān)測系統(tǒng) 是無線傳感器網(wǎng)絡技術在工業(yè)生產中的典型應用范例。 冷軋廠連退爐區(qū)現(xiàn)場 現(xiàn)場需求 監(jiān)測空間： 200m 20m 30m 監(jiān)測點數(shù)： 406個 傳感器工作時間： 10個月以上 采樣間隔 : 最快 5分鐘 一次 工程應用實例 35/42 數(shù)據(jù)采集部分共有 三層結構 ： 測溫節(jié)點 將采集到溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到 簇頭節(jié)點 ，之后匯集到 匯聚節(jié)點 ，再通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程監(jiān)測服務器，用戶通過企業(yè)內部局域網(wǎng)和客戶端程序可以實時查看軸承溫度情況。 工程應用實例 測溫節(jié)點 簇頭節(jié)點 匯聚節(jié)點 36/42 系統(tǒng)架構及組成 遠 程 監(jiān) 測 服 務 器3 # 線 局 域 網(wǎng)交 換 機匯 聚 節(jié) 點中 繼 節(jié) 點中 繼 節(jié) 點備 份 中 繼 節(jié) 點 測 溫 節(jié) 點 節(jié) 點 2測 溫 節(jié) 點 1測 溫 節(jié) 點 節(jié) 點 2測 溫 節(jié) 點 1交 換 機C / S 客 戶 端 1 C / S 客 戶 端 n B / S 客 戶 端 1 B / S 客 戶 端 中 繼 節(jié) 點冷 軋 廠 局 域 網(wǎng)C / S 客 戶 端 1 C / S 客 戶 端 n B / S 客 戶 端 1 B / S 客 戶 端 匯 聚 節(jié) 點網(wǎng) 絡 1網(wǎng) 絡 2報 警 中 繼 節(jié) 點報 警 中 繼 節(jié) 點工程應用實例 37/42 工程應用實例 38/42 故障時間： 2008年 1月 6日 故障現(xiàn)象： 軸承座溫度值較高且呈上升趨勢。 故障原因： 快冷段冷卻風機在長時間高溫和滿負荷的運行 處理方法： 增加了一臺軸流風機，對設備進行冷卻 處理效果： 溫度逐漸恢復正常，避免了研磨的發(fā)生 工程應用實例 39/42 無線傳感器網(wǎng)絡面臨的挑戰(zhàn)