第十一章 无线传感器网络的典型应用【无线传感网络】
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• (2) 武装人员：持械士兵或武装人员，具有一些徒手人员 所不具备的信号特征。
• (3) 车辆：车辆类型的目标可以从热量、地震 动、声音、 电场、磁场、化学、视觉等方面扰动周围环境.。
军事应用
• 下面结合具体的传感器类型介绍目标信号的检测技术： • 声音传感器：这里采用JL1型电子F6027AP麦克风声音传
军事应用--项目系统试验
② 曲棍球冲压罩： 如图所示为曲棍球 冲压罩的剖视图， 它由顶盖、罩身和 底基组成。
军事应用--项目系统试验
③ 锥形罩：锥形罩的结构具有自 动调整姿态和位置的功能
军事应用--项目系统试验
2、试验部署 与实施 沙地直线项目 的研究人员分 别在俄亥俄州 和佛罗里达州 等不同地方进 行了试验。
山体滑坡案例
理论原理 液位传感器:观测地下水深度。倾角传感器：监测山 体的运动状况
山体滑坡案例
理论原理
山体滑坡案例
部署实现
山体滑坡案例
1）传感器节点 2）中继Mote 3）基站 4）MoteWeb:MoteWeb
山体滑坡案例
4．问题与解决方案 1）通信距离
山体滑坡案例
2）能源消耗
信号幅度
地震波
快速傅立叶变换
监测质量要求
能量尺度 选择
传感器选择
多尺度贝叶斯 侦测器
本地决策
系统决策（每秒）
决策融合
地震开始时间估计
地震开始时间 （精确到毫秒）
相应模块位 于基站上
相应模块位 于节点上
控制流
数据流
火山监测系统
火山监测关键技术 传感器节点必须在短时间内执行感知、侦测。必须设计
高效的采样方案。 为了使各个节点能达到最优的本地侦测性能，研究者设 计了一个多尺度贝叶斯模型来进行地震信号能量和频谱 的联合处理以便解决地震的动态性和定位问题。 系统的决策融合模型采用等增益合并模型（equal gain co mbining，EGC）
徒手人员 士兵 车辆
徒手人员 PCP,P 90% PCS,P 1% PCV ,p 0%
士兵 PCP,S 9% PCS,S 95% PCV ,S 1%
车辆 PCP,V 1% PCS,V 4% PCV ,V 99%
军事应用
• (1) 徒手人员：徒手人员类型可以从热量、地震动、声音、 电场、化学、视觉等方面扰动周围环境。
矿井环境监测
3．网络协议 2）基于分簇的TDMA机制MAC协议 由于该传感器网络采用骨干节点、非骨干节点的拓扑 结构，即分簇的拓扑结构，其底层的MAC层协议也 是基于这种分簇的结构设计。
4．定位机制 当井下发生瓦斯泄漏事件时，必须尽快找到瓦斯泄漏 点进行抢修。此时探测到瓦斯浓度最高的节点必然 是距离瓦斯泄漏点最近的节点，该节点要发送位置 信息给管理节点。
感器。 • 被动红外传感器：采用Kube Electronics的 C172型传感器。
wk.baidu.com
军事应用--项目系统试验
如图所示为沙地直线项目研制的传感器节点XSM的封装剖视图。
军事应用--项目系统试验
① 密封罩：表面光滑，具有自动调整 自身位置的能力，可以在节点位置或 姿态变化时，仍然可以完成可靠的探 测和无线通信功能。这种罩体能使光 线照到里面的太阳能电池板上。
山体滑坡案例
火山监测系统
火山监测需要解决以下问题： 动态的震级大小和多变的地震源位置必须由算法进 行正确的处理 低成本的无线传感器的感知能力受限，传感器节点 间必须高效协作，相互配合进行信号处理 降低计算和节点间通讯的开销必须，以保证系统响 应的实时性和维持正常的生命周期
火山监测系统
火山监测结构和方法
火山监测系统
火山监测实验结果
能耗比较
火山监测系统
火山监测实验结果
(a)收包率
(b)误报率
(c)误报率与传感器 选择的关系
住宅能耗监测
Supero包括了智能电表和声/光传感器。 整个系统可分为两层：
第一层，声/光传感器感知信号，侦测可能由用电器 开关引发的事件。传感器对事件的特征进行抽象并 向基站发送事件的信息。 第二层，多模式数据关联，无人值守式事件聚簇， 事件-用电器关联；
军事应用：沙地直线系统
• 该项目的主要功能：目标探测、分类和跟踪。 • 沙地直线项目研制的无线传感器网络节点，被命名为
“超大规模微尘节点”(eXtreme Scale Mote, 简称XSM)。
(a)正面
(b)反面
军事应用
• 下表总结了沙地直线项目要求的传感器探测工作特性和
战术技术指标。C、P、S和V是简记写法。
指标
PD
PFA
TD
PCi, j|i j
PCi, j|i j
x,
y
量值 0.95 0.10 15 见表2 见表2
x, y 2.5,2.5
指标含义 探测概率 错误告警率 探测持续时间（秒） 正确分类率
错误分类率 位置估计误差（米）
军事应用
• 下表所示为目标分类要求的详细技术指标，其中垂直栏 表示实际种类，水平栏表示要求的分类指标。
长（英尺）
宽（英尺）
矿井环境监测
1．无线传感器网络的框架结构，通常包括传感器节点、 汇聚节点和管理节点。
网络系统结构
矿井环境监测
拓扑结构
矿井环境监测
2．节点的软/硬件结构 1）硬件结构
节点硬件结构
矿井环境监测
2）软件结构
矿井环境监测
3．网络协议 1）多径路由机制和SPEED路由协议，可靠的路由 协议主要从以下两个方面考虑： 利用节点的冗余性提供多条路径以保证通信的可靠 性； 建立对传输可靠性的估计机制，从而保证每跳传输 的可靠性。
山体滑坡案例
3）IT系统设计
山体滑坡案例
5．项目总结 美国MEMSIC科技公司的无线传感器网络技术大大提高了 山体滑坡监测工作的效率，无线传感器网络技术不仅使每 个节点便于安装部署，免去了有线接入的繁琐过程，降低 了成本，并且基于Xmesh的网络能够长期稳定、可靠地连 续的工作，保证数据的存储并及时更新。整个系统的工作 模式也可以通过网络随时改变，以灵活适应不同的环境状 态。
无线传感器网络
Wireless Sensor Networks
第十一章 无线传感器网络的典型应用
2020/8/21
1
概述
• 根据应用场景的不同，无线传感器网络的侧重点也不同。
军事领域，系统更侧重安全性和保密性；
环境监测领域，系统更注重延长网络生存时间； 公共安全领域，更注重可靠性，尽量减少误报率和漏报率； 医疗卫生领域，更注重低功耗节点和患者的隐私保护； 工业控制领域，系统更注重数据的可靠性和实时性。
• (3) 车辆：车辆类型的目标可以从热量、地震 动、声音、 电场、磁场、化学、视觉等方面扰动周围环境.。
军事应用
• 下面结合具体的传感器类型介绍目标信号的检测技术： • 声音传感器：这里采用JL1型电子F6027AP麦克风声音传
军事应用--项目系统试验
② 曲棍球冲压罩： 如图所示为曲棍球 冲压罩的剖视图， 它由顶盖、罩身和 底基组成。
军事应用--项目系统试验
③ 锥形罩：锥形罩的结构具有自 动调整姿态和位置的功能
军事应用--项目系统试验
2、试验部署 与实施 沙地直线项目 的研究人员分 别在俄亥俄州 和佛罗里达州 等不同地方进 行了试验。
山体滑坡案例
理论原理 液位传感器:观测地下水深度。倾角传感器：监测山 体的运动状况
山体滑坡案例
理论原理
山体滑坡案例
部署实现
山体滑坡案例
1）传感器节点 2）中继Mote 3）基站 4）MoteWeb:MoteWeb
山体滑坡案例
4．问题与解决方案 1）通信距离
山体滑坡案例
2）能源消耗
信号幅度
地震波
快速傅立叶变换
监测质量要求
能量尺度 选择
传感器选择
多尺度贝叶斯 侦测器
本地决策
系统决策（每秒）
决策融合
地震开始时间估计
地震开始时间 （精确到毫秒）
相应模块位 于基站上
相应模块位 于节点上
控制流
数据流
火山监测系统
火山监测关键技术 传感器节点必须在短时间内执行感知、侦测。必须设计
高效的采样方案。 为了使各个节点能达到最优的本地侦测性能，研究者设 计了一个多尺度贝叶斯模型来进行地震信号能量和频谱 的联合处理以便解决地震的动态性和定位问题。 系统的决策融合模型采用等增益合并模型（equal gain co mbining，EGC）
徒手人员 士兵 车辆
徒手人员 PCP,P 90% PCS,P 1% PCV ,p 0%
士兵 PCP,S 9% PCS,S 95% PCV ,S 1%
车辆 PCP,V 1% PCS,V 4% PCV ,V 99%
军事应用
• (1) 徒手人员：徒手人员类型可以从热量、地震动、声音、 电场、化学、视觉等方面扰动周围环境。
矿井环境监测
3．网络协议 2）基于分簇的TDMA机制MAC协议 由于该传感器网络采用骨干节点、非骨干节点的拓扑 结构，即分簇的拓扑结构，其底层的MAC层协议也 是基于这种分簇的结构设计。
4．定位机制 当井下发生瓦斯泄漏事件时，必须尽快找到瓦斯泄漏 点进行抢修。此时探测到瓦斯浓度最高的节点必然 是距离瓦斯泄漏点最近的节点，该节点要发送位置 信息给管理节点。
感器。 • 被动红外传感器：采用Kube Electronics的 C172型传感器。
wk.baidu.com
军事应用--项目系统试验
如图所示为沙地直线项目研制的传感器节点XSM的封装剖视图。
军事应用--项目系统试验
① 密封罩：表面光滑，具有自动调整 自身位置的能力，可以在节点位置或 姿态变化时，仍然可以完成可靠的探 测和无线通信功能。这种罩体能使光 线照到里面的太阳能电池板上。
山体滑坡案例
火山监测系统
火山监测需要解决以下问题： 动态的震级大小和多变的地震源位置必须由算法进 行正确的处理 低成本的无线传感器的感知能力受限，传感器节点 间必须高效协作，相互配合进行信号处理 降低计算和节点间通讯的开销必须，以保证系统响 应的实时性和维持正常的生命周期
火山监测系统
火山监测结构和方法
火山监测系统
火山监测实验结果
能耗比较
火山监测系统
火山监测实验结果
(a)收包率
(b)误报率
(c)误报率与传感器 选择的关系
住宅能耗监测
Supero包括了智能电表和声/光传感器。 整个系统可分为两层：
第一层，声/光传感器感知信号，侦测可能由用电器 开关引发的事件。传感器对事件的特征进行抽象并 向基站发送事件的信息。 第二层，多模式数据关联，无人值守式事件聚簇， 事件-用电器关联；
军事应用：沙地直线系统
• 该项目的主要功能：目标探测、分类和跟踪。 • 沙地直线项目研制的无线传感器网络节点，被命名为
“超大规模微尘节点”(eXtreme Scale Mote, 简称XSM)。
(a)正面
(b)反面
军事应用
• 下表总结了沙地直线项目要求的传感器探测工作特性和
战术技术指标。C、P、S和V是简记写法。
指标
PD
PFA
TD
PCi, j|i j
PCi, j|i j
x,
y
量值 0.95 0.10 15 见表2 见表2
x, y 2.5,2.5
指标含义 探测概率 错误告警率 探测持续时间（秒） 正确分类率
错误分类率 位置估计误差（米）
军事应用
• 下表所示为目标分类要求的详细技术指标，其中垂直栏 表示实际种类，水平栏表示要求的分类指标。
长（英尺）
宽（英尺）
矿井环境监测
1．无线传感器网络的框架结构，通常包括传感器节点、 汇聚节点和管理节点。
网络系统结构
矿井环境监测
拓扑结构
矿井环境监测
2．节点的软/硬件结构 1）硬件结构
节点硬件结构
矿井环境监测
2）软件结构
矿井环境监测
3．网络协议 1）多径路由机制和SPEED路由协议，可靠的路由 协议主要从以下两个方面考虑： 利用节点的冗余性提供多条路径以保证通信的可靠 性； 建立对传输可靠性的估计机制，从而保证每跳传输 的可靠性。
山体滑坡案例
3）IT系统设计
山体滑坡案例
5．项目总结 美国MEMSIC科技公司的无线传感器网络技术大大提高了 山体滑坡监测工作的效率，无线传感器网络技术不仅使每 个节点便于安装部署，免去了有线接入的繁琐过程，降低 了成本，并且基于Xmesh的网络能够长期稳定、可靠地连 续的工作，保证数据的存储并及时更新。整个系统的工作 模式也可以通过网络随时改变，以灵活适应不同的环境状 态。
无线传感器网络
Wireless Sensor Networks
第十一章 无线传感器网络的典型应用
2020/8/21
1
概述
• 根据应用场景的不同，无线传感器网络的侧重点也不同。
军事领域，系统更侧重安全性和保密性；
环境监测领域，系统更注重延长网络生存时间； 公共安全领域，更注重可靠性，尽量减少误报率和漏报率； 医疗卫生领域，更注重低功耗节点和患者的隐私保护； 工业控制领域，系统更注重数据的可靠性和实时性。