无线传感器网络技术

2014-2015学年第2学期

物联网技术课程

技术报告

报告题目：无线传感器网络技术的

___应用与发展前景___ _ _ 专业：___软件工程 _________ 班级：

姓名：__ ____ _______

学号：__ __________

任课教师：叶宁

南京邮电大学计算机学院

2015年 3 月 20 日

摘要

随着国内互联网的发展，物联网相关概念也随之进入了人们的视线。物联网是把所有物品通过射频识别等信息传感设备与物联网连接起来，实现智能化识别和管理，是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业的革命性发展，在人类生活和生产服务中具有更加广阔的应用前景。而无线传感器网络技术作为物联网中的一种关键技术，也在人类的生活、军事、空间探索等方面发挥着巨大的作用。

本文介绍了无线传感器网络的定义、背景，并分别讨论了WSN技术在军事、农业、家庭以及环境等方面的应用实例，最后提出了WSN技术在现阶段发展的问题以及在未来更多方面的应用前景。

关键词：无线传感器网络（WSN），应用，远程监控/监测，传感器节点

第一章无线传感器网络概述

1.1无线传感器网络的定义

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络，就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素

1.2无线传感器网络发展背景

1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA 大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。

1.3无线传感器网络的意义

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展进步，包括微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems， MEMS）以及相关的接口、信号处现技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器网络引起了人们的极大关注。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息妙理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理；获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。无线传感器网络系统可以被广泛地应用于国防军事、工业过程控制、国家安全、环境监测等领域。

美国国防刻和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视。在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划，强调战标情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，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，如美国陆军2001年提出了“灵巧传感器网络通信”计划，已被批准为2001财政年度的一项科学技术研究计划．并在2001～2005财政年度期间实施；美国海军最近开展的网状传感器系统CEC （cooperative engagement capability），即使是今天最先进的反舰巡航导弹也会被实时地监测到并被击中。

在民用领域， 2002年，美国 Intel公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。今后，Intel将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。伯克利实验室和大西洋学院的研究人员计划部署和使用无线传感器网络来研究岛上环境。这些传感器由温度、湿度、气压等芯片和红外线传感器组成。科学家们使用这些设备可以在不干扰野生动植物正常生活的情况下监视它们及其生存环境。

英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。学术界的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上，也开展了一些感知数据查询处理技术的研究，取得了一些初步研究结果。

国内研究机构如中科院、清华大学、国防科技大学。电子科技大学、哈尔滨工业大学以及浙江大学等学术团体对传感器网络进行了跟踪研究。

中国计算机学会青年计算机科技论坛于2004年11月在北京召开了中国第一次关于Wireless sensor network的专题报告会。讨论了Wireless sensor network技术及其在中国的发展问题。毋庸置疑，跟踪国外传感器网络技术的发展，并做出开创性的研究工作，对我们国家国防现代化以及实验流体力学的发展也具有重要的意义。

第二章无线传感器网络技术的应用

2.1 WSN在军事方面的应用

2.1.1 战场侦查与监控

战场侦查与监控的基本思想，是在战场上布设大量的WSN，以收集和中继信息，并对大量的原始数据进行过滤；然后把重要信息传送到数据融合中心，将大量信息集成为一幅战场全景图，以满足作战力量“知己知彼”的要求，大大提升指挥员对战场态势的感知水平。

典型的WSN应用方式是用飞行器将大量微传感器节点散布于战场地域，并自组成网，将战场信息边收集、边传输、边融合。系统软件通过解读传感器节点

传输的数据内容，将它们与诸如公路、建筑、天气、单元位置等相关信息，以及其他WSN的信息相互融合，向战场指挥员提供一个动态的、实时或近实时更新的战场信息数据库，为各作战平台更准确地制定战斗行动方案提供情报依据和服务，使情报侦察与获取能力产生质的飞跃。

对战场的监控可以分为对己方的监控和对敌方的监测，包括军事行动侦察与非军事行动的监测。通过在己方人员、装备上附带各种传感器，并将传感器采集的信息通过汇聚节点送至指挥所，同时融合来自战场的其他信息，可以形成己方完备的战场态势图，帮助指挥员及时准确地了解武器装备和军用物资的部署和供给情况。通过飞机或其他手段在敌方阵地大量部署各种传感器，对潜在的地面目标进行探测与识别，可以使己方以远程、精确、低代价、隐蔽的方式近距离地观察敌方布防，迅速、全方位地收集利于作战的信息，并根据战况快速调整和部署新的WSN，及时发现敌方企图和对我方的威胁程度。通过对关键区域和可能路线的布控WSN，可以实现对敌方全天候的严密监控。

2.1.2 目标定位

WSN中感知目标信息的节点将感知信息广播(无线传送)到管理节点，再由管理节点融合感知信息，对目标位置进行判断的过程称为目标定位。目标定位是WSN的重要应用之一，为火力控制和制导系统提供精确的目标定位信息，从而实现对预定目标的精确打击。

由于WSN具有扩展性强、实时性和隐蔽性好等特点，使得它非常适合对运动目标进行跟踪定位，为指挥中心提供被跟踪对象的实时位置信息。WSN的目标定位应用方式可以分为侦测、定位、报告三个阶段。在侦测阶段，每个传感器节点随机“启动”以探测可能的目标，并在目标出现后计算自身到目标的距离，同时向网络广播包括节点位置及与目标的距离等内容的信息。在定位阶段，各节点根据接收到的目标方位与自身位置信息，通过最大似然、三边测量或三角测量等方法，获得目标的位置信息，然后进入报告阶段。在报告阶段，WSN会向距离目标较近的传感器节点广播消息，使之启动并加入跟踪过程，同时WSN将目标信息通过汇聚节点传输到管理节点或指挥所，实现对目标的精确定位。

2003年美国国防高级研究计划局主导的的Network Embed and System Technology项目成功验证了WSN技术的准确定位能力。该项目采用多个廉价音频传感器节点协同定位敌方狙击手，并标识在所有参战人员的个人计算机中，三维空间的定位精度可达1．5 m，定位延迟达2 s，甚至能显示出敌方狙击手采用跪姿和站姿射击的差异，使指挥员和战斗员的作战态势感知能力产生了质的飞跃。

2.1.3 毁伤效果评估

战场目标毁伤效果评估是对火力打击后目标毁伤情况的科学评价，是后续作战行动决策的重要依据。当前应用较多的目标毁伤效果评估系统主要依托于无人机、侦察卫星等手段，但这些手段均受到飞行距离近、过顶时间短、敌方打击威胁或天气等因素的制约，无法全天时对打击目标进行抵近侦查并对毁伤效果做出