【文章內容簡介】 低功耗，甚至在不影響整體性能的情況下適當減少部分功能來實現降低功耗的目的。 除開以上所講兩種發(fā)展趨勢之外，無線傳感模塊的應用和發(fā)展還具有極大的發(fā)展空間和良好的發(fā)展方向。當前對無線傳感模塊的應用都是靜止性的，就目前存在的無線傳 感網絡（ WSN），構成網絡的各個節(jié)點都是被固定的安放在一個地方，要實現對整個環(huán)境的檢測，就需要向環(huán)境中投放大量的無線傳感節(jié)點。這樣一來成本就會非常的高。若實現無線傳感模塊對信息的移動式采集，則在同一個淮安信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文 4 環(huán)境內投放更少的節(jié)點，就能實現對環(huán)境的全面檢測。 正是由于當前能耗對無線傳感模塊的影響，低功耗研究才上升為一個熱點領域，不論是使用電源或者電池供電，在實現低功耗后，無線傳感模塊的發(fā)展趨勢必然是自生能源式的。利用太陽能、振動能量、地熱、風能等實現無線傳感模塊的電能供應對于全面提高無線傳感模塊的能力將會起到巨大的作 用。 最后，基于能力存儲技術的發(fā)展，電池的容量越來越大，再加上低功耗的實現，無線傳感模塊的適用壽命不斷增加將會成為一個絕對趨勢。未來的無線傳感模塊必將是集穩(wěn)定性與安全性、擴展性與靈活性、微型化與低成本等特點為一體的。 第二章 無線傳感器 的概述級結構 5 第 二 章 無線傳感器的概述及結構 無線傳感器的概述 無線傳感器的組成模塊封裝在一個外殼內，在工作時它將由電池或振動發(fā)電機提供電源，構成無線傳感器網絡節(jié)點，由隨機分布的集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的微型節(jié)點，通過自組織的方式構成網絡。它可以采集設備的數字信號通過無線傳感器網絡傳輸 到監(jiān)控中心的無線網關，直接送入計算機，進行分析處理。如果需要，無線傳感器也可以實時傳輸采集的整個時間歷程信號。監(jiān)控中心也可以通過網關把控制、參數設置等信息無線傳輸給節(jié)點。數據調理采集處理模塊把傳感器輸出的微弱信號經過放大，濾波等調理電路后，送到模數轉換器，轉變?yōu)閿底中盘?，送到主處理器進行數字信號處理，計算出傳感器的有效值，位移值等。 圖 21：無線傳感器的結構原理圖 無線傳感器的特點 振動傳感器 每個節(jié)點的最高采樣率可設置為 4KHz，每個通道均設有抗混疊低通濾波器。采集的數據既可以實時無線傳輸至計算機，也可以存儲在節(jié)點內置的 2M 數據存儲器內，保證了采集數據的準確性。有效室外通訊距離可達 300m，節(jié)點功耗僅30mA，使用內置的可充電電池，可連續(xù)測量 18小時。如果選擇帶有 USB 接口的節(jié)點，您既可以通過 USB 接口對節(jié)點充電，也可以快速地把存儲器內的數據下載到計算機里面。 應變傳感器 節(jié)點結構緊湊，體積小巧，由電源模塊、采集處理模塊、無線收發(fā)模塊組成，封裝在 PPS 塑料外殼內。節(jié)點每個通道內置有獨立的高精度 1201000Ω橋路電阻和放大調理電路，可以方便地由軟件自動切換選擇 1/4橋，半橋，全橋測量方式，淮安信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文 6 兼容各種類型的橋路傳感器，比如應變，載荷，扭距，位移，加速度，壓力，溫度等。節(jié)點同時支持 2線和 3線輸入方式，橋路自動配平，也可以存儲在節(jié)點內置的 2M 數據存儲器有效室外通訊距離可達 300 m?？蛇B續(xù)測量十幾個小時。 扭矩傳感器 節(jié)點結構緊湊，體積小巧，封裝在樹脂外殼內。節(jié)點每個通道 內置有高精度1201000Ω橋路電阻和放大調理電路。橋路自動配平。節(jié)點的空中傳輸速率可以達到 250K BPS，有效實時數據傳輸率達到 4K SPS，有效室內通訊距離可達 100米。節(jié)點設計有專門的電源管理軟硬件，在實時不間斷傳輸情況下，節(jié)點功耗僅25mA，使用普通 9V 電池，可連續(xù)測量幾十個小時。對于長期監(jiān)測應用，以 5分鐘間隔發(fā)送一次扭矩值，數年不需要更換電池，大大提高了系統(tǒng)的免維護性。 傳感器的分類 聲音傳感器 聲音的監(jiān)測采用 Panasonic 的全方位電容麥克風 WM62A，它除了被用于普通的 聲音記錄以外，還同蜂鳴器、麥克風、音頻信號的接收放大和解碼電路，一起被用于聲音定位。聲音傳感器模塊的接口電路如圖 3所示。蜂鳴器采用簡單的固定頻率的共鳴器，用于產生固定頻率（如 4KHz）的測距聲波。麥克風接收到的聲音信號兩次經過運算放大器 MAX4466實現兩級放大，輸出信號送到單片機的模數轉換端口，同時該輸出經過有源濾波器 MAX4164連接到音調偵測器LMC567，可以實現聲調解碼，當蜂鳴器所發(fā)出的固定頻率的音調出現，音調偵測器 LMC567就會輸出一個數字高低電平給單片機的中斷端口。 通過這一電路，能夠實現傳 感器節(jié)點間的測距，采用基于聲波和電磁波的到達時間差測距的方法實現節(jié)點間測距，通過測量節(jié)點所廣播的聲波和電磁波到達同一節(jié)點的時間差，進而基于信號傳播速度來確定節(jié)點間的距離。某一節(jié)點激勵蜂鳴器發(fā)聲，且同時廣播電磁信號，當周圍的某個節(jié)點接收到電磁波信號后，定時器開始工作，當該節(jié)點接收到測距聲波時定時器停止工作。由于電磁波的傳播速度很快，定時器測量的時間可以近似認為是聲波在兩節(jié)點間傳播的時間，進而可計算出兩節(jié)點間的距離。然后通過一定的定位算法，可以實現傳感器節(jié)點的自身定位。 加速度傳感器 ADXL202AE 是廉價、低功耗的兩軸加速度傳感器，量程范圍為 2g到 +2g。它可用來測量動態(tài)加速度，也可用來測量靜態(tài)加速度。它具有較高的靈敏度(%/g)，即使用低速計數器來對它輸出的 PWM 信號進行解碼，也可以得到較高的分辨率。 第三章 無線傳感器的應用及分類 7 第 三 章 無線傳感器的應用及分類 無線傳感器技術融合 數據融合是 WSN 中非常重要的一項技術 ,也是目前的一個研究熱點。該技術可以通過一定的算法將傳感器節(jié)點采集到的大量原始數據進行各種網內處理 ,去除其中的冗余信息 ,只將少量的有意義的處理結果傳輸給匯聚節(jié)點。采用數據融合技術能夠大大減少 WSN 中需要傳輸的數據量 ,降低數據沖突 ,減輕網絡擁塞 ,從而有效地節(jié)省能源開銷 ,起到延長網絡壽命的作用。 WSN 中數據融合的作用主要體現在節(jié)省能量、延長網絡生命周期、提高數據收集效率、增強數據準確性以及獲取綜合性信息等方面。 隨著無線傳感器網絡技術的出現和發(fā)展，得到了廣泛的應用，在一個大規(guī)模傳感器網絡系統(tǒng)中，系統(tǒng)常常需要使用和管理數量巨大，種類繁多的傳感器，這帶來了需要專門的線路鋪設，已經無法滿足實際需要，因此無線傳感網絡技術的出現，極大地促進了傳感器網絡的發(fā)展。 傳感器應用包括網絡的拓撲管理規(guī)則，無線路由 協(xié)議，數據壓縮算法以及無線傳感器，在系統(tǒng)解決方案中，傳感器的能量供應完全依靠自身所攜帶的電源因此，系統(tǒng)設計的規(guī)模和計劃尤其顯得重要。它已經在家用電器方面得到利用 ,相信未來將會更加成熟。智能化傳感器是傳感器技術未來發(fā)展的主要方向。在今后的發(fā)展中 ,智能化傳感器無疑將會進一步擴展到化學、電磁、光學和核物理等研究領域。 無線傳感器網絡結構 對于每一類無線傳感器網路應用系統(tǒng)而言 ,在設計和實現時需要開發(fā)的不僅是在應用服務器上的業(yè)務邏輯部分的軟件 ,除此之外 ,還必須要設計處理分布系統(tǒng)所特有功能的軟件 ,而目前的系統(tǒng)軟件 (操作系統(tǒng) ) 都不支持。無線傳感器網絡中間件將使無線傳感器網絡應用業(yè)務的開發(fā)者集中于設計與應用有關的部分 ,從而簡化設計和維護工作。采用中間件實現技術 ,利用軟件構件化、產品化能夠擴展和簡化無線傳感器網絡的應用。無線傳感器網絡中間件的開發(fā)將會使無線傳感器網絡在應用中達到柔性、高效的數據傳輸路徑和局部化的目標 ,同時使整個網絡在整個應用中達到最優(yōu)化。無線傳感器網絡中間件和平臺軟件構成無線傳感器網絡業(yè)務應用的公共基礎 ,提供了高度的靈活性、模塊性和可移植性。 在一般無線傳感器網絡應用系統(tǒng)中 ,管理和信息安全縱向貫穿各個層 次的技術架構 ,最底層是無線傳感器網絡基礎設施層 ,逐漸向上展開的是應用支撐層、應用業(yè)務層、具體的應用領域 —— 軍事、環(huán)境、健康和商業(yè)等。 淮安信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文 8 圖 32： 傳感器網絡節(jié)點功能結構 無線傳感器的應用 隨著人們對于環(huán)境問題的關注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數據也越來越多，無線傳感器網絡的出現為隨機性的研究數據獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數據收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。比如，英特爾研究實驗室研究人員曾經將 32個小型傳感器連進互聯(lián)網，以讀出緬因州 大鴨島 上的氣候，用來評價一種海燕巢的條件。無線傳感器網絡還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農作物的影響，監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應用在細農業(yè)中，來監(jiān)測農作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。 醫(yī)療護理 無線傳感器網絡在醫(yī)療研究、護理領域也可以大展身手。羅徹斯特大學的科學家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個智能醫(yī)療房間，使用微塵來測量居住者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天 24小時的活動狀況。英特爾公司也推出了無線傳感器網絡 的家庭護理技術。該技術是做為探討應對老齡化社會的技術項目 Center for Aging Services Technologies（ CAST）的一個環(huán)節(jié)開發(fā)的。該系統(tǒng)通過在鞋、家具以家用電器等家中道具和設備中嵌入半導體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。利用無線通信將各傳感器聯(lián)網可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理。而且還可以減輕護理人員的負擔。英特爾主管預防性健康保險研究的董事 Eric Dishman稱， 在開發(fā)家庭用護理技術方面，無線傳感器網絡是非常有前途的領域 。 軍事領域 由于無線傳感器網絡具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方面用途。美國國防部遠景計劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學進行 智能塵埃 傳感器技術的研發(fā)。哈伯研究公定位系 統(tǒng) 定位系統(tǒng) 處理器 處理模塊 傳感器 ADC 收發(fā)機 存儲器 能量單元 能量產生器 ＡＤＣ：數模變換器 傳感模塊 第三章 無線傳感器的應用及分類 9 司總裁阿爾門丁格預測：智能塵埃式傳感器及有關的技術銷售將從 2020年的 1000萬美元增加到 2020年的幾十億美元。 目標跟蹤 DARPA 支持的 Ssor IT 項目探索如何將 WSN 技術應用于軍事領域，實現所謂“ 超視距”戰(zhàn)場監(jiān)測。 UCB 的教授主持的 Sensor Web 是 Sensor IT 的一個子項目．原理性地驗證了應用 WSN進行戰(zhàn)場目標跟蹤的技術可行性，翼下攜帶 WSN節(jié)點的無人機 (UAV)飛到目標區(qū)域后拋下節(jié)點，最終隨機布撤落在被監(jiān)測區(qū)域，利用安裝在節(jié)點上的地震波傳感器可以探測到外部日標，如坦克、裝甲車等，并根據信號的強弱估算距離，綜合多個節(jié)點的觀測數據，最終定位目標，并繪制出其移動的軌跡。雖然該演示系統(tǒng)在精度等方面還遠達不到裝備部隊用于實戰(zhàn)的要求，這種戰(zhàn)場偵察模式目前還沒有真正應用于實戰(zhàn)，但隨著美國國防部將其武器系統(tǒng)研制的主要技術目標從精確制導轉向目標感知與定位，相信 WSN 提供的這種新穎的戰(zhàn)場偵察模式會受到軍方的關注。 其他用途 無線傳感器網絡還被應用于其他一些領域。比如一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監(jiān)測。也可以用在交通領域作為車輛監(jiān)控的有力工具。此外和還可以在工業(yè)自動化生產線等諸多領域，英特爾正在對工廠中的一個無線網絡進行測試，該網絡由 40臺機器上的 210個傳感器組成，這樣組成的監(jiān)控系統(tǒng)將可以大大改善工廠的運作條件。它可以大幅降低檢查設備的成本，同時由于可以提前發(fā)現問題 ，因此將能夠縮短停機時間，提高效率，并延長設備的使用時間。盡管無線傳感器技術目前仍處于初步應用階段，但已經展示出了非凡的應用價值，相信隨著相關技術的發(fā)展和推進，一定會得到更大的應用。 淮安信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文 10 圖 33：典型的工作用無線傳感器網絡 無線傳感器的網絡結構 大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內部或附近，能夠通過 自組織方式構成網絡。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數據沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數據可能被多個節(jié)點處理，經過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數據。第 四 章 無線傳感器網絡安全性分析 11 第 四 章 無線傳感器數據融合的系統(tǒng)設計 數據融合技術的概述 所謂數據融合，是將來自多個傳感器和信息源的數據信息加以聯(lián)合、相關和組合，剔除冗余信息，獲得互補信息，以便能夠較精確地估計出節(jié)點的位置和在網絡中的地位，以及對現場情況及其傳送數據的重要程度進行適時的 完整的評價。 對于無線傳感器網絡系統(tǒng)來說，信息具有多樣性和復雜性，因此對數據融合方法的基本要求是具有魯棒性和并行處理能力。由于來自各種不同傳感器的數據信息可能具有不同的特征，于是相應地出現了多種不同的數據融合方法。 圖 41： 數據融合算法 數據融合技術的用途 數據融合技術為先進的作戰(zhàn)管理和 CI系統(tǒng)提供了重要的數據處理技術基礎。數據融合在多信息源、多平臺和 多用戶系統(tǒng) 內起著重要的處理和協(xié)調作用 ，保證了 數據處理系統(tǒng) 各單元與匯集中心間的連通性與及時通