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无线传感器网络

  1. 国内外无线传感器研究现状

无线传感器网络的发展可以追溯到20世纪70年代的传统无线传感器系统。当时美军开发的热带树传感器,这种早期的无线传感器系统,其特点是传感器节点只能收集数据,没有计算能力,无法相互通信。线传感器网络的现代研究起源于1987年美国国防部高级研究计划管理局(DARPA)分布式传感器网络为美军开展(Distributed Sensor Networks,DSNs)在此之前,由美国高级研究计划部署(ARPA)领导的名为 ARPANET(Advanced Research Projects Agency Network)分布式网络已经运行了很多年,分布在美国大学和研究机构 200 由节点组成。1998 2000年,加州大学洛杉矶分校 Gregory J.Pottie 教授从网络研究的角度重新定义和阐述了无线传感器网络的科学意义,掀起了无线传感器网络研究的新浪潮。研究热点主要分为三个方面:网络技术、动态网络信息处理技术和新传感器节点的研发。如今,无线传感器网络被公认为21世纪最重要的技术之一。自21世纪以来,无线传感器网络在世界上受到了更多的关注。2002年美国sandia美国自然科学基金委员会于2003年制定了基于无线传感器网络的地铁和车站环境监测系统,以防止生化武器的攻击;传感器网络研究中心在加州大学洛杉矶分校成立;康奈尔大学、南加州大学等大学专注于无线传感器网络通信协议的研究,并提出了各种链络层和传输层通信协议。此外,欧洲和日本的一些大学和研究机构也开展了无线传感器网络的研究,并取得了相应的研究成果

无线传感器网络感器网络也被列为国家战略研究项目之一。无线传感器网络技术在中国得到了广泛的应用。例如,中石油公司利用物联网技术大规模建设智能油田,其中一个重要环节是利用无线传感器网络监控油井的产量和生产安全。除国际自然基金外,9733 中国科学院、清华大学、浙江大学、东南大学、南京邮电大学、北京邮电大学等国家重点基础研究机构也开始对无线传感器网络进行研究,生产了许多高标准、高质量、多研究项目和期刊论文。

  1. 研究无线传感器网络定位技术

根据无线传感器定位技术的研究WSN中间节点定位过程是否需要测量节点之间的距离,分为两类。一是明确网络中节点之间的准确距离或角度,然后基于测距的高成本、高定位精度,采用三边测量法或三角关系定位(Range-Based)定位算法。另一种是根据网络中每个节点之间的通信情况,直接记录锚节点与其他节点之间的跳跃值,无需额外的节点硬件支持,然后估计节点之间距离测量(Range-Free)定位算法。定位技术不需要测量节点之间的距离或方位, 定位只能根据网络连通性等信息来实现, 降低了节点对硬件的要求, 虽然测量精度低, 但基本上可以满足大多数应用程序的要求。

基于测距的定位算法主要包括包括:(Angle of Arrival, AOA)的定位、

基于到达时间(Time of Arrival, TOA)基于到达时间差的定位(Time difference of Arrival, TDOA)基于信号接收强度指示的定位和定位(Received Signal Strength Indicator, RSSI)的定位。无需测距的定位算法包括:Amorphous 算法,质心算法,APIT 算法以及 DV-Hop算法等。

与两种定位算法相比,前者的定位精度较高,但由于硬件条件、成本和功耗的限制,在功耗和成本较低的领域难以应用。后者对硬件条件要求不高,计算简单,但由于定位精度低,适用范围有一定的限制。

  1. 无线传感器网络定位技术应用研究

目前,无线传感器技术用于以下主要领域:

(1)军事领域

无线传感器网络本身就是起源和军事需求。在当代信息战争中,利用传感器体积小、隐蔽性好、监控区域部署大的优势,可以通过空投隐蔽、安全部署,在敌后地区实施广泛、长期的战略和战术侦察任务,监控敌方武器装备的部署、跟踪和识别具体目标。这样,指挥官将获得更多更丰富的信息,最大限度地减少伤亡。

(2)医疗卫生

由于无线传感器网络的实时性和丰富性,越来越多的医疗机构投资WSN 由于传感器小型化技术的发展,研究人员设计了各种基于传感器的应用 WSN可穿戴医疗系统在患者中放置多个微型医疗传感器,实时监测血压、心率、心电图、体温、脉搏等生理指标,不影响患者的日常生活,医务工作者很容易收集大量患者的生理信息,做出更全面的判断,制定更好的治疗方案。

(3)环境监测

随着经济的不断发展和人口的扩大,近年来我国雾霾污染严重影响了居民的日常出行和身心健康。每当雾霾爆发时,医院呼吸道患者人满为患。因此,部署用于监测 PM2.5 无线传感器网络势在必行。同时,在沙漠、原始雨林等人迹罕至的地区,使用无线传感器网络进行动植物、水土和气候勘测可以大大降低人力消耗。

(4)工业

无线传感器网络在工业领域也有着广阔的应用前景,在人类无法生存的环境中仍然可靠地工作,无需人工干预带来的优良安全优势。例如,在富含有毒气体的地下开采中,部署传感器节点实时监测有毒气体含量和其他空气指标,部署传感器网络监测各区域的放射性物质含量,是保证操作人员人身安全的有效措施。由于工业生产环境多样恶劣,在人员无法安全生存的环境下部署传感器网络,可以大大降低生产过程中的人员伤亡,降低生产成本,有利于工业的快速发展。

(5)其他应用

无线传感器技术也适用于农业、智能交通、城市管理、智能家居等生活领域。依靠无线传感器网络构建的智能交通系统有望实现自动驾驶、自动规划路径和灵活控制交通流量,使人们出行更快、更方便;城市管理系统可以利用传感器网络收集大量信息,为资源部署提供依据;智能家居系统还需要实时监控温度、湿度等房屋指标。因此,无线传感器网络具有广阔而光明的应用前景。

2.无线传感器网络定位技术存在的问题和不足

定位技术是无线传感器网络的基础技术,也是该领域备受关注的问题。节点必须知道自己的位置,然后感知数据,传回数据,并在中央处理器中进行分析。无位置信息的测量数据毫无意义,节点位置的确定也有利于安全路由、拓扑控制等工作的发展。WSN目前,中间节点的定位是其运行的前提和基础,WSN定位研究取得了许多成果,但在应用中仍面临许多问题和挑战需要进一步分析和解决。

(1)定位精度:不同的测距或角度测量技术受硬件条件的影响,具有不同的误差特征,由此产生的测距误差会影响定位精度。同时,定位计算过程中产生的误差也会影响定位精度。

(2)能量限制:传感器节点依靠电池电源,但由于节点电池能量有限,网络需要自适应、自组织运行,节点计算能力、内存、通信能力有限,节点间通信感知次数尽可能少,节点功耗定位算法很小。因此,能量限制也是定位技术需要解决的问题。

(3)锚节点数量:锚节点的位置通常由其他定位系统手动布置或确定。然而,对于大型网络或一些人员不容易接近的区域,手动布局是不现实的,通过定位系统确定所有节点是不现实的,

通常只有少数节点是锚节点,稀疏的锚节点难以确定普通节点的位置。

(4)实用性差:基于不需要测距的定位算法大多集中在理论研究上,基本都是在模拟环境中实现的。假设有很多不确定因素,但无线传感器节点通常部署在复杂的地理环境中,如战场上难以满足这些不确定因素,导致算法失去实用性

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