无线传感器网络湿度应用综述.doc

无线传感器网络湿度检测应用综述摘要随着社会的发展和科技的进步，现代工农业生产及环境监测中，进行环境 湿度检测是必不可少的内容传统的检测方法不仅消耗大量人力、物力，而且适 用范囤小，效率很低，已不能满足工农业现代化机械大生产的要求而通过使用 无线传感器网络可以有效降低人力消耗和对环境的影响，获取精确的环境信息 本文介绍无线传感器网络的基本机构和湿度检测的研究现状关键词：无线传感器网络；湿度；综述；绪论在过去的五十年中，无线通信技术和互联网技术的蓬勃发展，给人们的生 活方式带来了深刻的变革在过去十年里，这两项技术的融合造就了i个巨大的 电信市场，数十亿人亨受着个人通信服务为他们的生活带来的便捷以此同时， 互联网己经发展成为深入影响人类政治、经济和社会的平台拥有着数十亿用户 的互联网已经成为一个不真实物理世界平行存在的虚拟空间正如无线通信和互 联网的融合极大地改变了电信业和人类生活一样，网络空间和物理空间的融合也 将带来巨大的技术进步无线传感器网络是一•种无中心节点的全分布系统通过随机投放的方式， 众多传感器节点被密集部署于监控区域这些传感器节点集成有传感器、数据处 理单元、通信模块和能源单元，它们通过无线信道相连，自组织地构成网络系统。

其H的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被监测对象的信息并发送给观 察者无线传感器网络集传感器技术、微机电系统(MEMS)技术、无线通信技术、 嵌入式计算技术和分布式信息处理技术于一体，因其广阔的应用前景血成为当今 世界上备受关注的、多学科高度交叉的热点研究领域1无线传感器网络1.1无线传感器网络结构无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、网关节点(sink node) 和任务管理节点大量传感器节点通过飞行器撒播、人工埋置或火箭弹射等方式 随机部 署在监测区域内部或附近，通过自组织方式构成网络无线传感器网络 结构如下图1. 1所示传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行 传输，在传输过程中监测 数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节 点，最后通过Internet.卫星或GSM等通信方式到达任务管理节点用户通过 任务管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信 能力相 传感器节点对较弱，通过携带能量有限的电池供电从网络功能上看, 每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行木地信 息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合等 处理，同吋与其它节点协作完成一些特定任务。

H前传感器节点的软硬件技术 是传感器网络研究的重点无线传感器网络中的传感器节点主要由传感器模块、 处理器模块、无线收发模块和能量供应模块组成(如图1一2) o数据采集单 元负责信息的采集和数据转换；数据处理单元控制整个传感器节点的操作，存储 和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线传输单元负责与其他传 感器节点进行无线通信；电源供给单元为传感器节点提供运行所需要的能量, 通常采用小型便携式电池供电依据应用需求，它可能还有定位模块，能源补给 模块或者移动模块相应的软件则为节点提供必要的应用支持，如嵌入式操 作系统、网络协议栈等图1.2传感器节点结构框架网关节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网张 与Internet节点等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同吋发布管 理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上路由节点既可以是一 个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也 可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备无线传感器网络中 的网关节点主要由处理模块，存储器模块，射频收发模块，GPRS无线通信 模块，电源模块五个部分组成。

典型组成图如图1-3所示射频收发模块将传 感器 结点上传上的采集数据传送给处理器，处理器将数据进行存储处 理后传送给GPRS通信模块，GPRS通信模块把数据通过GSM与Internet网传送 给远端接收用户，电源模块为GPRS无线模块，小央处理器，射频模块，存储器 供电，让它们正常工作图1.3网关节点结构图1.2无线传感器网络无线传感器网络协议栈传感器网络协议栈包括物理层、数据链路层、网络任t吕理平台 m理平台 暮理2口层、传输层和应用层，与Internet协 议栈的五层协议相对应另外，协议栈 还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台这些管理平台使得传感 器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数 据，并支持多任务和资源共亨传感器网络协议栈如图4所示应用层传输层网络层「 数据链路层 -物理层~图1-4无线传感器网络协议栈各层协议和平台的功能如下：物理层：提供简单而健壮的信号调制和无线 收发技术数据链路层：负责数据成帧、帧监测、媒体访问和差错控制网络 层：主要负责路由生成与路由选择传输层：负责数据流的传输控制，是保证 通信服务质量的重要部分应用层:包括一系列基于监测任务的应用层软件。

能 量管理平台：管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能 fio移动管理平台：监测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由任务管理平台：在-•个给定的区域内平衡和调度监测任务13无线传感器网络的关键技术无线传感器网络作为半今信息领域新的研究热点，涉及许多方面技术，主 要有以下方面:(1) 网络拓扑控制 对于无线H组织传感器网络而言，网络拓扑控制具有特 别重要的意义通过拓扑控制自动生成良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、吋间同步等多方面奠定基础，有利于 节省节点的能量来延长网络的牛存期拓扑控制可以分为节点功率控制和层次 型拓扑结构形成两个方而功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在 满足网络连通度的前提下，减少节点的发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数H - 功率控制方面目前已经提出了 COMPOW, LINT / LILT, CBTC, LMST, RNG, DRNG 和DLSS等算法层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点， 由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他菲骨干网节点可以暂吋关 闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。

层次型拓扑控制H前提出了 TopDisc, GAF, LEACH和HEED等算法除了传统的功率控制和层次型拓扑控制，研究 人员还提出了启发式的节点唤醒和休眠机制该机制能够使节点在没有事件发 生吋设置通信模块为睡眠状态，而在有事件发生吋及吋自动醒来并唤醒邻居节 点，形成数据转发的拓扑结构这种机制重点在于解决节点在睡眠状态和活 动状态Z间的转换问题，不能独立作为一种拓扑结构控制机制，因此需要与其 他拓扑控制算法结合使用2) 网络协议传统因特网的实现是通过IP协议，也包括移动IP但是在无 线传感器网络中，不需要使 用此种协议在无线传感器网络中，常常要用到成 千上万个传感器节点，其路由一般是基于I古I定的地理位置信息，而它的路径建 立方式则是基于需求的，即根据某项数据或者某项任务来进行的所以需要根 据拓扑维持路由表的IP对于无线传感器网络來说是不可行的同时，传感器网 络节点的硬件资源有限且拓扑结构实吋动态变化，要维持路由表需要耗费大量 的吋间、金钱和能源，所以无线传感器网络需要有一套不能太复杂但又高效， 并适合自己的控制和路由协议通过安置大量的传感器节点，提供足够多的路 径算法总能找到合适路径，来满 足网络的生存和对环境的适应。

系统还要考虑 的一个很重要的问题就是一些重要的网络参数如何设定的问题，如网络大小， 节点密度，以及能耗、可靠性和反应吋间的折中问题3) 吋间同步吋间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制Jeremy Elson和KayRomer在2002年8月的HotNets. I国际会议上首次提出并阐 述了无线传感器网络中的时间同步机制 的研究课题，在传感器网络研究领域引 起了关注H前已提出了多个吋间同步机制，其中RBS、TINY / MINI. SYNC 和TPSN被认为是三个基本的同步机制4) 定位技术位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位 置信息的检测消息通常毫无意义确定事件发生的位置或采集数据的节点位置 是传感器网络最基本的功能Z-o H前的定位技术有基于距离的定位，如基于 TOA的定位、基于AOA的定位、基于RSSI的定位等;和与距离无关的定位算法， 如质心算法、DV. Hop算法、APIT算法等(5) 数据融合传感器网络存在能量约束减少传输的数据量能够有效地节 省能量，因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计 算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从血达到节省能量的H的。

由 于传感器节点的易失效性，传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综 合，提高信息的准确度但融合技术会牺牲其他方面的性能，如延迟和鲁棒性 的代价数据融合技术可以与传感器网络的多个协议层次进行结合在应用层 设计小，可以利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到 融合的效果；在网络层中，很多路由协议均结合了数据融合机制，以期减少数 据传输量；此外，还有研究者提出了独立 于其他协议层的数据融合协议层，通 过减少MAC层的发送冲突和头部开销达到节省能量的FI的，同吋又不损失吋间 性能和信息的完整性数据融合技术己经在H标跟踪、H标口动识别等领域得 到了广泛的应用在传感器网络的设计中，只有而向应用需求，设计针对性强的 数据融合方法，才能最大限度的获益6) 嵌入式操作系统传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带非常有限 的硬件资源，需要操作系统能够节能高效地使用其有限的内存、处理器和通信 模块，且能够对各种特定应用提供最大的支持在面向无线传感器网络的操作 系统的支持下，多个应用可以并发地使用系统的有限资源美国加州大学伯 克利分校研发了 TinyOS操作系统，在科研机构的研究中得到了比较广泛的使用， 但H前仍然存在不足之处。

刀节能设计 在多数情况下，传感器网络中的节点都是由电池供电，电池 容量毕竟有限，并且对于有成千上万节点的无线传感器网路来说，更换电池是 非常困难的，甚至是不可能的，但是却要求无线传感器网络生存时间长达一•年 甚至数年如果网络中的节点因为能量耗尽而不能工作，会带來网络拓扑结构 的改变以及路由的重新建立等问题，甚至可能使网络出现不连通的 部分，造成 通信中断因此如何在不影响功能的前提下，尽可能地节约无线传感器网络的 电池能量成为无线传感器网络软硬件设计的核心问题首先在功能上，由于无 线传感器网络大都是为某一专用H的而设计的，去掉不必要的功能，可以节省 能量，延长节点生存吋间因此，无线传感器网络设计应考虑两点原N・延长网 络工作吋间、减少不必要的功能，突出专用性其次，可以设计专门提高传感 器网络能量效率的协议以及采用专门的技术，这些协议和技术涉及到网络的各 个层次，如物理层可以采用超宽带无线通信技术，MAC层可以采用适合节点在 休眠和工作状态间切换的接入协议，网络层可以以能量作为路由度量等此外, 还可以采用跨层设计的方式，提高网络的能量效率1-4无线传感器网络特点与应用无线传感器网络特点与应用（1）高度适应的自治能力。

无线网络中的 节点都兼备数据采集和无线路由功能，不存在一•个网络中心控制点，用户节 点之间的地位是平等的出于应用环境等的限制，无线传感器网络必须是自我配 置的，网 络路由协议必须能感应各种原因而导致无线传感器网络本身的拓扑结 构所发生的变化，具有很强的自适应性和健壮性。