37011438 胡祥彦 基于无线传感器网络的数据融合系统设计Word文档下载推荐.docx

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顾问教师

龚佑红

二〇一三年十月

摘要

无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSN）是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。

传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。

无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。

无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域。

已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。

数据融合技术是无线传感器网络的一个关键技术,能减少传感器节点间的传输量,从而明显提高网络感知效能,延长网络生命周期,减小时间延迟。

无线传感网数据融合，是对源数据或信息的获取、表示及其内在联系进行综合处理和优化的技术。

传感器只能获得环境或被测对象的部分信息段，而传感网信息经过融合后能够完善地、准确地反映环境的特征。

传感网目标的融合识别是试图将各传感器关于目标的不精确，不完全的数据进行融合，产生较单一传感器更精确，更完全的属性估计和判决。

数据融合技术已经广泛应用于信息电子学、计算机科学、自动化等领域。

关键词:

传感器网络传感器的应用数据融合无线传感器分类

Abstract

WirelessSensornetwork（WirelessSensorNetworks,WSN）isthecurrentfocusoninternationalknowledge,involvingmultidisciplinaryhighlycross,highlyintegratedtheleadingedgeofthehotresearchfield.Sensortechnology,mems,theprogressofmodernnetworkandwirelesscommunicationtechnology,topromotetheemergenceanddevelopmentofmodernwirelesssensornetwork.Wirelesssensornetwork（WSN）expandedthepeopleaccesstoinformation,withtheobjectiveworldofphysicalinformationtransmissionnetworkconnectiontogether,intheheartofthenextgenerationnetworkforpeopletoprovidethemostdirect,themosteffectiveandmostrealinformation.Wirelesssensornetwork（WSN）canobtaintheobjectivephysicalinformation,hastheverybroadapplicationprospects,andcanbeappliedtomilitarydefense,industrialandagriculturalcontrol,urbanmanagement,biological,medical,environmentaldetection,remotecontrolinareassuchasdisasterrelief,thedangerousarea.Hasattractedtheattentionoftheacademiaandindustryinmanycountries,isconsideredtobeoneofproducegreatinfluencetothe21stcenturytechnology.

Datafusiontechnologyisakeytechnologyofwirelesssensornetwork（WSN）canreducethemagnitudeofthetransmissionbetweenthesensornodes,thussignificantlyincreasetheefficiencyofthenetworkawarenessandprolongthenetworklifecycle,reducingthetimedelay.Wirelesssensornetworkdatafusion,isthesourceofdataorinformationaccess,saidandinnerlinkofintegratedprocessingandoptimizationtechnology.Sensorscanonlyobtaintheenvironmentorthepartoftheobjectinformation,andsensingnetworkinformationafterfusioncanperfectlyandaccuratelyreflectsthecharacteristicsoftheenvironment.Sensingofmeshmarkabouttargetfusionrecognitionistryingtoeachsensorimprecise,incompletedatafusion,producesmoreaccuratethanthesinglesensor,morecompletepropertyestimationanddecision.Datainformationfusiontechnologyhasbeenwidelyusedinelectronics,computerscience,automation,etc.

Keywords:

SensorNetworksSensorapplicationsWirelesssensorclassificationsensSensornetworks,Internetofthings

第一章绪论

1.1传感器的研究背景

随着无线技术的快速发展和日趋成熟，无线通信也发展到一定的阶段，其发展的技术越来越成熟，方向也越来越多，越来越重要，大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和通信。

微机电系统和低功耗高集成数字设备的发展，使得低成本、低功耗、小体积的传感器节点得以实现。

这样的节点配合各类型的传感器，可组成无线传感器网络（WSN）。

无线传感网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术。

广泛应用于战场监视、大规模环境监测和大区域内的目标追踪等领域。

传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。

因为无线传感器网络节点一般采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大、更换非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一，因此，它迫切需要对传统的嵌入式应用开发进行更新和改进，需要精心设计的软硬件系统，以使其可靠而耐用。

2003年,美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时,WSN被列为第一；

美国《今日防务》杂志更认为WSN的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。

可以预测,WSN是信息感知和采集的一场革命，是21世纪最重要的技术之一。

低功耗无线传感模块，便是组成无线传感网络的节点。

此方面的研究由来已久，是计算机应用的扩展，采用了大规模集成电路和嵌入式技术，使用智能微处理器对采集到的信息进行处理和加工。

现已广泛应用于社会建设的各个层面和人们的日常生活当中。

但过去的研究有的只考虑低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。

因此，在无线传感技术应用如此广泛的今天，在保证无线传感模块性能的同时又能实现其低功耗具有一定的理论和现实意义。

1.2传感器网络的研究现状

无线传感器网络的最初研究来源于美国军方，美国国防先进研究计划局（DARPA）于2001年资助加州伯克力大学开发无线传感器系统。

美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，投资3400万美元用于支持该方面的基础研究。

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。

研究取得了一些初步的研究成果。

目前国内无线传感器网络尚处于研究阶段，清华大学、中科院沈阳自动化研究所、中科院合肥智能所等单位已开始进行这方面的研究。

无线传感器网络应用领域非常广泛。

比如当需要对诸如温度、光通量、位移以及噪声等环境参数进行不间断地传感、测试和无线信号传输时，可以考虑在相关领域中配置智能化的无线传感器网络，通过对环境待测参数的传感数据分析来达到检测目的，这一技术已经应用到国防军事、动物的习性观测、材料结构健康监测、交通管理、医疗卫生、灾害监测等领域中。

无线传感模块是新兴的下一代无线传感网络节点，它是组成无线传感网络的基本部分。

最早的代表性论述出现在二十世纪九十年代末，题为“传感器走向无线时代”。

传感技术的发展经历了一般传感器、智能传感器、无线传感器等几个阶段。

一般传感器，是最早产生的传感器，只能实现数据采集；

智能传感器则是在一般传感器的基础上将处理计算能力与传感器相结合，使得传感模块不但能够实现数据等信息采集，还能对所采集到的信息进行一定程度的计算和处理；

无线传感器则是在智能传感器的基础上再集成无线功能模块，使得传感器不再是单独的感知模块，而是一个能够实现数据采集、处理，信息交换和控制的有机整体。

为了实现随时随地与任何人或任何设备的互联互通，无线通信技术获得了蓬勃发展。

在正交频分复用（OFDM）和多入多出（MIMO）等基础技术支持下，多种无线技术如蓝牙、Wi-Fi、WIMAX、超宽带和无线局域网获得了长足发展。

作为蓬勃发展的无线技术，近几年正是其大变革时期。

随着几种重要基础技术的推广和实际应用，无线通信的速度也将得到大大提高。

无线传感模块属于无线技术中较为底层的一个分支，由于越来越多的应用方案开始采用无线节点进行数据采集和通信。

综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等的无线传感网络,是当前的热点研究领域。

而无线传感网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障，因此无线传感模块的设计，传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。

当前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台。

典型的节点包括Mica系列、Telos、IRIS和Imote2等。

各平台的主要区别是采用了不同的处理器和无线通信模块。

有些节点具有高性能但功耗较大，如Imote2节点，不适用于能量受限的应用环境。

其他一些节点，如Telos、Mica等，由于设计时间较早，其性能已经落后于当今的集成电路工业设计水平[。

因为无线传感器网络节点一般采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大，更换非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一。

ITP（美国再生能源办公室工业技术计划）在2002年发布的报告“21世纪工业无线技术”第一页中引用了总统科技顾问的断言：

无线传感器可将能源利用率提高10%，将能源损耗减少25%。

后来的研究，如Intel、Mote的研究项目则注重了三个方面的要求，包括低功耗操作、系统级集成和硬件的重新配置，希望做到平衡功耗与性能的矛盾，但目标的实现还需要一定的努力。

MIT发展的模块化平台对于具体的传感器有不同的硬件设计，他们的传感器的主要功能是数据收集，采用垂直连接器来使不同的处理层整合到一起，其目的是为了设计一个通用的系统来取代单一的硬件系统。

随着电子技术、计算机技术以及集成技术的不断发展，传感技术也会得到不断的发展和完善。

并且会有更多的结构新、功能强、耗能低的传感器用运于各种实际的无线网络当中，以高的精确度和良好的稳定性服务于更加广泛的领域。

当今世界信息技术飞速发展，给人们的工作和生活带来了巨大影响。

信息技术产业链和应用环节的第一步是信息的获取，它直接关系到信息的传输、处理和应用。

传感器技术是信息获取的最重要、最基本的技术。

随着获取信息要求的提高，传感器获取技术从单一化到集成化、微型化，进而智能化、网络化，形成智能传感器网络。

并且随着无线网络的发展，融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术的无线传感器网络技术也应运而生。

无线传感器网络是一种独立出现的网络，它的基本组成单位是无线传感器节点，这些节点集成了传感器、微处理器、无线接口和电源管理四个主要模块。

传感器、微机电系统（MEMS）、集成电路、以及低功耗无线通信等技术的飞速发展，使得低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器网络的大规模应用成为可能，这些微型无线传感器是集成的光机电一体化系统，具有无线通信、数据收集和处理、协同工作等功能。

它们共同组成了无线传感器网络，产生了一种全新的信息获取和处理模式。

微型传感器节点可以随机或者特定地布置在工作环境中，通过无线通信实现自组织，获取周围环境的信息，形成分布自治系统，相互协同完成特定的任务。

美国商业周刊和MTI技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。

1.3无线传感器发展趋势

正是由于低功耗无线传感节点在如此广范围内的应用，使得它受到了来自军事、工业和商业以及学术专家的极大关注。

其发展方向必然是无线通信的网络化，即通过自组网的方式形成动态、自适应的无线传感网络。

而无线传感网络（WSN）是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。

它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。

我国迫切需要提升对此的认识程度，并尽快推动其发展。

因此，以无线传感模块为基础，实现传感网络的无线互联将是一个必然的趋势。

另外由于无线传感器网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障。

在不同的应用中，传感器网络节点的组成不尽相同。

已有的节点，有的只考虑低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。

因此，无线传感模块的发展必然是趋向与低功耗的。

即在保证所需要实现功能的基础上，尽量的实现整个模块的低功耗，甚至在不影响整体性能的情况下适当减少部分功能来实现降低功耗的目的。

除开以上所讲两种发展趋势之外，无线传感模块的应用和发展还具有极大的发展空间和良好的发展方向。

当前对无线传感模块的应用都是静止性的，就目前存在的无线传感网络（WSN），构成网络的各个节点都是被固定的安放在一个地方，要实现对整个环境的检测，就需要向环境中投放大量的无线传感节点。

这样一来成本就会非常的高。

若实现无线传感模块对信息的移动式采集，则在同一个环境内投放更少的节点，就能实现对环境的全面检测。

正是由于当前能耗对无线传感模块的影响，低功耗研究才上升为一个热点领域，不论是使用电源或者电池供电，在实现低功耗后，无线传感模块的发展趋势必然是自生能源式的。

利用太阳能、振动能量、地热、风能等实现无线传感模块的电能供应对于全面提高无线传感模块的能力将会起到巨大的作用。

最后，基于能力存储技术的发展，电池的容量越来越大，再加上低功耗的实现，无线传感模块的适用寿命不断增加将会成为一个绝对趋势。

未来的无线传感模块必将是集稳定性与安全性、扩展性与灵活性、微型化与低成本等特点为一体的。

第二章无线传感器的概述及结构

2.1无线传感器的概述

无线传感器的组成模块封装在一个外壳内，在工作时它将由电池或振动发电机提供电源，构成无线传感器网络节点，由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微型节点，通过自组织的方式构成网络。

它可以采集设备的数字信号通过无线传感器网络传输到监控中心的无线网关，直接送入计算机，进行分析处理。

如果需要，无线传感器也可以实时传输采集的整个时间历程信号。

监控中心也可以通过网关把控制、参数设置等信息无线传输给节点。

数据调理采集处理模块把传感器输出的微弱信号经过放大，滤波等调理电路后，送到模数转换器，转变为数字信号，送到主处理器进行数字信号处理，计算出传感器的有效值，位移值等。

图2-1：

无线传感器的结构原理图

2.2无线传感器的特点

2.2.1振动传感器

每个节点的最高采样率可设置为4KHz，每个通道均设有抗混叠低通滤波器。

采集的数据既可以实时无线传输至计算机，也可以存储在节点内置的2M数据存储器内，保证了采集数据的准确性。

有效室外通讯距离可达300m，节点功耗仅30mA，使用内置的可充电电池，可连续测量18小时。

如果选择带有USB接口的节点，您既可以通过USB接口对节点充电，也可以快速地把存储器内的数据下载到计算机里面。

2.2.2应变传感器

节点结构紧凑，体积小巧，由电源模块、采集处理模块、无线收发模块组成，封装在PPS塑料外壳内。

节点每个通道内置有独立的高精度120-1000Ω桥路电阻和放大调理电路，可以方便地由软件自动切换选择1/4桥，半桥，全桥测量方式，兼容各种类型的桥路传感器，比如应变，载荷，扭距，位移，加速度，压力，温度等。

节点同时支持2线和3线输入方式，桥路自动配平，也可以存储在节点内置的2M数据存储器有效室外通讯距离可达300m。

可连续测量十几个小时。

2.2.3扭矩传感器

节点结构紧凑，体积小巧，封装在树脂外壳内。

节点每个通道内置有高精度120-1000Ω桥路电阻和放大调理电路。

桥路自动配平。

节点的空中传输速率可以达到250KBPS，有效实时数据传输率达到4KSPS，有效室内通讯距离可达100米。

节点设计有专门的电源管理软硬件，在实时不间断传输情况下，节点功耗仅25mA，使用普通9V电池，可连续测量几十个小时。

对于长期监测应用，以5分钟间隔发送一次扭矩值，数年不需要更换电池，大大提高了系统的免维护性。

2.3传感器的分类

2.3.1声音传感器

声音的监测采用Panasonic的全方位电容麦克风WM-62A，它除了被用于普通的声音记录以外，还同蜂鸣器、麦克风、音频信号的接收放大和解码电路，一起被用于声音定位。

声音传感器模块的接口电路如图3所示。

蜂鸣器采用简单的固定频率的共鸣器，用于产生固定频率（如4KHz）的测距声波。

麦克风接收到的声音信号两次经过运算放大器MAX4466实现两级放大，输出信号送到单片机的模数转换端口，同时该输出经过有源滤波器MAX4164连接到音调侦测器LMC567，可以实现声调解码，当蜂鸣器所发出的固定频率的音调出现，音调侦测器LMC567就会输出一个数字高低电平给单片机的中断端口。

通过这一电路，能够实现传感器节点间的测距，采用基于声波和电磁波的到达时间差测距的方法实现节点间测距，通过测量节点所广播的声波和电磁波到达同一节点的时间差，进而基于信号传播速度来确定节点间的距离。

某一节点激励蜂鸣器发声，且同时广播电磁信号，当周围的某个节点接收到电磁波信号后，定时器开始工作，当该节点接收到测距声波时定时器停止工作。

由于电磁波的传播速度很快，定时器测量的时间可以近似认为是声波在两节点间传播的时间，进而可计算出两节点间的距离。

然后通过一定的定位算法，可以实现传感器节点的自身定位。

2.3.2加速度传感器

ADXL202AE是廉价、低功耗的两轴加速度传感器，量程范围为-2g到+2g。

它可用来测量动态加速度，也可用来测量静态加速度。

它具有较高的灵敏度（12.5%/g），即使用低速计数器来对它输出的PWM信号进行解码，也可以得到较高的分辨率。

第三章无线传感器的应用及分类

3.1无线传感器技术融合

数据融合是WSN中非常重要的一项技术,也是目前的一个研究热点。

该技术可以通过一定的算法将传感器节点采集到的大量原始数据进行各种网内处理,去除其中的冗余信息,只将少量的有意义的处理结果传输给汇聚节点。

采用数据融合技术能够大大减少WSN中需要传输的数据量,降低数据冲突,减轻网络拥塞,从而有效地节省能源开销,起到延长网络寿命的作用。

WSN中数据融合的作用主要体现在节省能量、延长网络生命周期、提高数据收集效率、增强数据准确性以及获取综合性信息等方面。

随着无线传感器网络技术的出现和发展，得到了广泛的应用，在一个大规模传感器网络系统中，系统常常需要使用和管理数量巨大，种类繁多的传感器，这带来了需要专门的线路铺设，已经无法满足实际需要，因此无线传感网络技术的出现，极大地促进了传感器网络的发展。

传感器应用包括网络的拓扑管理规则，无线路由协议，数据压缩算法以及无线传感器，在系统解决方案中，传感器的能量供应完全依靠自身所携带的电源因此，系统设计的规模和计划尤其显得重要。

它已经在家用电器方面得到利用,相信未来将会更加成熟。

智能化传感器是传感器技术未来发展的主要方向。

在今后的发展中,智能化传感器无疑将会进一步扩展到化学、电磁、光学和核物理等研究领域。

3.2无线传感器网络结构

对于每一类无线传感器网路应用系统而言,在设计和实现时需要开发的不仅是在应用服务器上的业务逻辑部分的软件,除此之外,还必须要设计处理分布系统所特有功能的软件,而目前的系统软件（操作系统）都不支持。

无线传感器网络中间件将使无线传感器网络应用业务的开发者集中于设计与应用有关的部分,从而简化设计和维护工作。

采用中间件实现技术,利用软件构件化、产品化能够扩展和简化无线传感器网络的应用。

无线传感器网络中间件的开发将会使无线传感器网络在应用中达到柔性、高效的数据传输路径和局部化的目标,同时使整个网络在整个应用中达到最优化。

无线传感器网络中间件和平台软件构成无线传感器网络业务应用的公共基础,提供了高度的灵活性、模块性和可移植性。

在一般无线传感器网络应用系统中,管理和信息安全纵向贯穿各个层次的技术架构,最底层是无线传感器网络基础设施层,逐渐向上展开的是应用支撑层、应用业务层、具体的应用领域——军事、环境、健康和商业等。

图3-2：

传感器网络节点功能结构

3.3无线传感器的应用

随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。

比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州"

大鸭岛"

上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。

无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。

此外，它也可以应用在细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。

3.3.1医疗护理

无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。

罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。

英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。

该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目CenterforAgingServicesTechnolo