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无线传感器网络中射频技术的实现及研究
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浅析无线传感器网络技术在物联网中的应用
2012年第3期目录
&&&&&&本期共收录文章20篇
　　摘要：近几年，物联网成为一个极为热门的研究焦点，引领起第三次信息革命浪潮，也标志着互联网发展进入了一个新的历史阶段。物联网应用研究所涉及的关键技术有：传感器技术、射频识别技术、二维码技术、微机电系统、云计算技术等，其中传感器技术备受关注，也是目前的新兴研究领域，文章概括了传感器网络在物联网中的应用现状，并分析了传感器技术在物联网中发挥的重要作用。 中国论文网 /3/view-2696917.htm　　关键词：无线传感器网络；物联网；传感器节点 　　中图分类号：TP391.44文献标识码：A文章编号：（5-02 　　2009年在无锡成立“感知中国”中心，并且，目前针对物联网的《国家物联网“十二五”发展规划》也正在制定过程中，进一步确定了物联网技术在新兴科技领域中的重要位置。而无线传感器网络作为物联网中的核心产业，也需要更多的关注与研究，以促进物联网的发展，使得物联网成为新的全球经济增长点。 　　1无线传感器网络和物联网的简介 　　1.1无线传感器网络 　　无线传感器网络（WSN, wireless sensor networks）是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，是采用无线通信的方式形成的一个多跳自组织网络系统，能够通过集成化的微型传感器，协同地实时监测、感知、采集和处理网络覆盖区域中各种感知对象的信息，并对信息资料进行处理，再通过无线通信方式发送，并以自组多跳网络方式传送给信息用户，以此实现数据收集、目标跟踪以及报警监控等各种功能。 　　目前，传感器信息获取技术逐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，其智能化的发展将会带来一场信息革命。无线传感器网络技术综合了传感器技术、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先进技术，该技术具备的感知能力、计算能力、通信能力，给更多WSN的应用空间和应用价值提供了可能性，是物联网当前研究开发的热点之一。 　　1.2物联网 　　物联网（IOT, internet of things）顾名思义就是物物相连。目前较为认可的物联网定义为：物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。 　　另外，物联网可以理解为通过“泛在网络”实现“泛在服务”，基于个人和社会的各种需求，通过融合前沿智能技术，实现人与人、人与物、物与物之间所需要的信息采集、传递、存储、加工处理、决策使用等综合服务，是一种更加广泛深远的未来网络应用形态。 　　物联网最为明显的特征是物物相连，信息可以自动化处理，无需人为操作，所以效率极高，降低了人为因素引发的不稳定性。因此，物联网在各个行业中的应用潜力非常巨大，应用领域也非常广泛，发挥了极大的价值作用，而且物联网将与互联网有效地整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。 　　2无线传感器网络在物联网领域中的应用 　　物联网是由感知层、网络层和应用层构成的层次体系。感知层主要涉及到RFID、传感器、二维码等机器设备，然后通过电信网和互联网的融合网络层，及时准确地传递物体基本信息，在应用平台上，利用各种先进智能技术对信息资料进行分析处理，以便对物体进行智能控制。如图1所示，传感器在基础感知层，负责对物体信息的采集和抓取，这一功能对于物联网技术的发展和应用，起着至关重要的支撑作用。　　 　　2.1无线传感器网络在军事领域中的应用 　　无线传感器网络的可快速随机部署、可自组织、隐蔽性强、高容错性等特点，使得传感器节点在恶劣的战场环境中发挥极大的作用。 　　在军事领域应用方面，结合无线传感器技术思想，将大量廉价传感器节点，通过飞机或火炮等发射装置，按照一定的密度投放到待监测区域内，对节点周边环境的各种参数，如温度、湿度、声音、磁场等信息进行采集，然后由传感器自组织网络，通过网关、互联网、卫星等通讯方式，传回信息中心，实时监控敌军兵力与装备，实时监视冲突区，进行目标定位，战场评估，并实现各种攻击的监测和搜索等功能，有效地提高军队的作战决策能力。 　　2.2无线传感器网络在工业领域中的应用 　　无线传感器网络在工业领域中的应用比较广泛，比如工业安全、先进制造、交通控制管理、安防系统、仓储物流管理等领域，其中工业安全领域的应用研究已日趋壮大。在计算机技术、无线通信技术、微电子技术和网络技术发展的推动下，工业通信技术正朝着智能化和网络化的方向不断发展。目前，随着测控系统规模的不断扩大，煤矿、石化、核电等行业对工作人员安全及易燃、易爆、有毒物质的监测成本非常昂贵。其中，煤炭行业对先进的井下安全生产保障系统的需求日渐巨大。因此，降低投资和使用成本成为工业通信技术发展新阶段的迫切要求。而无线传感器网络的成本低廉、方便简捷、泛在感知等特点可以满足工业通信领域的多个要求。对传感器节点经防爆处理和技术优化后，用于危险的工作环境，实时全面地监控员工安全及工业全流程，及时获取险恶工作环境下工作现场的员工基本情况、工作环境状况以及其它无法在线监测的重要工业过程参数，并在此基础上，优化控制工业流程，提高产品质量，降低工业生产过程中的各种安全事故，达到国家指定的安全生产目标。目前，作者所在的山东省科学院省计算中心部门无线传感器网络团队开展了煤矿井下定位系统的研究，取得了重要的研究成果。 　　2.3无线传感器网络在农业领域中的应用 　　农业作为中国发展经济的一大基础，促进其优质高产将产生重大的意义。无线传感器网络的通信简便、部署简捷、可密集分布等优势，可以充分地发挥在农业生产领域中，用以监测土壤环境状况、农作物灌溉及生长情况、牲畜和家禽的环境状况以及大面积的地表特征检测。再结合目前成熟的互联网技术、GPS技术，可以构建能动态实时管理的系统平台。例如英特尔公司在俄勒冈建立的世界上第一个无线葡萄园，通过无线传感器监测葡萄生长环境中得各种因素，并分析葡萄质量与各种影响因素之间的关系，是典型的精准农业、智能耕种的实例。在国内，在“九五”计划中，“工厂高效农业工程”把智能传感器和传感器网络化的研制列为国家重点项目，可以看出无线传感器网络在农业领域中的重要作用和意义。 　　2.4无线传感器网络在医疗护理领域中的应用 　　目前，随着国家人口老龄化日趋明显，在医疗护理方面的问题也愈加增多起来，对于病患者的病情实时关注成为亟待解决的问题。无线传感器网络在此方面发挥了重要作用，在患者身上可以安放各种传感器，用以检测采集各种生理信息，比如体温、呼吸、血压等生理数据，一方面可以随时关注患者的病情发展情况，另一方面，可以将收集的生理数据作为研制新药品的参考资料。另外，也可以在患者居住的环境里安放多个传感器节点，有效监测病人的活动状况，进行远程的人体行为监测。现在，美国已经开展了一个无线传感器网络系统项目，可以实现家庭护理，方便老年人独居时给予及时的帮助。 　　2.5无线传感器网络在智能家居领域中的应用 　　目前，智能家居是物联网发展的一个重要方向。从一定意义上讲智能家居就是高科技的家庭自动化系统，融合了计算机网络系统、自动化控制系统、综合布线技术及网络通讯技术，自动化控制、远程控制家庭中的各种产品设备，实现拟人化的要求，提升家居安全性、便捷性、舒适性，并实现环保节能。而自动化、远程控制所需的各种信息，均是由无线传感器节点进行传达的，比如环境检测信息、安放系统的有效实施，都需要无线传感器节点提供家庭煤气含量、温度、湿度等环境信息。所以，在智能家居系统中，每一个家居设备或终端，都会设置对应的传感器节点，通过无线传感器网络节点间的自组织互连，实现家庭设备互连与信息控制，从而实现家居生活的智能化。 　　3传感器技术在物联网中的必要性 　　据分析机构预测，未来物联网的发展将经历四个阶段，2010年之前广泛应用于物流、零售和制药领域，年物体互联，年物体进入半智能化，2020年之后物件全智能化。经初步估计，中国物联网产业链的发展和应用将有可能创造1000亿元左右的产值。而且，已有部分省市的关于十二五期间物联网发展规划，已加快形成物联网产业基本框架等一系列的“智慧”行动，表明了大力发展物联网的决心。而传感器作为物联网关键物件之一，在物联网的发展与应用过程中，传感器网络技术的提高与发展势必会产生巨大的推动作用。 　　物联网包含感知层、网络层和应用层三个层面，叶云认为，目前中国最缺乏的是感知层的产品和技术，是信息的抓取和聚合。在感知层中，由于传感器技术的技术成熟度和成本问题，阻碍了无线传感器网络及物联网的大规模发展及应用。余建美指出，四个方面的因素将最终将决定物联网的普及程度，一是无线传感器的进一步低功耗化，二是发展无线供电或采电技术，三是能源的超微型化，四就是无线传感器自身的微型化。除此之外，传感器的集成制造技术、信号检测的智能化发展，也是无线传感器需要考虑改善的重要方面。 　　因此，目前的传感器技术的主要研究工作就要注重以上四个方面的因素，突破这些研究热点，物联网的发展水平势必会突飞猛进，应用也将会广泛普及，市场规模进一步扩大，物联网就可以真正实现物物相联，成为会“说话”、会“思考”、会“行动”的物物信息交流网络。 　　4结语 　　物联网时代的到来带来了千载难逢的机遇，而无线传感器技术作为物联网或不可缺的应用技术，它的突破性研究，必将促进物联网的发展，推动各行业的广泛应用，促进世界信息化的发展与建设。 　　参考文献： 　　[1] N.Gross.21 ideas for the 21st century[J].Business Week, 　　1999,(8). 　　[2] 孙亭,杨永田,李立宏.无线传感器网络发展现状[J].电子技 　　术应用,2007,(6).
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xzbu发布此信息目的在于传播更多信息，与本网站立场无关。xzbu不保证该信息（包括但不限于文字、数据及图表）准确性、真实性、完整性等。　　全球对"绿色"科技和能源使用效率的需求推动着新一代超低功耗无线网络的发展。这种新一代网络正在不断发展以用于工业和控制应用中基于的远程系统；此外它也促使更多应用更好地使用无需任何网络电缆或线的真正无线解决方案。
　　用于监视和控制的基于传感器网络并非新概念，现有技术可实现有线和专有无线系统。由于有线方案廉价又简便，因而得以广泛使用；无线方案，与之相对，仅限用于一些特定的应用。
　　如今，采用仅需极少功耗的设计，可使开发这些类型的无线系统成为可能。新一代无线网络可依靠其电池工作更长时间，并且在应用的生命中仅需很少或者根本无需维护。未来，能量收集甚至可以提供所需能源，而不再需要电池。
　　本文将着重介绍新一代嵌入式所具有的各种超低功耗控制功能，以及工程师如何利用这些功能延长无线传感器节点中电池的预期寿命。
　　功耗管理功能
　　那么，什么是"低功耗"呢？在继续之前，让我们首先讨论一些术语。"能量"与所做功的总量相关，而"功率"测量的是做功的速率（单位时间使用的能量）。在电学中，能量 = 功率&时间，功率 =&。因而，我们所要关注的关键系统参数为电压、电流和时间。具体来说，就是我的应用在多大电压下运行，要消耗多少电流，以及要运行多久？
　　从单片机的角度来研究这一问题，我们首先需要探讨新型单片机的各种功耗模式。
　　功耗模式
　　根据处理需求，应用具有一组显著不同的预设工作模式。嵌入式单片机可利用其众多外设中的一个来采样来自周围环境的信号。在外设收集到一定数量的采样之前，单片机可能无其他事要做。那么单片机可能会在每次数据采样之间"休眠"或进入超低功耗待机模式。一旦应用程序读到了足够多的数据采样，单片机即可轻松切换至"全速运行"模式，此时单片机被唤醒并以最大工作速度运行。
　　单片机通常会接收到某种类型的唤醒事件，才会从各种低功耗模式退出。唤醒事件可由诸如I/O引脚翻转等外部激励信号或诸如定时器外设产生的中断事件等内部处理器活动触发。单片机所支持的具体功耗模式有所不同，但通常各种功耗模式总有一些共同点。典型的功耗模式如下：
　　●"始终运行"模式
　　●"休眠"或"待机"模式，此时保持对供电
　　●"深睡"或"深度休眠"模式，此时存储器断电，以最大程度节省功耗 .
　　"始终运行"模式
　　"始终运行"模式嵌入式系统由持续供电且处于运行状态的器件构成。这些系统的平均功耗需求极有可能在亚毫安范围内，从而直接限制了单片机所能达到的处理性能。幸运的是，新一代嵌入式单片机具有动态控制其时钟切换的功能，因为在无需较高计算能力的情况下，有助于减少工作电流消耗。
　　待机模式
　　在"待机"模式下，系统工作或处于低功耗非活动模式。在这些系统中，工作和待机电流消耗都非常重要。在大多数待机模式系统中，由于保持对单片机存储器通电，虽然电流消耗显著减少，但仍可保持所有的内部状态及存储器内容。此外，可在数秒内唤醒单片机。通常，此类系统在大
　　多数时间处于低功耗模式，但仍需具备快速启动能力来捕捉外部或对时间要求极高的事件。保持对存储器的供电有助于保持软件参数完整性以及应用程序软件的当前状态。从功耗模式退出的典型启动时间通常在 5 -10 &s范围内。
　　深度休眠模式
　　在深度休眠或"深睡"模式系统中，系统全速运行或处于可大幅节省功耗的"深度休眠"模式。由于该模式通过完全关断嵌入式单片机内核（包括片上存储器）来最大程度节省能耗，因而尤为引人注目。由于在该模式下存储器断电，因此必须在进入深度休眠模式前将关键信息写入非易失性存储器。该模式使单片机的功耗降至绝对最小值，有时低至 20 nA.此外，唤醒单片机后需重新初始化所有存储器参数，这样会延长唤醒反应总时间。从该模式退出的典型启动时间通常在 200 - 300 &s范围内。
　　在这些超低功耗模式系统中，电池的寿命通常由中其他元件消耗的电流决定。因此，应注意不仅要关注单片机消耗的电流，而且要关注 （印刷电路板）上其他元件消耗的电流。例如，可能的话，设计人员可使用陶瓷来替代钽，因为后者的漏电流通常较高。设计人员还可以决定在应用处于低功耗状态下给哪些其他电路供电。
　　利用功耗模式的优势
　　接下来，考虑一种具有代表性的情形，在这种情况下，选择不同单片机功耗模式对系统所用总功率有巨大影响。以基本远程温度传感器为例，该应用收集较长时间段内的数据，可能运用较为成熟的算法对数据进行处理，然后将单片机重新置于待机模式，直到需要更多采样测量为止。它还采用无线射频（RF）传输方式将温度信息报告给中央控制台。
　　对温度进行采样需要使用MCU的片上模数转换器（ADC），并且仅需适当的处理能力。 在噪声滤波阶段，单片机必须采用处理能力较高的模式来计算高级滤波算法，并尽快将结果存回存储器。因此，单片机运行并消耗功率的总时间缩短了。
　　每隔一段预定的时间间隔，单片机就会组合所有的采样结果并采用RF收发器设备发送至中央控制台。需要精确时序来确保无线传感器在预先分配的时隙内发送这一信息，从而允许同一系统中的多个无线传感器节点协同工作。
　　我们如何管理唤醒处理器的频率呢？通过配合使用定时器外设和集成32 k电路，单片机能很精确地每秒产生一次中断，从而保证唤醒时间准确。此中断事件还可以使单片机按预定的时间表向采样缓冲区填充温度数据。
　　单片机填充完温度采样缓冲区后，它将切换至处理器速度较高的模式，完成较为成熟的噪声滤波算法计算，然后尽快返回休眠模式，以缩短工作时间。单片机采用同样的实时时钟功能来决定将捕捉到的采样数据发送回中央控制台的时间。确定单片机的最佳功耗模式以使总电流消耗最低取决于多个因素，下文将对此进行讨论。
在低功耗应用中优化功耗
　　要使总功耗最低，仅选择单片机功耗最低的模式是不够的。我们还必须确定单片机需要完成的每个任务的工作量--例如，采样外部温度传感器。一旦确定每个任务的性能需求，我们还必须确定每个任务的最佳能源利用率。对于前面提到的公式：能量 = 时间 & 电压 & 电流，由于系统总体需求和实际电源决定电压值，因此我们通常无法改变公式中的电压，这样我们只能操作两个参数，时间和电流。我们需要权衡单片机的工作时间和电流消耗。下面将探讨在执行上述分析时要切记的一些特定于单片机的参数。
　　处理器唤醒
　　将单片机置于低功耗模式后，有一些外部源可将其唤醒。唤醒事件可通过USB事件、实时时钟事件，甚至是I/O引脚上的外部触发信号发生。单片机从低功耗"休眠"模式唤醒并开始执行代码的时间非常重要。通常，我们努力使这个时间尽可能短，这也是我们之所以要在"休眠"和"深度休眠"工作模式之间选择的原因。若每秒唤醒一次单片机，由于从"休眠"模式唤醒时，单片机可在10 &s内开始执行代码，而无需首先初始化任何软件存储单元，因而该模式可能是最佳选择。若单片机处于低功耗状态的时间较长--例如，数分钟甚至数小时才唤醒一次，则"深度休眠"模式可能是最佳选择。关键是要使单片机的总电流消耗最小。如果单片机处于低功耗关断模式的时间较长，那么 300 &s的唤醒时间与数分钟或数小时的深度休眠时间相比就微不足道了。
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