傳感器原理及應(yīng)用_傳感器_科動(dòng)電子(查看)

一文讓你了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

大數(shù)據(jù)無線通信傳感器隨著社會(huì)和現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展，稱重傳感器，物聯(lián)網(wǎng)超然而至，得到了很多國(guó)家和人民的關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)是基于現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起來的，它除了融合網(wǎng)絡(luò)、RFID技術(shù)、信息技術(shù)之外，還引入了無線傳感器技術(shù)，使得M2M型物聯(lián)網(wǎng)有了更深的發(fā)展，而且無線傳感器技術(shù)結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)以及無線通信技術(shù)，所以它本身也是一個(gè)熱點(diǎn)的研究領(lǐng)域。

今天我們就來了解下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它的末梢是可以感知和檢查外部的傳感器。WSN中的傳感器通過無線方式通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備位置可以隨時(shí)更改，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有線或無線方式的連接。通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)。【無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)（Sensor node）、匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink node）和管理節(jié)點(diǎn)。

大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近，位移傳感器，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐條地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中檢測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)心到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)

處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力較弱，通過小容量電池供電。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合，并與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。

匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較強(qiáng)，它是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布來自管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并把WSN收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。

管理節(jié)點(diǎn)

管理節(jié)點(diǎn)用于動(dòng)態(tài)地管理整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有者通過管理節(jié)點(diǎn)訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源?！緹o線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要特點(diǎn)】大規(guī)模

為了獲取靜確信息，在監(jiān)測(cè)區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，可能達(dá)到成千上萬，甚至更多。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節(jié)點(diǎn)分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)，如在原始大森林采用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行森林防火和環(huán)境監(jiān)測(cè)，需要部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)；另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)部署很密集，在面積較小的空間內(nèi)，密集部署了大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性具有如下優(yōu)點(diǎn)：通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量的采集信息能夠提高監(jiān)測(cè)的靜確度，降低對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器的精度要求；大量冗余節(jié)點(diǎn)的存在，使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性能；大量節(jié)點(diǎn)能夠增大覆蓋的監(jiān)測(cè)區(qū)域，減少洞穴或者盲區(qū)。

自組織

在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先靜確設(shè)定，節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道，如通過飛機(jī)播撒大量傳感器節(jié)點(diǎn)到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達(dá)或危險(xiǎn)的區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

在傳感器網(wǎng)絡(luò)使用過程中，部分傳感器節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，也有一些節(jié)點(diǎn)為了彌補(bǔ)失效節(jié)點(diǎn)、增加監(jiān)測(cè)精度而補(bǔ)充到網(wǎng)絡(luò)中，這樣在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)就動(dòng)態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之動(dòng)態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。

動(dòng)態(tài)性

傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因?yàn)橄铝幸蛩囟淖儯孩侪h(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點(diǎn)故障或失效；②環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時(shí)通；③傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性；④新節(jié)點(diǎn)的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化，具有動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性。

可靠性

WSN特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達(dá)的區(qū)域，節(jié)點(diǎn)可能工作在露天環(huán)境中，遭受日曬、風(fēng)吹、雨淋，甚至遭到人或動(dòng)物的破壞。傳感器節(jié)點(diǎn)往往采用隨機(jī)部署，如通過飛機(jī)撒播或發(fā)射炮單到指丁區(qū)域進(jìn)行部署。這些都要求傳感器節(jié)點(diǎn)非常堅(jiān)固，不易損壞，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件。

由于監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大，不可能人工“照顧”每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被盜去和獲取位造的監(jiān)測(cè)信息。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有魯棒性和容錯(cuò)性。

以數(shù)據(jù)為中心

互聯(lián)網(wǎng)是先有計(jì)算機(jī)終端系統(tǒng)，然后再互聯(lián)成為網(wǎng)絡(luò)，終端系統(tǒng)可以脫離網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立存在。在互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用網(wǎng)絡(luò)中惟一的IP地址標(biāo)識(shí)，資源定位和信息傳輸依賴于終端、路由器、服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址。如果想訪問互聯(lián)網(wǎng)中的資源，首先要知道存放資源的服務(wù)器IP地址?？梢哉f現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，傳感器原理及應(yīng)用，脫離傳感器網(wǎng)絡(luò)談?wù)搨鞲衅鞴?jié)點(diǎn)沒有任何意義。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)編號(hào)標(biāo)識(shí)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)是否需要惟一取決于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點(diǎn)編號(hào)之間的關(guān)系是完全動(dòng)態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)位置沒有必然聯(lián)系。用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時(shí)，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個(gè)確定編號(hào)的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)在獲得指丁事件的信息后匯報(bào)給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習(xí)慣。所以通常說傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。

例如，在應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，跟蹤目標(biāo)可能出現(xiàn)在任何地方，對(duì)目標(biāo)感興趣的用戶只關(guān)心目標(biāo)出現(xiàn)的位置和時(shí)間，并不關(guān)心哪個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到目標(biāo)。事實(shí)上，在目標(biāo)移動(dòng)的過程中，必然是由不同的節(jié)點(diǎn)提供目標(biāo)的位置消息。

1、特性誤差。特性誤差定義為：設(shè)備本身固有的，它是設(shè)備理想的、公認(rèn)的轉(zhuǎn)移功能特性和真實(shí)特性之間的差，這種誤差包括DC漂移值、斜面的不正確或斜面的非線形。

　　2、動(dòng)態(tài)誤差許多傳感器的特性和校準(zhǔn)都是適用靜態(tài)條件下的，這意味著使用的輸入?yún)?shù)是靜態(tài)或類似于靜態(tài)的，許多傳感器具有較強(qiáng)阻尼，因此它們不會(huì)對(duì)輸入?yún)?shù)的改變進(jìn)行快速響應(yīng)，如，熱敏電阻需要數(shù)秒才能響應(yīng)溫度的階躍改變。

　　3、插入誤差是當(dāng)系統(tǒng)中插入一個(gè)傳感器時(shí)，由于改變了測(cè)量參數(shù)而產(chǎn)生的誤差，一般是在進(jìn)行電子測(cè)量時(shí)會(huì)出現(xiàn)這樣的問題，但是在其他方式的測(cè)量中也會(huì)出現(xiàn)類似問題，例如一個(gè)伏特計(jì)在回路中測(cè)量電壓，它必定會(huì)有一個(gè)固有阻抗，比回路阻抗要大很多，或者出現(xiàn)回路負(fù)荷，這時(shí)，讀數(shù)就會(huì)有很大的誤差，這種類型的誤差產(chǎn)生的原因是使用了一個(gè)對(duì)系統(tǒng)(如，壓力系統(tǒng))而言過于大的變送器；或者是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性過于遲緩，或者是系統(tǒng)中自加熱加載了過多的熱能。所以，熱敏電阻不會(huì)立即跳躍至新的阻抗，或產(chǎn)生突變，傳感器，相反，它是慢慢地改變?yōu)樾碌闹?，從而，如果具有延遲特性的稱重傳感器對(duì)溫度的快速改變進(jìn)行響應(yīng)，輸出的波形將失真，因?yàn)槠溟g包含了動(dòng)態(tài)誤差。產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差的因素有響應(yīng)時(shí)間、振幅失真和相位失真。

　　4、環(huán)境誤差來源于傳感器使用的環(huán)境，稱重傳感器因素包括溫度，或是擺動(dòng)、震動(dòng)、海拔、化學(xué)物質(zhì)揮發(fā)或其他因素，這些經(jīng)常影響傳感器的特性，所以在實(shí)際應(yīng)用中，這些因素總是被分類集中在一起的。5、應(yīng)用誤差是操作人員產(chǎn)生的，這也意味著產(chǎn)生的原因很多，例如，溫度測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的誤差，包括探針放置錯(cuò)誤或探針與測(cè)量地點(diǎn)之間不正確的絕緣，另外一些應(yīng)用誤差包括空氣或其他氣體的凈化過程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤，應(yīng)用誤差也涉及變送器的錯(cuò)誤放置，因而正或負(fù)的壓力將對(duì)正確的讀數(shù)造成影響。