物聯網關鍵性技術無線傳感技術

　　隨著社會的快速發展，無線網絡已變為生活中非常關鍵的部分，為人們的日常生活以及工作有效提供了便利。時代的不斷發展，快速推動了物聯網的發展。而無線傳感器網絡屬于物聯網當中的一個運用技術，有著非常巨大的作用，無線傳感器網絡技術的發展與應用會為我國經濟創造非常大的效益。

　　物聯網（IOT）也就是物物聯系。當前相對較為認可的概念是：其利用射頻辨別（RFID）、定位系統、激光掃描器等信息傳感設施和互聯網關聯在一起，開展信息交換與通信，進而完成智能化辨別、定位、追蹤、監管。此外，此網還能被詮釋成利用“泛在網絡”完成“泛在服務”，根據個人與組織的現實需要，使用領先的智能科技，完成人和人、人和物、物和物彼此間需要的數據籌集、傳播、存儲、加工處置、決策使用等整體服務，是目前使用相對普遍的網絡應用形式。其最主要的特點是物物聯系，信息能被自動化處置，不需要人為負責，因此工作效率更高，減少了人為因素造成的不平穩性。因此，物聯網在當前眾多領域內的發展空間較大，應用行業類型眾多，具備較高的現實價值，此外物聯網將和互聯網高效的匯總之后，促進當前社會和物理體系的結合。物聯網的結構圖如下圖所示。

　　云計算平臺物聯網管理中心物聯網信息中心行業專家系統

　　2G網絡3G網絡4G網絡

　　1概念

　　無線傳感器網絡（WSN）主要包含在監測地區內的眾多價格較低的微型傳感器節點，當前使用無線通信形式產生的多跳自組織網絡體系，可以利用集成化的微型傳感器，配合完成全面監管、感知、籌集與處置網絡覆蓋地區內眾多感知主體的詳細情況，且對信息內容進行處置，之后利用無線通信模式傳送，且以自組多跳網絡形式傳播給使用者，進而完成數據籌集、目標追蹤和報警監控等眾多目標。當前，傳感器信息獲得科技開始向集成化、微型化以及網絡化趨勢進發，其科技化水平的提高會促進信息革命的出現。無線傳感器絡技術主要包含傳感器技術、嵌入式計算技術、當代網絡和無線通信技術等眾多前沿發展術，此技術具有的感知水平、計算水平、通信水平，可以提高WSN應用空間以及價值，也是物聯網目前深入分析的重點。

　　2發展歷程

　　第一代傳感器網絡設計于二十世紀中后期，采用具備單純信息信號獲取功能的老舊傳感器，使用點對點傳送、連接傳感控制器組成綜合體系；第二代設備，具備獲取眾多信息內容的整體功能，使用串，并接口（R8-232、RS-485RRS）和傳感控制器聯系起來，組成具備眾多信息內容的傳感器網絡；第三代設計于二十世紀后期，使用具備智能獲取眾多信息內容的傳感器，使用現場總線連接傳感設備，組建完善的局域網絡，變成智能化傳感器網絡；第四代目前依舊在進行分析研究，并未全部設計完成，也沒有得到成品，使用充足具備多功能多信息信號獲取功能的傳感器，使用自組織無線接入網絡，和控制器聯系，組成無線傳感器網絡。本文所敘述的就是此網絡。

　　以物聯網系統中配網線路監測為例，物聯網示范應用系統逐漸把十幾種傳感器全部使用到配網運作體系內，完成配網設施溫度、環境運作溫濕度、環網柜水浸、門開關、桿塔傾斜、線路故障電流、電纜屏蔽層電流、變壓器中心點電流、變壓器噪聲等眾多參量的狀態、故障和防盜實時監管。監管的配網設施涉及類型眾多，主要涵蓋配網線路、變壓器、斷路器、隔離開關、環網柜等多個部分。因為電力系統內出現眾多無法直接明確的潛伏性問題，尤其是在相對復雜的配電體系，因為其運作線路眾多，因此故障類型眾多，導致工作人員在故障定位的時候遇到眾多問題。因此當前簡單監測量無法直接判定出確切位置，乃至會發生“虛警”問題，導致工作人員遇到帶來眾多問題和阻礙。所以此時要使用以上多傳感器融合模式，整體研究多種現實數據，利用主站數據控制中心對不同傳感器設備傳送的信息進行統計處理，依照對照的處理計算公式，得出相對精準的結果。特意選取了物聯網示范應用項目中幾個多傳感器參量協同監的應用示例：對配電變壓器運行協同監測：通過在配電變壓器上安裝配變綜測骨干節點、無線溫度傳感器、無線噪聲傳感器實現變壓器的多參量協同監測，可以監測變壓器低壓側電流、電壓、變壓器運行溫度、運行噪聲以及變壓器所在桿塔的傾斜度等，當變壓器出現故障時先進行電流的分析，如果電流比較大，那變壓器的溫度一定高，噪聲也會變大，如果電流不變，再進行溫度的分析，溫度升高，可能是電纜接觸不良等原因造成，噪聲也會變大。

　　1數據融合理論

　　目前，比較常用的多傳感器融合方法有：卡爾曼濾波，貝葉斯估計，D-S推理，聚類分析法，而近年來隨著神經傳感網絡技術的發展，其最新研究也逐步運用在多傳感器信息融合上。多傳感器融合技術的應用非常廣泛，主要應用在軍事和民用兩個領域，軍事應用是多傳感器信息融合技術誕生的源泉，具體應用包括海洋監視系統，空對空或地對空防御系統，戰場情報、防御、目標獲取，戰略預警和防御系統。而民用領域主要是用于機器人、智能制造、智能交通、無損檢測、環境監測、醫療診斷、遙感等。

　　2物聯網數據融合體系架構及方法

　　傳感器信息融合系統當前通常被劃分成下面的類型：分布式，集中式和混合式。每種體系的區別僅在于對數據的處理的位置。分布式的結構主要是對已經進行預處理的數據在信息融合中心進行智能組合，從而得到最終的結果，集中式則與其相反，數據的處理都是單獨進行上傳，全部集中在數據處理中心進行融合，對處理器要求較高?；旌鲜蕉鄠鞲衅餍畔⑷诤象w系結構內，少數傳感器使用集中式融合科技，剩下的則使用分布式。這樣的數據處理體系具有較強的適應能力，兼顧了兩種融合體系的優點，但是也相對比較復雜。物聯網系統的數據融合采用了混合式的數據融合方式，同時對于數據的傳輸模型提出了電子表單TEDS的概念，物聯網系統中通過電子表單，對傳感器數據進行統一封裝和解析，目前物聯網中的TEDS機構采用下圖中的方式。

 

　　1無線傳感器

　　無線傳感器，采用低功耗傳感器配置壓力、氣體、溫度、溫濕度等傳感元件，達到壓力，氣體，溫度，溫濕度等參數采集和無線傳輸，進行無線監控的智能傳感器網絡產品，主要監測管道、容器的壓力，氣體，溫度，溫濕度等參數，通過無線方式上傳，可用電池、太陽能，以及外供電等供電方式。

　　2無線測控裝置

　　無線測控裝置是匯聚數據籌集、管控和無線通信作用的終端測控產品，用于采集分布式就地安裝的傳感器數據（比如壓力、流量、位移、振動、位置、溫度、濕度、雨量、風速、風向、聲音、狀態、氣體含量、電磁、噪聲、光強度、運動或污染物等參數），開關狀態數據。

　　3無線環境監測裝置

　　智能環境監測裝置，可同時配置5支不同的傳感器，處理、保存讀取的傳感器數據，并通過無線方式將數據上傳至網關或數據中心服務器。

　　4智能網關

　　智能網關是傳感網絡的重點，開啟、負責此網絡，調節內部節點通信，完成通訊監管、信息籌集、協議轉變、數據處置轉發等等目標，創建平穩、高效、科學的智能傳感網絡。

　　無線傳感器網絡是目前信息行業全新的分析主體，與眾多學科相融合的分析內容，因此還有大量的重要技術需要我們深入尋找與分析。

　　1網絡拓撲控制

　　對無線的自組織傳感器網絡來說，網絡拓撲控制具備獨特的現實價值。利用此控制自主產生完善網絡拓撲結構，可以提升路由與MAC協議的工作效率，為后續的信息結合、時間同步與目標定位等大部分功能準備基礎，便于節約節點的能量來增加使用時間。因此，拓撲控制是當前此領域分析的關鍵部分。

　　2網絡協議

　　因為傳感器節點的計算水平、存儲水平、通信能量和具有的能量并不多，不同節點只可以得到部分網絡的拓撲數據，上述運作的網絡協議必須簡單。此外，傳感器拓撲內部改變，網絡資源也出現明顯的改變，上述均對網絡協議指出更為嚴苛的標準。此類網絡協議促使不同單獨的節點產生多跳的數據傳輸體系，當前分析關鍵點則是網絡層與數據鏈路層協議。前者確定監管信息的傳送路徑；后者的介質訪問控制主要是創建底部的主要結構、內部節點的通信環節與工作方式。

　　3網絡安全

　　無線傳感器網絡表現出重要的任務型特點，不只要進行數據傳送，此外也需要負責信息籌集與結合、工作協同管控等。怎樣確保工作執行的私密性、信息形成的穩定性、數據結合的效率性和傳送的全面性，就變成此網絡安全問題需要格外思考的重點。

　　4時間同步

　　時間同步是需要協同運作的傳感器網絡系統的重要部分。比如計算移動車輛速度要統計各個傳感器檢測事件時間誤差，利用波束陣列明確聲源方位節點間時間同步。NTP協議是Internet上普遍采用的網絡時間協議，然而目前僅僅使用在比較平穩、鏈路較少失敗的有線網絡系統內；GPS系統可以以納秒級精度和全球標準時間維持相同，然而需要增設相應的高費用接收機，此外在室內、森林或水下等具有遮蔽的環境內不能使用此系統。所以，其都不能使用在傳感器網絡內。

　　5定位技術

　　位置信息是傳感器節點籌集信息中不容忽視的關鍵部分，缺少位置數據的監測內容一般不具備價值。明確事件出現的方位或籌集信息的節點方位是此類網絡最主要的作用。為了得到精準的位置數據，隨機增設的傳感器節點需要在分布之后明確本身位置。因為內部節點出現資源不足、隨機設置、通信容易遭受環境影響乃至節點功能無法發揮等不足，定位體制需要達到自組織性、能量高效、分布式統計等標準。

　　6數據融合

　　傳感器網絡出現能量限制?？s減傳送的數據量可以高效的節約能量，所以在從不同傳感器節點籌集信息的時候，可通過節點的本地計算與存儲水平解決數據的結合，刪除多余數據，進而完成節約能量的目標。因為此類節點容易失效，傳感器網絡也要使用數據融合技術對眾多信息進行匯總和處理，提升數據精準度。

　　物聯網涵蓋感知層、網絡層與應用層三部分，葉云指出，當前我國缺少感知層的產品與科技，是數據抓取與匯總。在此部分，因為傳感器科技的成熟度與費用情況，限制了無線傳感器網絡和物聯網的普遍使用。余建美提出，多個部分原因會影響決定物聯網的普及情況，第一是無線傳感器的持續低損耗化，第二是發展無線供電或采電科技，第三是能源超微型化，第四是設備微型化。去除上述多種因素之外，設施集成制造技術、信號檢測的高科技發展，還是此部分重點研究的關鍵內容。所以，當前此類技術重點分析任務是上述多個部分因素，假如科學深入研究上述眾多部分，就可以促進物聯網的持續發展，應用范圍也會隨之擴大，發展規模得到擴張，物聯網就能全面完成物物聯系，變成會“表示”、會“分析”、會“操作”的交流網絡。

　　RFID技術又稱射頻識別或射頻識別傳感器，是“讀取”各種標簽內增加密碼的電存儲信息，之后把其返回到傳感器的重要無線傳感網科技。數據利用電磁場通過無線模式傳送到傳感器，不需要傳感器和標簽兩者間的直接觸碰。就可以在大概幾米的長度傳送信息的近程標簽，可利用磁場讀取或通電，然而很多時候利用射頻辨別傳感器發出的相關輻射完成通電，此外就是使用電池供電。后者需要在幾百米的距離讀取，比如條形碼等電子讀取科技的突出優勢是標簽不需要傳感器對準。在此部分標簽中增加多種對象，就可以使用傳感器在遠處進行追蹤。

　　射頻識別技術使用閱讀器或“詢問機”發送編碼無線電信號，以“詢問”某個特別設計的電活性標簽或商標。如上所述，其包含有電子方式存儲的數據。隨后該詢問機“閱讀”或接收從標簽反射回來的響應信息。該標簽響應詢問而發送的信息模式千差萬別；有的只產生一個序列號，有的可以提供相當多的信息，如標記物品的生產日期、產品特質數據、及批號或庫存編號。

　　電池供電的標簽一般都是“主動式”，根據預設目錄發射其唯一標識。被動式標簽僅由來自于射頻識別閱讀器的信號激活；而電池輔助被動式（BAP）標簽在詢問機靠近時被激活。

　　閱讀器可以是“被動式”（被動式閱讀器主動標簽裝置，Passive Reader Active Tag device，PRAT）或“主動式”（主動式閱讀器被動標簽，ARAT）。顧名思義，PRAT閱讀器不詢問標簽而是由電池供電的主動標簽主動向其發送信號。ARAT閱讀器發送主動信號詢問被動標簽。

　　頻率范圍在120-150 kHz的低速短程射頻識別裝置通常用于收集工廠信息或識別動物，而在頻譜另一端，范圍可達200m的高速數據微波射頻識別裝置的頻率范圍是3.1-10 GHz。高低頻帶寬的標簽必須靠近閱讀器才能被詢問，（因此被稱為“近場”設備）主要因為其是遠處波長極小的一部分。超高頻標簽使用不同的閱讀和發送程序，并且各種主動式可被配置為包含明顯不同的各種接收器和發射器。其未必總須在頻率與射頻識別閱讀器信號相符時作出反應。

　　閱讀器可從多個標簽（例如，儲存于某一倉庫某一板條箱中的類似產品或組件）中激發響應。閱讀器可被配置為“切割”此多個信號，以精確查找某個特定標簽。

　　目前，人們正著力使射頻識別裝置小型化：布里斯托大學的生物學家們在2009年成功地將極小的微型答詢機膠黏至活螞蟻以跟蹤其活體行為?，F在生產的芯片尺寸至多是一粒塵埃大小，記錄上最小的芯片由日立公司開發，尺寸僅為0.05mm×0.05mm。

　　射頻識別裝置于當今無所不在，其可以存儲卡的形式插入智能手機，以電子形式綁定用戶銀行賬戶并用于支付。目前射頻識別技術與便攜式筆記本電腦結合，廣泛用于資產管理，建立無紙化替代方式，消除既費時又費力的人工輸入數據程序。射頻識別裝置可附屬于車輛，使其以遠程識別從而自動通過門禁區域，這樣司機就無需停車向保安人員出示紙質身份證件。但射頻識別裝置大量應用的領域仍然是運輸和物流，在這個領域它們顛覆并簡化了錯綜復雜的堆場管理、交叉配送，使多種貨運產品及配送地點的定位更為精準。

　　在物聯網傳感器網絡體系結構的上述部分中，當前發展一般匯聚在下面多個部分，在協議通信層一般分析主體是數據鏈路層MAC協議和網絡層路由協議等部分；在網絡管理技術層，重點分析內容是籌集信息的管理、節能問題的處理和確保通信安全和穩定；在網絡支撐技術層，重點分析內容是處理節點定位難題、確保時間同步和用戶應用接口的順利進行，此時，協議的分析和節能的完成彼此聯系，互相支持。

　　基于傳感器網絡的所有應用系統都需要依靠感知數據的監管與處理科技。毋庸置疑的是，感知網數據管理與處置技術是明確感知網可用性與實用性的重要技術。站在觀察者的角度上進行分析，傳感器網絡的重點是感知信息，而并非是相關硬件。觀察者更加關注其中出現的數據，而并非傳感器自身。觀察者不會指出上述查詢：“從A節點到B節點的連接怎樣完成？”，其一般會指出下面的查詢：“網絡覆蓋地區內什么部分存在毒氣？”。在此類網絡中，傳感器節點不用地址等相關標識。觀察者也不會指出：“地址是27的傳感器溫度情況？”，通常其會提出的查詢為，“某地理方位的溫度情況？”。

　　根據上述分析，傳感器網絡是以數據為核心的網絡。非常明顯的是，感知數據管理與處理科技的分析是目前確保傳感器網絡順利使用的重要部分。但是到現在為止，與之相關的分析內容較少，此外存在眾多問題需要我們處理。此部分的深入分析是數據庫界遇到的全新工作與全新風險，為此類數據庫領域的發展尋找正確方向。

　　能量是節點運作的前提，節能始終是無線傳感器網絡發展的重要部分。協議的創建要深入研究此部分，從上述MAC協議的分析與路由協議的完成就能看出；網絡內數據處理要充分分析節能，缺少能量，數據就不能得到處理；節點定位、時間同步都要思考此問題，假如可以盡早處理問題，就可以促進眾多環節的盡早完成。顯而易見的是，單純節能形式眾多，例如讓節點按時“休眠”等。然而，大多數節能基本上隱含在實際執行環節中，比如使用某種具有能量管控的有效路由模式，利用調節不同節點發送數據的具體范圍最終管控損耗的能量，節約資源，增加網絡使用時間。

　　傳感器網絡大部分被使用在軍事、商業行業，安全性是此部分最關鍵的分析內容。因為此網絡內節點隨意設置、網絡拓撲的動態性和信道不平穩性，導致之前的安全機制不能使用。所以需要尋找全新的網絡安全機制?？蓪W習擴頻通信、接入認證/鑒權、數據水印以及加密等相關科技。當前，確保網絡安全性的方式較多。此處最重要的是通過獨特的無線傳感器終端。比如使用PTD當做此部分的終端，因為售價較高和具備獨有的環境標準等原因，無法為所有節點在網絡內增設認證服務器來準備傳感器需要的業務，但是在PTD與服務器彼此間創建認證與加密系統，需要在注冊之后PTD終端才可以得到服務，沒有注冊的就無法進行，進而確保系統穩定。一般來說，上述系統使用在家庭中。首先使用安全罩。比如使用被叫做SCANv2安全內容網絡尋址的產品，進而確保此類傳感器網絡的穩定運作。SCANv2本質上就是蓋在真實網絡層上的虛假結構，利用Hash函數，將真實網絡內的節點投射到上述罩內，某地區或某功能的節點在罩空間的某相同特定方位。用戶在從其中得到服務時，要利用對應的安全認證步入罩空間，之后利用加密解密環節從上述映射空間步入真實網絡內得到想要的服務。

　　1節點定位問題

　　和普通的計算機網絡進行比較，WSN在電腦軟硬件所構成計算世界和真實物理世界間創建相對緊密的關系，比如融合位置信息，傳感器獲得到的信息才具備現實價值。大部分WSN分析成果全部表示出節點位置數據的真實性，比如在網絡層，由于WSN節點沒有全局標識，因此確定基于節點位置數據的具體算法；在應用層，依照節點方位，WSN系統能夠機智的挑選部分固定的節點來達成目標，進而在一定程度上減少綜合系統損耗，提升系統使用時限。大部分對目標追蹤問題的分析也是把節點位置已知當做重要的基礎要素。節點定位是WSN系統布局結束之后遇到的現實問題，其能夠被表達成：依賴較少的位置已知節點，明確領域內相關節點的方位，進而在節點之間創建相應的空間關系。目前對節點定位問題的分析通常都將下述部分當做基礎：①有相應比值的節點位置已知或具備GPS定位作用，上述節點方位就是重要的參考點；②節點也許具備測量和周圍節點距離的水平；③節點缺少自主移動水平。全球定位系統逐漸在大部分地區得到普遍使用，然而因為價格過高或者獨特環境標準等條件，無法為所有節點分配GPS接收設備。

　　2時間同步問題

　　之前的分布式系統時間同步算法通常使用集中發布模式，也就是內部時間服務器利用單播或廣播模式周期性地為顧客節點發布時間，如：NTP。Elson等專家深入探究WSN工作方式，指出傳感器節點在大多數時候位于自主工作情況，只有在被監測事件出現之后才要進行協同通信。根據以上工作形式，Elson指出“事后同步”方式，也就是在被監測事件出現以前，不需要對節點同步。只需要在被監測問題出現之后，參加協同工作的節點之間逐漸同步，全面推測出事件出現時間。仿真方式具備良好的節能特點，然而實時性不好。為了精準記載物理層數據包到達時間點，本文單獨增設“同步加速器”，去除因為對同步報文的本地處理所造成的不明確性，提升最終同步的精準度。匯總WSN目前的時間同步方式在精度、有效時間與范圍、能量損耗等部分的優勢，Elson指出基于WSN時間同步方式設計的重要意見：

　　(1)融合使用眾多類型，可以調節的同步形式

　　(2)盡可能不確保全局時間數據

　　(3)采用事后同步，節省資源

　　(4)可以盡快適應多種應用需求

　　(5)全面使用底層通信服務。

　　在軍事行業應用部分，根據無線傳感器技術觀點，把眾多性價比高的傳感器節點，利用飛機或火炮等發射設備，依照相應密度投放到等待監測的地區內，對節點周圍環境的多種參數，充分籌集溫度、濕度、聲音、磁場等數據，之后讓傳感器自組織網絡，利用網關、網絡、衛星等相關形式，傳回數據中心，全面監管敵軍兵力和設施，管控沖突區，確定目標，戰場評價，且完成多種攻擊的監測與搜索等作用，進一步提升軍隊的作戰決策水平。

　　無線傳感器網絡在工業內的使用相對較多，例如工業安全、交通管控、安防體系、倉儲物流監管等部分，此處工業安全行業內的使用分析相對深入。在計算機科技、無線通信科技、微電子科技與網絡科技研發的影響下，工業通信科技開始朝向智能化與網絡化趨勢持續進發。當前，伴隨測控體系規模的持續延伸，煤礦、石化、核電等產業對職員人身安全和相關有害物質的監測費用較多。此處，煤炭產業對領先的井下安全生產保障體系的需求不斷增加。所以，減少投資與綜合費用逐漸變成此領域內未來研究發展的全新現實需求。其中無線傳感器網絡的費用較少、直接簡單、泛在感知等優勢能達到此行業內的眾多現實需求。

　　農業是我國社會經濟發展的重要部分。加快此產業發展就可以得到良好的積極影響。無線傳感器網絡的通信簡單、籌劃便利、可密集劃分等優點，在使用到農業生產行業中，可以監管土壤環境狀態、作物灌溉和種植狀態、牲畜與家禽的環境狀態和地表特征測試。之后根據當前完善的互聯網科技、GPS科技，就能創建全面且實時管理的完善體系。

　　當前，伴隨我國人口老齡化問題更加突出，在醫療護理領域的缺陷開始展現出來，對于病人的病情進行檢驗和查找逐漸變成我們需要盡早處理的現實難題。無線傳感器網絡在此部分具有積極影響，在病人身上安置多種傳感器，以便測試、籌集充足的生理數據，例如體溫、呼吸、血壓等相關信息，首先能及時重視病人的患病狀況，其次，還能把籌集到的生理信息當做研究新藥品的重要憑證。

　　當前，智能家居是物聯網后續研發的關鍵趨勢。從特定層面上此領域是高科技的家庭自動化體系，結合了計算機網絡體系、自動化控制體系、綜合布線科技和網絡通訊科技，自動化管控、遠程控制家庭內的多種相關設施，完成擬人化相關目標，提高家居穩定性、方便性，且在一定程度上減少資源損耗。自動化、遠程管控需要的多種現實數據，都需要讓無線傳感器節點傳播，例如環境檢測數據、裝置系統的正確執行，此時均需要此類設備節點籌集家庭煤氣含量、溫度等相關數據。

　　綜上所述，物聯網屬于信息技術發展的一個產物，而無線傳感器是這當中的一種技術，該技術在很大程度上保證了物聯網的快速穩定發展以及順利的運行。全球各個國家都非常關注此課題的研究結果。當前國內無線傳感網絡科技依舊在起步與攻關時期，我們可以設想，此技術在未來的發展中會得到較大的進步，進而進入到全新的發展階段。

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