网络传感与物联网技术

网络传感与物联网技术学习心得体会

摘要：本文介绍了现代检测技术的概念、特点，基本形式、组成，各个组成部分的定义及特点，还介绍了WSN发展过程、成熟度分析和三种拓扑结构以及媒体访问控制、路由、数据转发及夸层设计等内容，最后介绍了我通过这门课的学习的学习心得。

关键词：现代检测技术；WSN ；概念；组成；特征；现状

一、现代检测技术

自动化技术的高速发展，仪器及检测技术已成为促进当代生产的主流环节，同时也是生产过程自动化和经营管理现代化的基础，没有性能好、精度高、质量可靠的仪器测试到各种有关的信息，要实现高水平的自动化就是一句空话。随着自动化程度要求的不断提高，测试技的作用越来越明显。同时，其他领域科学技术的发展和进步又为现代检测技术试提供了新的方法和装备，促进了现代检测技术的发展。

现代检测技术包括智能传感器、虚拟仪器、多传感器信息融合技术、软测量技术。

1.1智能传感器

智能传感器是应自动测控系统发展的需要而产生的，是微型计算机技术与传感器技术相结合的结晶，也是传感器技术克服自身不足向前发展的必然趋势。

智能传感器的功能：

1 具有逻辑判断、统计处理功能。可对检测数据进行分析、统计和修正，还可对线性、非线性、温度、噪声、响应时间、交叉感应以及缓慢漂移等误差进行补偿，提高测量的准确度。

2 具有自诊断、自校准功能。能在接通电源时进行开机自检，并在工作中进行运行自检，可实时自行诊断测试，以确定哪一组件有故障，提高系统工作的可靠性。

3 具有自适应、自调整功能。可根据待测物理量的数值大小及变化情况自动选择检测量程和测量方式，提高检测适用性。

4 具有组态功能。可实现多传感器、多参数的复合测量，扩大检测与使用范围。

5 具有记忆、存储功能。可进行检测数据的随时存取，加快信息的处理速度。

6 具有数据通讯功能。智能传感器具有数据通讯接口，能与计算机直接联机，相互交换信息，提高信息处理的质量。

1.2 计算机虚拟仪器技术

虚拟仪器是在计算机上显示传统仪器面板，它将硬件电路完成的信号调理和处理功能由计算机程序完成，这种硬件功能软件化是虚拟仪器的一大特征。

虚拟仪器技术的发展过程：

1.3 多传感器信息融合技术

近年来，多传感器数据融合技术广泛应用于C3I系统、复杂工业过程控制、机器人、自动目标识别、交通管制、惯性导航、海洋监视和管理、农业、遥感、医疗诊断、图像处理、模式识别等领域。

多传感器数据融合比较确切的定义可概括为：充分利用不同时间与空间的多传感器数据资源，采用计算机技术对按时间序列获得的多传感器观测数据，在一定准则下进行分析、综合、支配和使用，获得对被测对象的一致性解释与描述，进而实现相应的决策和估计，使系统获得比它的各组成部分更充分的信息。

多传感器数据融合原理：多传感器数据融合技术的基本原理就像人脑综合处理信息一样，充分利用多个传感器资源，通过对多传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多传感器在空间或时间上冗余或互补信息依据某种准则来进行组合，以获得被测对象的一致性解释或描述。

1.4软测量技术

随着现代工业过程对控制、计算、节能增效和运行可靠性等要求的不断提高，各种测量要求日益增多。现代过程检测的内涵和外延较之以往均有很大的深化和拓展。

软测量技术基本原理：软测量技术在工业过程中主要应用于实时估计、故障冗余、智能校正和多路复用等方面。它依据对可测易测过程变量(称为辅助变量如压力、温度等)与难以直接测量的待测过程变量(称为主导变量，如产品分布、物料成分)之间的数学关系的认识，采用各种计算方法，用软件实现待测变量的测量或估计。

二、无线传感器网络的概述

WSN是由大量密集部署在监控区域的智能节点构成的一种网络应用系统，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。它的三个要素是传感器、感知对象和观察者。因此可以说WSN将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变了人类与自然界的交互方式。

随机分布的有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络，借助节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象。在通信方式上，虽然可以采用有线、无线、红外和光等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络的使用，

为明确起见，一般称无线传感器网络。

2.1 无线传感器网络体系架构

传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在检测区域内，以自组织方式构成网络，通过多跳中继方式将检测到的数据传送给汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布检测任务及收集检测数据。

传感器节点一般由数据采集模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块这四部分组成。数据采集模块负责数据的采集和转换，处理器模块负责数据处理，无线通信模块负责与其他节点进行数据传输，能量供应模块负责运行所需的能量，通常采用微型电池。传感器节点的处理器通常使用嵌入式CPU数据感知单元通过对传感器所在区域进行数据采集和感知，进行模数转换；经由数据处理单元对数据信号进行简单处理后由数据传送单元调制后发射出去。

2.2 WSN技术的成熟度分析

Gartner信息技术研究与咨询公司从2005年到2008年对WSN网络的技术追踪和评估。2005年，Gartner认为WSN技术的关注度已经越过了膨胀高峰并回归理性，表现为以美国为首的科研人员开始理性反思这种技术模式是不是有进一步推广和发展的机会。当时的预期比较乐观，认为该技术将在2～5年内走向成熟。2006年，Gartner的评估认为该技术正按照预定曲线前行，但成熟时间要更长一些；而到了2007年，Gartner发现对该技术的关注度又有大幅度回升，但其市场并没有走向高产能期，而是似乎又回到了技术膨胀期。同时，距离成熟的时间仍然是10年以上。这种结果的可能原因是杀手级应用所需的几项关键性的支撑技术目前难于突破，微型化、可靠性、能量供给在目前看来是制约应用的最大问题。另外，这些技术之间还彼此制约。首先，微型化使节点通信距离变短，路径长度增加，数据延迟难于预期；其次，能量获取和存储容量与设备体积(表面积)呈正比，充足的能源和微型化设计之间的矛盾难于调和；再有，现有电子技术还很难做到可降解的绿色设计，微型化给回收带来困难，从而威胁到环境健康。市场不会向技术妥协，如果一项技术不能在方方面面做到完美就很难被市场所接受。无线传感器网络技术要想在未来十几年内有所发展，一方面要在这些关键的支撑技术上有所突破；另一方面，就要在成熟的市场中寻找应用，构思更有趣、更高效的应用模式。值得庆幸的是，WSN技术在中国找到了发展机会。政府引导、研究人员推动和企业的积极参与大大加快了WSN技术的市场化进程。中国必将在WSN技术和市场推进中发挥重要作用。

2.3 拓扑控制

组网模式决定了网络的总体拓扑结构，但为了实现WSN网络的低能耗运行，还需要对节点连接关系的时变规律进行细粒度控制。目前主要的拓扑控制技术分为时间控制、空间控制和逻辑控制3种。时间控制通过控制每个节点睡眠、工作的占空比，节点间睡眠起

始时间的调度，让节点交替工作，网络拓扑在有限的拓扑结构间切换；空间控制通过控制节点发送功率改变节点的连通区域，使网络呈现不同的连通形态，从而获得控制能耗、提高网络容量的效果；逻辑控制则是通过邻居表将不“理想的”节点排除在外，从而形成更稳固、可靠和强健的拓扑。WSN技术中，拓扑控制的目的在于实现网络的连通(实时连通或者机会连通)的同时保证信息的能量高效、可靠的传输。

2.4媒体访问控制和链路控制

媒体访问控制(MAC)和链路控制解决无线网络中普遍存在的冲突和丢失问题，根据网络中数据流状态控制临近节点，乃至网络中所有节点的信道访问方式和顺序，达到高效利用网络容量，减低能耗的目的。MAC控制是WSN最为活跃的研究热点，因为MAC层的运行效率直接反应整个网络的能量效率。

复杂环境的短距离无线链路特性与长距离完全不同，短距离无线射频在其覆盖范围内的过渡临界区宽度与通信距离的比例要大得多，因而更多链路呈现复杂的不稳定特性。。复杂的链路特征需要在MAC控制中更充分地考虑链路特性。链路特征同时也是在数据转发和汇聚中需要考虑的重要因素。

2.5路由、数据转发及跨层设计

WSN网络中的数据流向与Internet相反：在Internet网络中，终端设备主要从网络上获取信息；而在WSN网络中，终端设备是向网络提供信息。因此，WSN网络层协议设计有自己的独特要求。由于在WSN网络中对能量效率的苛刻要求，研究人员通常利用MAC 层的跨层服务信息来进行转发节点、数据流向的选择。另外，网络在任务发布过程中一般要将任务信息传送给所有的节点，因此设计能量高效的数据分发协议也是在网络层研究的重点。网络编码技术也是提高网络数据转发效率的一项技术。在分布式存储网络架构中，一份数据往往有不同的代理对其感兴趣，网络编码技术通过有效减少网络中数据包的转发次数，来提高网络容量和效率。

2.6 QoS保障和可靠性设计

QoS保障和可靠性设计技术是传感器网络走向可用的关键技术之一。QoS保障技术包括通信层控制和服务层控制。传感器网络大量的节点如果没有质量控制，将很难完成实时监测环境变化的任务。可靠性设计技术目的则是保证节点和网络在恶劣工作条件下长时间工作。节点计算和通信模块的失效直接导致节点脱离网络，而传感模块的失效则可能导致数据出现岐变，造成网络的误警。如何通过数据检测失效节点也是关键研究内容之一。三、学习心得

从这门课程学习内容来看，包括传感器技术、误差理论、测量技术、抗干扰技术还有电量转换的技术以及WSN的的发展过程和组织、成熟度分析以及拓扑控制和媒体访问控制和链路控制等。

在现代检测仪器和检测系统的种类、型号、性能千差万别，但作用都是用于各种物理

或化学成分等参量的检测。传感器是检测系统的起点。传感器的作用是感受指定被测参量的变化并按照一定的规律转换成一个相应的便于传递的输出信号。一般都转换成电信号，这样信号容易传输。

在检测系统中，测量肯定存在误差，所以误差理论的学习必不可少。正确认识误差的性质，分析误差的产生原因，以减少甚至消除误差。正确的处理测量到的数据，合理的计算所得结果，以便在一定条件下得到更接近与真值的数据。这样对于监测的量可以的到更精确的值，对于控制系统，可以更好地控制被控对象。不同的被测对象有不同的测量方法，就算是同一种对象在不同的情况下也有不同的方法。测量技术的学习也不可少。根据被测对象的特性可以研究出不同的测量方法，以便满足不同的实际需求。信号在传输的时候，难免会有各种干扰，抗干扰的技术的学习也很重要。

WSN网络从机制研究、系统研发，到应用示范试点，正在努力走向技术和产业的成熟。在中国，政府的引导、研究人员的推动和企业的积极参与使WSN网络技术快速稳步发展。为了让WSN更快地进入应用产业，为更多人服务，必须在努力寻找独特的杀手锏应用的同时，更多地将目光转向改善成熟产业中对自动化监测、检验和管理的应用需求，为其量身订做协议、软件和产品，并努力做到与现有管理系统的无缝连接。只有在应用和市场上站稳脚跟，才能保持WSN在技术上的持续发展。

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