物联网关键性技术无线传感技术

　　随着社会的快速发展，无线网络已变为生活中非常关键的部分，为人们的日常生活以及工作有效提供了便利。时代的不断发展，快速推动了物联网的发展。而无线传感器网络属于物联网当中的一个运用技术，有着非常巨大的作用，无线传感器网络技术的发展与应用会为我国经济创造非常大的效益。

　　物联网（IOT）也就是物物联系。当前相对较为认可的概念是：其利用射频辨别（RFID）、定位系统、激光扫描器等信息传感设施和互联网关联在一起，开展信息交换与通信，进而完成智能化辨别、定位、追踪、监管。此外，此网还能被诠释成利用“泛在网络”完成“泛在服务”，根据个人与组织的现实需要，使用领先的智能科技，完成人和人、人和物、物和物彼此间需要的数据筹集、传播、存储、加工处置、决策使用等整体服务，是目前使用相对普遍的网络应用形式。其最主要的特点是物物联系，信息能被自动化处置，不需要人为负责，因此工作效率更高，减少了人为因素造成的不平稳性。因此，物联网在当前众多领域内的发展空间较大，应用行业类型众多，具备较高的现实价值，此外物联网将和互联网高效的汇总之后，促进当前社会和物理体系的结合。物联网的结构图如下图所示。

　　云计算平台物联网管理中心物联网信息中心行业专家系统

　　2G网络3G网络4G网络

　　1概念

　　无线传感器网络（WSN）主要包含在监测地区内的众多价格较低的微型传感器节点，当前使用无线通信形式产生的多跳自组织网络体系，可以利用集成化的微型传感器，配合完成全面监管、感知、筹集与处置网络覆盖地区内众多感知主体的详细情况，且对信息内容进行处置，之后利用无线通信模式传送，且以自组多跳网络形式传播给使用者，进而完成数据筹集、目标追踪和报警监控等众多目标。当前，传感器信息获得科技开始向集成化、微型化以及网络化趋势进发，其科技化水平的提高会促进信息革命的出现。无线传感器络技术主要包含传感器技术、嵌入式计算技术、当代网络和无线通信技术等众多前沿发展术，此技术具有的感知水平、计算水平、通信水平，可以提高WSN应用空间以及价值，也是物联网目前深入分析的重点。

　　2发展历程

　　第一代传感器网络设计于二十世纪中后期，采用具备单纯信息信号获取功能的老旧传感器，使用点对点传送、连接传感控制器组成综合体系；第二代设备，具备获取众多信息内容的整体功能，使用串，并接口（R8-232、RS-485RRS）和传感控制器联系起来，组成具备众多信息内容的传感器网络；第三代设计于二十世纪后期，使用具备智能获取众多信息内容的传感器，使用现场总线连接传感设备，组建完善的局域网络，变成智能化传感器网络；第四代目前依旧在进行分析研究，并未全部设计完成，也没有得到成品，使用充足具备多功能多信息信号获取功能的传感器，使用自组织无线接入网络，和控制器联系，组成无线传感器网络。本文所叙述的就是此网络。

　　以物联网系统中配网线路监测为例，物联网示范应用系统逐渐把十几种传感器全部使用到配网运作体系内，完成配网设施温度、环境运作温湿度、环网柜水浸、门开关、杆塔倾斜、线路故障电流、电缆屏蔽层电流、变压器中心点电流、变压器噪声等众多参量的状态、故障和防盗实时监管。监管的配网设施涉及类型众多，主要涵盖配网线路、变压器、断路器、隔离开关、环网柜等多个部分。因为电力系统内出现众多无法直接明确的潜伏性问题，尤其是在相对复杂的配电体系，因为其运作线路众多，因此故障类型众多，导致工作人员在故障定位的时候遇到众多问题。因此当前简单监测量无法直接判定出确切位置，乃至会发生“虚警”问题，导致工作人员遇到带来众多问题和阻碍。所以此时要使用以上多传感器融合模式，整体研究多种现实数据，利用主站数据控制中心对不同传感器设备传送的信息进行统计处理，依照对照的处理计算公式，得出相对精准的结果。特意选取了物联网示范应用项目中几个多传感器参量协同监的应用示例：对配电变压器运行协同监测：通过在配电变压器上安装配变综测骨干节点、无线温度传感器、无线噪声传感器实现变压器的多参量协同监测，可以监测变压器低压侧电流、电压、变压器运行温度、运行噪声以及变压器所在杆塔的倾斜度等，当变压器出现故障时先进行电流的分析，如果电流比较大，那变压器的温度一定高，噪声也会变大，如果电流不变，再进行温度的分析，温度升高，可能是电缆接触不良等原因造成，噪声也会变大。

　　1数据融合理论

　　目前，比较常用的多传感器融合方法有：卡尔曼滤波，贝叶斯估计，D-S推理，聚类分析法，而近年来随着神经传感网络技术的发展，其最新研究也逐步运用在多传感器信息融合上。多传感器融合技术的应用非常广泛，主要应用在军事和民用两个领域，军事应用是多传感器信息融合技术诞生的源泉，具体应用包括海洋监视系统，空对空或地对空防御系统，战场情报、防御、目标获取，战略预警和防御系统。而民用领域主要是用于机器人、智能制造、智能交通、无损检测、环境监测、医疗诊断、遥感等。

　　2物联网数据融合体系架构及方法

　　传感器信息融合系统当前通常被划分成下面的类型：分布式，集中式和混合式。每种体系的区别仅在于对数据的处理的位置。分布式的结构主要是对已经进行预处理的数据在信息融合中心进行智能组合，从而得到最终的结果，集中式则与其相反，数据的处理都是单独进行上传，全部集中在数据处理中心进行融合，对处理器要求较高。混合式多传感器信息融合体系结构内，少数传感器使用集中式融合科技，剩下的则使用分布式。这样的数据处理体系具有较强的适应能力，兼顾了两种融合体系的优点，但是也相对比较复杂。物联网系统的数据融合采用了混合式的数据融合方式，同时对于数据的传输模型提出了电子表单TEDS的概念，物联网系统中通过电子表单，对传感器数据进行统一封装和解析，目前物联网中的TEDS机构采用下图中的方式。

 

　　1无线传感器

　　无线传感器，采用低功耗传感器配置压力、气体、温度、温湿度等传感元件，达到压力，气体，温度，温湿度等参数采集和无线传输，进行无线监控的智能传感器网络产品，主要监测管道、容器的压力，气体，温度，温湿度等参数，通过无线方式上传，可用电池、太阳能，以及外供电等供电方式。

　　2无线测控装置

　　无线测控装置是汇聚数据筹集、管控和无线通信作用的终端测控产品，用于采集分布式就地安装的传感器数据（比如压力、流量、位移、振动、位置、温度、湿度、雨量、风速、风向、声音、状态、气体含量、电磁、噪声、光强度、运动或污染物等参数），开关状态数据。

　　3无线环境监测装置

　　智能环境监测装置，可同时配置5支不同的传感器，处理、保存读取的传感器数据，并通过无线方式将数据上传至网关或数据中心服务器。

　　4智能网关

　　智能网关是传感网络的重点，开启、负责此网络，调节内部节点通信，完成通讯监管、信息筹集、协议转变、数据处置转发等等目标，创建平稳、高效、科学的智能传感网络。

　　无线传感器网络是目前信息行业全新的分析主体，与众多学科相融合的分析内容，因此还有大量的重要技术需要我们深入寻找与分析。

　　1网络拓扑控制

　　对无线的自组织传感器网络来说，网络拓扑控制具备独特的现实价值。利用此控制自主产生完善网络拓扑结构，可以提升路由与MAC协议的工作效率，为后续的信息结合、时间同步与目标定位等大部分功能准备基础，便于节约节点的能量来增加使用时间。因此，拓扑控制是当前此领域分析的关键部分。

　　2网络协议

　　因为传感器节点的计算水平、存储水平、通信能量和具有的能量并不多，不同节点只可以得到部分网络的拓扑数据，上述运作的网络协议必须简单。此外，传感器拓扑内部改变，网络资源也出现明显的改变，上述均对网络协议指出更为严苛的标准。此类网络协议促使不同单独的节点产生多跳的数据传输体系，当前分析关键点则是网络层与数据链路层协议。前者确定监管信息的传送路径；后者的介质访问控制主要是创建底部的主要结构、内部节点的通信环节与工作方式。

　　3网络安全

　　无线传感器网络表现出重要的任务型特点，不只要进行数据传送，此外也需要负责信息筹集与结合、工作协同管控等。怎样确保工作执行的私密性、信息形成的稳定性、数据结合的效率性和传送的全面性，就变成此网络安全问题需要格外思考的重点。

　　4时间同步

　　时间同步是需要协同运作的传感器网络系统的重要部分。比如计算移动车辆速度要统计各个传感器检测事件时间误差，利用波束阵列明确声源方位节点间时间同步。NTP协议是Internet上普遍采用的网络时间协议，然而目前仅仅使用在比较平稳、链路较少失败的有线网络系统内；GPS系统可以以纳秒级精度和全球标准时间维持相同，然而需要增设相应的高费用接收机，此外在室内、森林或水下等具有遮蔽的环境内不能使用此系统。所以，其都不能使用在传感器网络内。

　　5定位技术

　　位置信息是传感器节点筹集信息中不容忽视的关键部分，缺少位置数据的监测内容一般不具备价值。明确事件出现的方位或筹集信息的节点方位是此类网络最主要的作用。为了得到精准的位置数据，随机增设的传感器节点需要在分布之后明确本身位置。因为内部节点出现资源不足、随机设置、通信容易遭受环境影响乃至节点功能无法发挥等不足，定位体制需要达到自组织性、能量高效、分布式统计等标准。

　　6数据融合

　　传感器网络出现能量限制。缩减传送的数据量可以高效的节约能量，所以在从不同传感器节点筹集信息的时候，可通过节点的本地计算与存储水平解决数据的结合，删除多余数据，进而完成节约能量的目标。因为此类节点容易失效，传感器网络也要使用数据融合技术对众多信息进行汇总和处理，提升数据精准度。

　　物联网涵盖感知层、网络层与应用层三部分，叶云指出，当前我国缺少感知层的产品与科技，是数据抓取与汇总。在此部分，因为传感器科技的成熟度与费用情况，限制了无线传感器网络和物联网的普遍使用。余建美提出，多个部分原因会影响决定物联网的普及情况，第一是无线传感器的持续低损耗化，第二是发展无线供电或采电科技，第三是能源超微型化，第四是设备微型化。去除上述多种因素之外，设施集成制造技术、信号检测的高科技发展，还是此部分重点研究的关键内容。所以，当前此类技术重点分析任务是上述多个部分因素，假如科学深入研究上述众多部分，就可以促进物联网的持续发展，应用范围也会随之扩大，发展规模得到扩张，物联网就能全面完成物物联系，变成会“表示”、会“分析”、会“操作”的交流网络。

　　RFID技术又称射频识别或射频识别传感器，是“读取”各种标签内增加密码的电存储信息，之后把其返回到传感器的重要无线传感网科技。数据利用电磁场通过无线模式传送到传感器，不需要传感器和标签两者间的直接触碰。就可以在大概几米的长度传送信息的近程标签，可利用磁场读取或通电，然而很多时候利用射频辨别传感器发出的相关辐射完成通电，此外就是使用电池供电。后者需要在几百米的距离读取，比如条形码等电子读取科技的突出优势是标签不需要传感器对准。在此部分标签中增加多种对象，就可以使用传感器在远处进行追踪。

　　射频识别技术使用阅读器或“询问机”发送编码无线电信号，以“询问”某个特别设计的电活性标签或商标。如上所述，其包含有电子方式存储的数据。随后该询问机“阅读”或接收从标签反射回来的响应信息。该标签响应询问而发送的信息模式千差万别；有的只产生一个序列号，有的可以提供相当多的信息，如标记物品的生产日期、产品特质数据、及批号或库存编号。

　　电池供电的标签一般都是“主动式”，根据预设目录发射其唯一标识。被动式标签仅由来自于射频识别阅读器的信号激活；而电池辅助被动式（BAP）标签在询问机靠近时被激活。

　　阅读器可以是“被动式”（被动式阅读器主动标签装置，Passive Reader Active Tag device，PRAT）或“主动式”（主动式阅读器被动标签，ARAT）。顾名思义，PRAT阅读器不询问标签而是由电池供电的主动标签主动向其发送信号。ARAT阅读器发送主动信号询问被动标签。

　　频率范围在120-150 kHz的低速短程射频识别装置通常用于收集工厂信息或识别动物，而在频谱另一端，范围可达200m的高速数据微波射频识别装置的频率范围是3.1-10 GHz。高低频带宽的标签必须靠近阅读器才能被询问，（因此被称为“近场”设备）主要因为其是远处波长极小的一部分。超高频标签使用不同的阅读和发送程序，并且各种主动式可被配置为包含明显不同的各种接收器和发射器。其未必总须在频率与射频识别阅读器信号相符时作出反应。

　　阅读器可从多个标签（例如，储存于某一仓库某一板条箱中的类似产品或组件）中激发响应。阅读器可被配置为“切割”此多个信号，以精确查找某个特定标签。

　　目前，人们正着力使射频识别装置小型化：布里斯托大学的生物学家们在2009年成功地将极小的微型答询机胶黏至活蚂蚁以跟踪其活体行为。现在生产的芯片尺寸至多是一粒尘埃大小，记录上最小的芯片由日立公司开发，尺寸仅为0.05mm×0.05mm。

　　射频识别装置于当今无所不在，其可以存储卡的形式插入智能手机，以电子形式绑定用户银行账户并用于支付。目前射频识别技术与便携式笔记本电脑结合，广泛用于资产管理，建立无纸化替代方式，消除既费时又费力的人工输入数据程序。射频识别装置可附属于车辆，使其以远程识别从而自动通过门禁区域，这样司机就无需停车向保安人员出示纸质身份证件。但射频识别装置大量应用的领域仍然是运输和物流，在这个领域它们颠覆并简化了错综复杂的堆场管理、交叉配送，使多种货运产品及配送地点的定位更为精准。

　　在物联网传感器网络体系结构的上述部分中，当前发展一般汇聚在下面多个部分，在协议通信层一般分析主体是数据链路层MAC协议和网络层路由协议等部分；在网络管理技术层，重点分析内容是筹集信息的管理、节能问题的处理和确保通信安全和稳定；在网络支撑技术层，重点分析内容是处理节点定位难题、确保时间同步和用户应用接口的顺利进行，此时，协议的分析和节能的完成彼此联系，互相支持。

　　基于传感器网络的所有应用系统都需要依靠感知数据的监管与处理科技。毋庸置疑的是，感知网数据管理与处置技术是明确感知网可用性与实用性的重要技术。站在观察者的角度上进行分析，传感器网络的重点是感知信息，而并非是相关硬件。观察者更加关注其中出现的数据，而并非传感器自身。观察者不会指出上述查询：“从A节点到B节点的连接怎样完成？”，其一般会指出下面的查询：“网络覆盖地区内什么部分存在毒气？”。在此类网络中，传感器节点不用地址等相关标识。观察者也不会指出：“地址是27的传感器温度情况？”，通常其会提出的查询为，“某地理方位的温度情况？”。

　　根据上述分析，传感器网络是以数据为核心的网络。非常明显的是，感知数据管理与处理科技的分析是目前确保传感器网络顺利使用的重要部分。但是到现在为止，与之相关的分析内容较少，此外存在众多问题需要我们处理。此部分的深入分析是数据库界遇到的全新工作与全新风险，为此类数据库领域的发展寻找正确方向。

　　能量是节点运作的前提，节能始终是无线传感器网络发展的重要部分。协议的创建要深入研究此部分，从上述MAC协议的分析与路由协议的完成就能看出；网络内数据处理要充分分析节能，缺少能量，数据就不能得到处理；节点定位、时间同步都要思考此问题，假如可以尽早处理问题，就可以促进众多环节的尽早完成。显而易见的是，单纯节能形式众多，例如让节点按时“休眠”等。然而，大多数节能基本上隐含在实际执行环节中，比如使用某种具有能量管控的有效路由模式，利用调节不同节点发送数据的具体范围最终管控损耗的能量，节约资源，增加网络使用时间。

　　传感器网络大部分被使用在军事、商业行业，安全性是此部分最关键的分析内容。因为此网络内节点随意设置、网络拓扑的动态性和信道不平稳性，导致之前的安全机制不能使用。所以需要寻找全新的网络安全机制。可学习扩频通信、接入认证/鉴权、数据水印以及加密等相关科技。当前，确保网络安全性的方式较多。此处最重要的是通过独特的无线传感器终端。比如使用PTD当做此部分的终端，因为售价较高和具备独有的环境标准等原因，无法为所有节点在网络内增设认证服务器来准备传感器需要的业务，但是在PTD与服务器彼此间创建认证与加密系统，需要在注册之后PTD终端才可以得到服务，没有注册的就无法进行，进而确保系统稳定。一般来说，上述系统使用在家庭中。首先使用安全罩。比如使用被叫做SCANv2安全内容网络寻址的产品，进而确保此类传感器网络的稳定运作。SCANv2本质上就是盖在真实网络层上的虚假结构，利用Hash函数，将真实网络内的节点投射到上述罩内，某地区或某功能的节点在罩空间的某相同特定方位。用户在从其中得到服务时，要利用对应的安全认证步入罩空间，之后利用加密解密环节从上述映射空间步入真实网络内得到想要的服务。

　　1节点定位问题

　　和普通的计算机网络进行比较，WSN在电脑软硬件所构成计算世界和真实物理世界间创建相对紧密的关系，比如融合位置信息，传感器获得到的信息才具备现实价值。大部分WSN分析成果全部表示出节点位置数据的真实性，比如在网络层，由于WSN节点没有全局标识，因此确定基于节点位置数据的具体算法；在应用层，依照节点方位，WSN系统能够机智的挑选部分固定的节点来达成目标，进而在一定程度上减少综合系统损耗，提升系统使用时限。大部分对目标追踪问题的分析也是把节点位置已知当做重要的基础要素。节点定位是WSN系统布局结束之后遇到的现实问题，其能够被表达成：依赖较少的位置已知节点，明确领域内相关节点的方位，进而在节点之间创建相应的空间关系。目前对节点定位问题的分析通常都将下述部分当做基础：①有相应比值的节点位置已知或具备GPS定位作用，上述节点方位就是重要的参考点；②节点也许具备测量和周围节点距离的水平；③节点缺少自主移动水平。全球定位系统逐渐在大部分地区得到普遍使用，然而因为价格过高或者独特环境标准等条件，无法为所有节点分配GPS接收设备。

　　2时间同步问题

　　之前的分布式系统时间同步算法通常使用集中发布模式，也就是内部时间服务器利用单播或广播模式周期性地为顾客节点发布时间，如：NTP。Elson等专家深入探究WSN工作方式，指出传感器节点在大多数时候位于自主工作情况，只有在被监测事件出现之后才要进行协同通信。根据以上工作形式，Elson指出“事后同步”方式，也就是在被监测事件出现以前，不需要对节点同步。只需要在被监测问题出现之后，参加协同工作的节点之间逐渐同步，全面推测出事件出现时间。仿真方式具备良好的节能特点，然而实时性不好。为了精准记载物理层数据包到达时间点，本文单独增设“同步加速器”，去除因为对同步报文的本地处理所造成的不明确性，提升最终同步的精准度。汇总WSN目前的时间同步方式在精度、有效时间与范围、能量损耗等部分的优势，Elson指出基于WSN时间同步方式设计的重要意见：

　　(1)融合使用众多类型，可以调节的同步形式

　　(2)尽可能不确保全局时间数据

　　(3)采用事后同步，节省资源

　　(4)可以尽快适应多种应用需求

　　(5)全面使用底层通信服务。

　　在军事行业应用部分，根据无线传感器技术观点，把众多性价比高的传感器节点，利用飞机或火炮等发射设备，依照相应密度投放到等待监测的地区内，对节点周围环境的多种参数，充分筹集温度、湿度、声音、磁场等数据，之后让传感器自组织网络，利用网关、网络、卫星等相关形式，传回数据中心，全面监管敌军兵力和设施，管控冲突区，确定目标，战场评价，且完成多种攻击的监测与搜索等作用，进一步提升军队的作战决策水平。

　　无线传感器网络在工业内的使用相对较多，例如工业安全、交通管控、安防体系、仓储物流监管等部分，此处工业安全行业内的使用分析相对深入。在计算机科技、无线通信科技、微电子科技与网络科技研发的影响下，工业通信科技开始朝向智能化与网络化趋势持续进发。当前，伴随测控体系规模的持续延伸，煤矿、石化、核电等产业对职员人身安全和相关有害物质的监测费用较多。此处，煤炭产业对领先的井下安全生产保障体系的需求不断增加。所以，减少投资与综合费用逐渐变成此领域内未来研究发展的全新现实需求。其中无线传感器网络的费用较少、直接简单、泛在感知等优势能达到此行业内的众多现实需求。

　　农业是我国社会经济发展的重要部分。加快此产业发展就可以得到良好的积极影响。无线传感器网络的通信简单、筹划便利、可密集划分等优点，在使用到农业生产行业中，可以监管土壤环境状态、作物灌溉和种植状态、牲畜与家禽的环境状态和地表特征测试。之后根据当前完善的互联网科技、GPS科技，就能创建全面且实时管理的完善体系。

　　当前，伴随我国人口老龄化问题更加突出，在医疗护理领域的缺陷开始展现出来，对于病人的病情进行检验和查找逐渐变成我们需要尽早处理的现实难题。无线传感器网络在此部分具有积极影响，在病人身上安置多种传感器，以便测试、筹集充足的生理数据，例如体温、呼吸、血压等相关信息，首先能及时重视病人的患病状况，其次，还能把筹集到的生理信息当做研究新药品的重要凭证。

　　当前，智能家居是物联网后续研发的关键趋势。从特定层面上此领域是高科技的家庭自动化体系，结合了计算机网络体系、自动化控制体系、综合布线科技和网络通讯科技，自动化管控、远程控制家庭内的多种相关设施，完成拟人化相关目标，提高家居稳定性、方便性，且在一定程度上减少资源损耗。自动化、远程管控需要的多种现实数据，都需要让无线传感器节点传播，例如环境检测数据、装置系统的正确执行，此时均需要此类设备节点筹集家庭煤气含量、温度等相关数据。

　　综上所述，物联网属于信息技术发展的一个产物，而无线传感器是这当中的一种技术，该技术在很大程度上保证了物联网的快速稳定发展以及顺利的运行。全球各个国家都非常关注此课题的研究结果。当前国内无线传感网络科技依旧在起步与攻关时期，我们可以设想，此技术在未来的发展中会得到较大的进步，进而进入到全新的发展阶段。

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