1、 编号 淮安信息职业技术学院毕 业 论 文题 目 基于无线传感器网络的数据 融合系统的设计学生姓名 耿以威学 号 37011443院 系 计算机与通信工程学院专 业 通信技术班 级 370114指导教师 赵靖哲 顾问教师 龚佑红摘 要II二一三年十月摘 要I摘 要无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网
2、络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域。已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。数据融合技术是无线传感器网络的一个关键技术, 能减少传感器节点间的传输量,从而明显提高网络感知效能,延长网络生命周期, 减小时间延迟。无线传感网数据融合，是对源数据或信息的获取、表示及其内在联系进行综合处理和优化的技术。传感器只能获得环境或被测对象的部分信息段，而传感网信息经过融合后能够完善地、准确地反映环境的
3、特征。传感网目标的融合识别是试图将各传感器关于目标的不精确，不完全的数据进行融合，产生较单一传感器更精确，更完全的属性估计和判决。数据融合技术已经广泛应用于信息电子学、计算机科学、自动化等领域。关键词: 传感器网络 传感器的应用 数据融合 无线传感器分类AbstractIIAbstractWireless Sensor network (Wireless Sensor Networks, WSN) is the current focus on international knowledge, involving multidisciplinary highly cross, highly i
4、ntegrated the leading edge of the hot research field. Sensor technology, mems, the progress of modern network and wireless communication technology, to promote the emergence and development of modern wireless sensor network. Wireless sensor network (WSN) expanded the people access to information, wi
5、th the objective world of physical information transmission network connection together, in the heart of the next generation network for people to provide the most direct, the most effective and most real information. Wireless sensor network (WSN) can obtain the objective physical information, has t
6、he very broad application prospects, and can be applied to military defense, industrial and agricultural control, urban management, biological, medical, environmental detection, remote control in areas such as disaster relief, the dangerous area. Has attracted the attention of the academia and indus
7、try in many countries, is considered to be one of produce great influence to the 21st century technology.Data fusion technology is a key technology of wireless sensor network (WSN) can reduce the magnitude of the transmission between the sensor nodes, thus significantly increase the efficiency of th
8、e network awareness and prolong the network life cycle, reducing the time delay. Wireless sensor network data fusion, is the source of data or information access, said and inner link of integrated processing and optimization technology. Sensors can only obtain the environment or the part of the obje
9、ct information, and sensing network information after fusion can perfectly and accurately reflects the characteristics of the environment. Sensing of mesh mark about target fusion recognition is trying to each sensor imprecise, incomplete data fusion, produces more accurate than the single sensor, m
10、ore complete property estimation and decision. Data information fusion technology has been widely used in electronics, computer science, automation, etc.Keywords: Sensor Networks Sensor applications Wireless sensor classification sens Sensor networks, Internet of things目 录III目 录摘 要 .IABSTRACT .II第一章
11、 绪论 .11.1 传感器的研究背景 .11.2 传感器网络的研究现状 .11.3 无线传感器发展趋势 .3第二章 无线传感器的概述及结构 .52.1 无线传感器的概述 .52.2 无线传感器的特点 .52.2.1 振动传感器 .52.2.2 应变传感器 .52.2.3 扭矩传感器 .62.3 传感器的分类 .62.3.1 声音传感器 .62.3.2 加速度传感器 .6第三章 无线传感器的应用及分类 .73.1 无线传感器技术融合 .73.2 无线传感器网络结构 .73.3 无线传感器的应用 .83.3.1 医疗护理 .83.3.2 军事领域 .83.3.3 目标跟踪 .93.3.4 其他用途
12、 .93.4 无线传感器的网络结构 .10第四章 无线传感器数据融合的系统设计 .114.1 数据融合技术的概述 .114.2 数据融合技术的用途 .114.3 数据融合技术的重要作用 .124.3.1 节省能量 .124.3.2 获取更准确的信息 .124.3.3 提高数据收集效率 .124.4 数据融合的基本原理 .124.5 数据融合的几种方法 .134.5.1 基于卡尔曼滤波(KF)的数据融合 .134.5.2 基于预测的时域数据融合 .13第五章 无线传感器网络安全性分析 .155.1 攻击种类 .155.2 无线传感器网络安全防范对策、安全协议概述 .16目 录IV5.2.1 路由
13、安全协议 .165.2.2 密钥管理协议 .195.2.3 安全定位协议 .205.2.4 传感器网络节点定位系统安全措施的分析与比较 .22第六章 总结与展望 .236.1 总结 .236.2 无线传感网数据融合技术的展望 .23致 谢 .25参考文献 .26第一章 绪论1第一章 绪论1.1 传感器的研究背景随着无线技术的快速发展和日趋成熟，无线通信也发展到一定的阶段，其发展的技术越来越成熟，方向也越来越多，越来越重要，大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和通信。 微机电系统和低功耗高集成数字设备的发展，使得低成本、低功耗、小体积的传感器节点得以实现。这样的节点配合各类型的传感器，可组
14、成无线传感器网络（WSN） 。无线传感网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术。广泛应用于战场监视、大规模环境监测和大区域内的目标追踪等领域。传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。因为无线传感器网络节点一般采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大、更换非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一，因此，它迫切需要对传统的嵌入式应用开发进行更新和改进，需要精心设计的软硬件系统，以使其可靠而耐用。2003年,美国技术评论杂志论述未来新兴十大技术时,WSN 被列为第一；美国今日防务杂志更认为 WSN 的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。可以预测
15、,WSN 是信息感知和采集的一场革命，是 21世纪最重要的技术之一。低功耗无线传感模块，便是组成无线传感网络的节点。此方面的研究由来已久，是计算机应用的扩展，采用了大规模集成电路和嵌入式技术，使用智能微处理器对采集到的信息进行处理和加工。现已广泛应用于社会建设的各个层面和人们的日常生活当中。但过去的研究有的只考虑低功耗而性能不高， 有的性能高但是功耗太大。因此，在无线传感技术应用如此广泛的今天，在保证无线传感模块性能的同时又能实现其低功耗具有一定的理论和现实意义。1.2 传感器网络的研究现状无线传感器网络的最初研究来源于美国军方，美国国防先进研究计划局（DARPA）于 2001年资助加州伯克力
16、大学开发无线传感器系统。美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，投资3400万美元用于支持该方面的基础研究。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。研究取得了一些初步的研究成果。目前国内无线传感器网络尚处于研究阶段，清华大学、中科院沈阳自动化研究所、中科院合肥智能所等单位已开始进行这方面的研究。无线传感器网络应用领域非常广泛。比如当需要对诸如温度、光通量、位移以及噪声等环境参数进行不间断地传感、测试和无线信号传输时，可以考虑淮安信息职业技术学院毕业设计论文2在相关领域中配置智能化的无线传感器网络，通过对环境待测参数的传感数据分析来达到检测目的
17、，这一技术已经应用到国防军事、动物的习性观测、材料结构健康监测、交通管理、医疗卫生、灾害监测等领域中。无线传感模块是新兴的下一代无线传感网络节点，它是组成无线传感网络的基本部分。最早的代表性论述出现在二十世纪九十年代末，题为“传感器走向无线时代” 。传感技术的发展经历了一般传感器、智能传感器、无线传感器等几个阶段。一般传感器，是最早产生的传感器，只能实现数据采集；智能传感器则是在一般传感器的基础上将处理计算能力与传感器相结合，使得传感模块不但能够实现数据等信息采集，还能对所采集到的信息进行一定程度的计算和处理；无线传感器则是在智能传感器的基础上再集成无线功能模块，使得传感器不再是单独的感知模块
18、，而是一个能够实现数据采集、处理，信息交换和控制的有机整体。为了实现随时随地与任何人或任何设备的互联互通，无线通信技术获得了蓬勃发展。在正交频分复用(OFDM)和多入多出(MIMO)等基础技术支持下，多种无线技术如蓝牙、Wi-Fi、WIMAX、超宽带和无线局域网获得了长足发展。作为蓬勃发展的无线技术，近几年正是其大变革时期。随着几种重要基础技术的推广和实际应用，无线通信的速度也将得到大大提高。无线传感模块属于无线技术中较为底层的一个分支，由于越来越多的应用方案开始采用无线节点进行数据采集和通信。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的无线传感网络,是当前
19、的热点研究领域。而无线传感网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障，因此无线传感模块的设计，传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。当前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台。典型的节点包括Mica 系列、Telos 、IRIS 和 Imote2 等。各平台的主要区别是采用了不同的处理器和无线通信模块。有些节点具有高性能但功耗较大，如 Imote2 节点，不适用于能量受限的应用环境。其他一些节点，如 Telos 、Mica 等， 由于设计时间较早，其性能已经落后于当今的集成电路工业设计水平。因为无线传感器网络节点一般采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大，更换非常困难
20、，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一。IT P（美国再生能源办公室工业技术计划） 在2002年发布的报告“21 世纪工业无线技术”第一页中引用了总统科技顾问的断言：无线传感器可将能源利用率提高10%，将能源损耗减少25% 。后来的研究，如 Intel、Mote 的研究项目则注重了三个方面的要求，包括低功耗操作、系统级集成和硬件的重新配置，希望做到平衡功耗与性能的矛盾，但目标的实现还需要一定的努力。MIT 发展的模块化平台对于具体的传感器有不同的硬件设计，他们的传感器的主要功能是数据收集，采用垂直连接器来使不同的处理层整合到一起，其目的是为了设计一个通用的系统来取代单第一章 绪论3一
21、的硬件系统。随着电子技术、计算机技术以及集成技术的不断发展，传感技术也会得到不断的发展和完善。并且会有更多的结构新、功能强、耗能低的传感器用运于各种实际的无线网络当中，以高的精确度和良好的稳定性服务于更加广泛的领域。当今世界信息技术飞速发展，给人们的工作和生活带来了巨大影响。信息技术产业链和应用环节的第一步是信息的获取，它直接关系到信息的传输、处理和应用。传感器技术是信息获取的最重要、最基本的技术。随着获取信息要求的提高，传感器获取技术从单一化到集成化、微型化，进而智能化、网络化，形成智能传感器网络。并且随着无线网络的发展，融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术的无线传感器网络技术也应运
22、而生。无线传感器网络是一种独立出现的网络，它的基本组成单位是无线传感器节点，这些节点集成了传感器、微处理器、无线接口和电源管理四个主要模块。传感器、微机电系统(MEMS)、集成电路、以及低功耗无线通信等技术的飞速发展，使得低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器网络的大规模应用成为可能，这些微型无线传感器是集成的光机电一体化系统，具有无线通信、数据收集和处理、协同工作等功能。它们共同组成了无线传感器网络，产生了一种全新的信息获取和处理模式。微型传感器节点可以随机或者特定地布置在工作环境中，通过无线通信实现自组织，获取周围环境的信息，形成分布自治系统，相互协同完成特定的任务。美国商业周刊和 MTI
23、 技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。1.3 无线传感器发展趋势正是由于低功耗无线传感节点在如此广范围内的应用，使得它受到了来自军事、工业和商业以及学术专家的极大关注。其发展方向必然是无线通信的网络化，即通过自组网的方式形成动态、自适应的无线传感网络。而无线传感网络( WSN) 是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、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。我国迫切需要提升对此的认识程度，并尽快推动其发展。因此，以无线传感模块为基础，实
24、现传感网络的无线互联将是一个必然的趋势。另外由于无线传感器网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障。在不同的应用中，传感器网络节点的组成不尽相同。已有的节点， 有的只考虑低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。因此，无线传感模块的发展必然是趋向与低功耗的。即在保证所需要实现功能的基础上，尽量的实现整个模淮安信息职业技术学院毕业设计论文4块的低功耗，甚至在不影响整体性能的情况下适当减少部分功能来实现降低功耗的目的。除开以上所讲两种发展趋势之外，无线传感模块的应用和发展还具有极大的发展空间和良好的发展方向。当前对无线传感模块的应用都是静止性的，就目前存在的无线传感网络（WSN） ，构成网络的
25、各个节点都是被固定的安放在一个地方，要实现对整个环境的检测，就需要向环境中投放大量的无线传感节点。这样一来成本就会非常的高。若实现无线传感模块对信息的移动式采集，则在同一个环境内投放更少的节点，就能实现对环境的全面检测。正是由于当前能耗对无线传感模块的影响，低功耗研究才上升为一个热点领域，不论是使用电源或者电池供电，在实现低功耗后，无线传感模块的发展趋势必然是自生能源式的。利用太阳能、振动能量、地热、风能等实现无线传感模块的电能供应对于全面提高无线传感模块的能力将会起到巨大的作用。最后，基于能力存储技术的发展，电池的容量越来越大，再加上低功耗的实现，无线传感模块的适用寿命不断增加将会成为一个绝对趋势。未来的无线传感模块必将是集稳定性与安全性、扩展性与灵活性、微型化与低成本等特点为一体的。
