基于无线传感器网络的数据融合系统设计_毕业论文(编辑修改稿)

基于无线传感器网络的数据融合系统设计_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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，则在同一个淮安信息职业技术学院毕业设计论文 4 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。 第二章 无线传感器 的概述级结构 5 第 二 章 无线传感器的概述及结构 无线传感器的概述 无线传感器的组成模块封装在一个外壳内，在工作时它将由电池或振动发电机提供电源，构成无线传感器网络节点，由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微型节点，通过自组织的方式构成网络。 它可以采集设备的数字信号通过无线传感器网络传输 到监控中心的无线网关，直接送入计算机，进行分析处理。 如果需要，无线传感器也可以实时传输采集的整个时间历程信号。 监控中心也可以通过网关把控制、参数设置等信息无线传输给节点。 数据调理采集处理模块把传感器输出的微弱信号经过放大，滤波等调理电路后，送到模数转换器，转变为数字信号，送到主处理器进行数字信号处理，计算出传感器的有效值，位移值等。 图 21：无线传感器的结构原理图 无线传感器的特点 振动传感器 每个节点的最高采样率可设置为 4KHz，每个通道均设有抗混叠低通滤波器。 采集的数据既可以实时无线传输至计算机，也可以存储在节点内置的 2M 数据存储器内，保证了采集数据的准确性。 有效室外通讯距离可达 300m，节点功耗仅30mA，使用内置的可充电电池，可连续测量 18小时。 如果选择带有 USB 接口的节点，您既可以通过 USB 接口对节点充电，也可以快速地把存储器内的数据下载到计算机里面。 应变传感器 节点结构紧凑，体积小巧，由电源模块、采集处理模块、无线收发模块组成，封装在 PPS 塑料外壳内。 节点每个通道内置有独立的高精度 1201000Ω桥路电阻和放大调理电路，可以方便地由软件自动切换选择 1/4桥，半桥，全桥测量方式，淮安信息职业技术学院毕业设计论文 6 兼容各种类型的桥路传感器，比如应变，载荷，扭距，位移，加速度，压力，温度等。 节点同时支持 2线和 3线输入方式，桥路自动配平，也可以存储在节点内置的 2M 数据存储器有效室外通讯距离可达 300 m。 可连续测量十几个小时。 扭矩传感器 节点结构紧凑，体积小巧，封装在树脂外壳内。 节点每个通道 内置有高精度1201000Ω桥路电阻和放大调理电路。 桥路自动配平。 节点的空中传输速率可以达到 250K BPS，有效实时数据传输率达到 4K SPS，有效室内通讯距离可达 100米。 节点设计有专门的电源管理软硬件，在实时不间断传输情况下，节点功耗仅25mA，使用普通 9V 电池，可连续测量几十个小时。 对于长期监测应用，以 5分钟间隔发送一次扭矩值，数年不需要更换电池，大大提高了系统的免维护性。 传感器的分类 声音传感器 声音的监测采用 Panasonic 的全方位电容麦克风 WM62A，它除了被用于普通的 声音记录以外，还同蜂鸣器、麦克风、音频信号的接收放大和解码电路，一起被用于声音定位。 声音传感器模块的接口电路如图 3所示。 蜂鸣器采用简单的固定频率的共鸣器，用于产生固定频率（如 4KHz）的测距声波。 麦克风接收到的声音信号两次经过运算放大器 MAX4466实现两级放大，输出信号送到单片机的模数转换端口，同时该输出经过有源滤波器 MAX4164连接到音调侦测器LMC567，可以实现声调解码，当蜂鸣器所发出的固定频率的音调出现，音调侦测器 LMC567就会输出一个数字高低电平给单片机的中断端口。 通过这一电路，能够实现传 感器节点间的测距，采用基于声波和电磁波的到达时间差测距的方法实现节点间测距，通过测量节点所广播的声波和电磁波到达同一节点的时间差，进而基于信号传播速度来确定节点间的距离。 某一节点激励蜂鸣器发声，且同时广播电磁信号，当周围的某个节点接收到电磁波信号后，定时器开始工作，当该节点接收到测距声波时定时器停止工作。 由于电磁波的传播速度很快，定时器测量的时间可以近似认为是声波在两节点间传播的时间，进而可计算出两节点间的距离。 然后通过一定的定位算法，可以实现传感器节点的自身定位。 加速度传感器 ADXL202AE 是廉价、低功耗的两轴加速度传感器，量程范围为 2g到 +2g。 它可用来测量动态加速度，也可用来测量静态加速度。 它具有较高的灵敏度(%/g)，即使用低速计数器来对它输出的 PWM 信号进行解码，也可以得到较高的分辨率。 第三章 无线传感器的应用及分类 7 第 三 章 无线传感器的应用及分类 无线传感器技术融合 数据融合是 WSN 中非常重要的一项技术 ,也是目前的一个研究热点。 该技术可以通过一定的算法将传感器节点采集到的大量原始数据进行各种网内处理 ,去除其中的冗余信息 ,只将少量的有意义的处理结果传输给汇聚节点。 采用数据融合技术能够大大减少 WSN 中需要传输的数据量 ,降低数据冲突 ,减轻网络拥塞 ,从而有效地节省能源开销 ,起到延长网络寿命的作用。 WSN 中数据融合的作用主要体现在节省能量、延长网络生命周期、提高数据收集效率、增强数据准确性以及获取综合性信息等方面。 随着无线传感器网络技术的出现和发展，得到了广泛的应用，在一个大规模传感器网络系统中，系统常常需要使用和管理数量巨大，种类繁多的传感器，这带来了需要专门的线路铺设，已经无法满足实际需要，因此无线传感网络技术的出现，极大地促进了传感器网络的发展。 传感器应用包括网络的拓扑管理规则，无线路由 协议，数据压缩算法以及无线传感器，在系统解决方案中，传感器的能量供应完全依靠自身所携带的电源因此，系统设计的规模和计划尤其显得重要。 它已经在家用电器方面得到利用 ,相信未来将会更加成熟。 智能化传感器是传感器技术未来发展的主要方向。 在今后的发展中 ,智能化传感器无疑将会进一步扩展到化学、电磁、光学和核物理等研究领域。 无线传感器网络结构 对于每一类无线传感器网路应用系统而言 ,在设计和实现时需要开发的不仅是在应用服务器上的业务逻辑部分的软件 ,除此之外 ,还必须要设计处理分布系统所特有功能的软件 ,而目前的系统软件 (操作系统 ) 都不支持。 无线传感器网络中间件将使无线传感器网络应用业务的开发者集中于设计与应用有关的部分 ,从而简化设计和维护工作。 采用中间件实现技术 ,利用软件构件化、产品化能够扩展和简化无线传感器网络的应用。 无线传感器网络中间件的开发将会使无线传感器网络在应用中达到柔性、高效的数据传输路径和局部化的目标 ,同时使整个网络在整个应用中达到最优化。 无线传感器网络中间件和平台软件构成无线传感器网络业务应用的公共基础 ,提供了高度的灵活性、模块性和可移植性。 在一般无线传感器网络应用系统中 ,管理和信息安全纵向贯穿各个层 次的技术架构 ,最底层是无线传感器网络基础设施层 ,逐渐向上展开的是应用支撑层、应用业务层、具体的应用领域 —— 军事、环境、健康和商业等。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 8 图 32： 传感器网络节点功能结构 无线传感器的应用 随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。 比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将 32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州 大鸭岛 上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。 无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。 此外，它也可以应用在细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 医疗护理 无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。 罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天 24小时的活动状况。 英特尔公司也推出了无线传感器网络 的家庭护理技术。 该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目 Center for Aging Services Technologies（ CAST）的一个环节开发的。 该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。 利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。 而且还可以减轻护理人员的负担。 英特尔主管预防性健康保险研究的董事 Eric Dishman称， 在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域。 军事领域 由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。 美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行 智能尘埃 传感器技术的研发。 哈伯研究公定位系 统 定位系统 处理器 处理模块 传感器 ADC 收发机 存储器 能量单元 能量产生器 ＡＤＣ：数模变换器 传感模块 第三章 无线传感器的应用及分类 9 司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从 2020年的 1000万美元增加到 2020年的几十亿美元。 目标跟踪 DARPA 支持的 Ssor IT 项目探索如何将 WSN 技术应用于军事领域，实现所谓“ 超视距”战场监测。 UCB 的教授主持的 Sensor Web 是 Sensor IT 的一个子项目．原理性地验证了应用 WSN进行战场目标跟踪的技术可行性，翼下携带 WSN节点的无人机 (UAV)飞到目标区域后抛下节点，最终随机布撤落在被监测区域，利用安装在节点上的地震波传感器可以探测到外部日标，如坦克、装甲车等，并根据信号的强弱估算距离，综合多个节点的观测数据，最终定位目标，并绘制出其移动的轨迹。 虽然该演示系统在精度等方面还远达不到装备部队用于实战的要求，这种战场侦察模式目前还没有真正应用于实战，但随着美国国防部将其武器系统研制的主要技术目标从精确制导转向目标感知与定位，相信 WSN 提供的这种新颖的战场侦察模式会受到军方的关注。 其他用途 无线传感器网络还被应用于其他一些领域。 比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。 也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。 此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由 40台机器上的 210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。 它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题 ，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。 尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 10 图 33：典型的工作用无线传感器网络 无线传感器的网络结构 大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过 自组织方式构成网络。 传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，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，发布监测任务以及收集监测数据。 第 四 章 无线传感器网络安全性分析 11 第 四 章 无线传感器数据融合的系统设计 数据融合技术的概述 所谓数据融合，是将来自多个传感器和信息源的数据信息加以联合、相关和组合，剔除冗余信息，获得互补信息，以便能够较精确地估计出节点的位置和在网络中的地位，以及对现场情况及其传送数据的重要程度进行适时的 完整的评价。 对于无线传感器网络系统来说，信息具有多样性和复杂性，因此对数据融合方法的基本要求是具有鲁棒性和并行处理能力。 由于来自各种不同传感器的数据信息可能具有不同的特征，于是相应地出现了多种不同的数据融合方法。 图 41： 数据融合算法 数据融合技术的用途 数据融合技术为先进的作战管理和 CI系统提供了重要的数据处理技术基础。 数据融合在多信息源、多平台和 多用户系统 内起着重要的处理和协调作用 ，保证了 数据处理系统 各单元与汇集中心间的连通性与及时通。