關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用詳解

1）簡述什么是WSN？

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點：大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)、自組織網(wǎng)絡(luò)、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)、可靠的網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)、以數(shù)據(jù)為中心。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。目的是協(xié)作地探測、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡(luò)以及管理控制中心三大部分組成。主要組成部分是由傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊組成的無線傳感器節(jié)點。各節(jié)點對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和優(yōu)化后再經(jīng)分布式網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給信息處理中心。

2）簡述WSN的應(yīng)用領(lǐng)域。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在以下幾個方面：軍事方面、環(huán)境、生態(tài)觀測和智能農(nóng)業(yè)、醫(yī)療護(hù)理、智能家居等。

（1）軍事應(yīng)用

利用WSN可以快速部署、自行組織網(wǎng)絡(luò)、隱蔽性強(qiáng)、高容錯性的特點?？梢栽趹?zhàn)場上廣泛應(yīng)用。

包括：對敵軍兵力、武器的監(jiān)測、戰(zhàn)場實時監(jiān)視、目標(biāo)定位與鎖定、戰(zhàn)果評估等。

（2）緊急和臨時場合

當(dāng)遭受自然災(zāi)難打擊后、固定的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施可能被全部摧毀或無法正常工作，邊遠(yuǎn)或偏僻野外地區(qū)、植被不能破壞的自然保護(hù)區(qū)，無法采用固定或預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信。這些情況，都可以利用WSN的快速展開和自組織特點來解決。

（3）環(huán)境監(jiān)測

比如：農(nóng)田灌溉情況監(jiān)控、土壤成分監(jiān)測、環(huán)境污染情況監(jiān)測、森林火災(zāi)報警、水情監(jiān)測、氣溫監(jiān)測、關(guān)照時間數(shù)據(jù)的采集等許多場合。

（4）醫(yī)療護(hù)理

包括：患者生理數(shù)據(jù)采集、醫(yī)療器材的管理、藥品的發(fā)放以及關(guān)鍵人員的跟蹤、定位等。

（5）智能家居

在家電和家居中嵌入WSN的傳感器節(jié)點，并與互聯(lián)網(wǎng)連接在一起?？梢蕴峁└孢m、方便、更具人性化的家居環(huán)境。

（6）工廠監(jiān)控

比如：化工、石油、電力、機(jī)械加工、紡織印染等等行業(yè)采用WSN技術(shù)可以很方便的進(jìn)行監(jiān)測。

3）無線通信系統(tǒng)由哪幾部分組成？簡述各部分功能。

無線通信系統(tǒng)（Wireless Communication System）：也稱為無線電通信系統(tǒng)，是由發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、傳輸媒體（無線信道）三大部分組成的，利用無線電磁波，以實現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)。其各部分的作用如下：

1、發(fā)送設(shè)備

（1）變換器（換能器）：將被發(fā)送的信息變換為電信號。例如話筒將聲音變?yōu)殡娦盘枴?/p>

（2）發(fā)射機(jī)：將換能器輸出的電信號變?yōu)閺?qiáng)度足夠的高頻電振蕩。

（3）天線：將高頻電振蕩變成電磁波向傳輸媒質(zhì)輻射。

2、傳輸媒體——電磁波

在自由空間中， 波長與頻率存在以下關(guān)系： c = f λ式中： c為光速， f 和λ分別為無線電波的頻率和波長， 因此， 無線電波也可以認(rèn)為是一種頻率相對較低的電磁波。 對頻率或波長進(jìn)行分段， 分別稱為頻段或波段。

不同頻段信號的產(chǎn)生、放大和接收的方法不同， 傳播的能力和方式也不同， 因而它們的分析方法和應(yīng)用范圍也不同。無線電波只是一種波長比較長的電磁波， 占據(jù)的頻率范圍很廣。

電磁波從發(fā)射機(jī)天線輻射后，不僅電波的能量會擴(kuò)散，接收機(jī)只能收到其中極小的一 部分，而且在傳播過程中，電波的能量會被地面、建筑物或高空的電離層吸收或反射；或在大氣層中產(chǎn)生折射或散射，從而造成強(qiáng)度的衰減。

根據(jù)無線電波在傳播過程所發(fā)生的現(xiàn)象 ， 電波的傳播方主要有繞射（地波），反射和折射（天波），直射（空間波） 。決定傳播方式的關(guān)鍵因素是無線電信號的頻率。

沿大地與空氣的分界面?zhèn)鞑サ碾姴ń械乇砻娌?，簡稱地波。繞射傳播。傳播途徑主要取決于地面的電特性。地波在傳播過程中，由于能量逐漸被大地吸收，很快減弱（波長越短，減弱越快），因而傳播距離不遠(yuǎn)。但地波不受氣候影響，可靠性高。

超長波、長波、中波無線電信號，都是利用地波傳播的。短波近距離通信也利用地波傳播。

天波：利用天空的電離層折射和反射而傳播的電波，也叫天空波。電離層只對短波波段的電磁波產(chǎn)生反射作用，因此天波傳播主要用于短波遠(yuǎn)距離通信。

兩個突出特點：一是傳播距離遠(yuǎn)，同時產(chǎn)生中間靜區(qū)地帶，二是傳播不穩(wěn)定，隨晝夜和季節(jié)的變化而變化。因此，短波通信要經(jīng)黨更換波段，以保證質(zhì)量。

空間波又稱為直射波，是由發(fā)射點從空間直線傳播到接收點的無線電波。直射波傳播距離一般限于視距范圍。在傳播過程中，它的強(qiáng)度衰減較慢，超短波和微波通信就是利用直射波傳播的。

在地面進(jìn)行直射波通信，其接收點的場強(qiáng)由兩路組成：一路由發(fā)射天線直達(dá)接收天線，另一路由地面反射后到達(dá)接收天線，如果天線高度和方向架設(shè)不當(dāng)，容易造成相互干擾（例如電視的重影）。

限制直射波通信距離的因素主要是地球表面弧度和山地、樓房等障礙物，因此超短波和微波天線要求盡量高架。

3、接收設(shè)備

接收是發(fā)射的逆過程

（1）接收天線：將空間傳播到其上的電磁波→高頻電振蕩。

（2）接收機(jī)：高頻電振蕩→電信號。

（3）變換器（換能器）：電信號→所傳送信息。

無線通信系統(tǒng)按照無線通信系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的不同特性，主要有以下一些類型：

1、按照工作頻段或傳輸手段分類

有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和衛(wèi)星通信等。所謂工作頻率，主要指發(fā)射與接收的射頻（RF）頻率。射頻實際上就是“高頻” 的廣義語，它是指適合無線電發(fā)射和傳播的頻率。無線通信的一個發(fā)展方向就是開辟更高的頻段。

2、按照通信方式來分類

主要有（全） 雙工、半雙工和單工方式。所謂單工通信，指的是只能發(fā)或只能收的方式；半雙工通信是一種既可以發(fā)也可以收但不能同時收發(fā)的通信方式；而雙工通信是一種可以同時收發(fā)的通信方式。第一個圖的例子是半雙工方式，將天線開關(guān)換成雙工器就成了雙工方式。

3、按照調(diào)制方式的不同來劃分

有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及混合調(diào)制等。

4、按照傳送的消息的類型分類

有模擬通信和數(shù)字通信，也可以分為話音通信、圖像通信、數(shù)據(jù)通信和多媒體通信等。

各種不同類型的通信系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成和設(shè)備的復(fù)雜程度都有很大不同。但是組成設(shè)備的基本電路及其原理都是相同的，遵從同樣的規(guī)律。本書將以模擬通信為重點來研究這些基本電路，認(rèn)識其規(guī)律。這些電路和規(guī)律完全可以推廣應(yīng)用到其他類型的通信系統(tǒng)。

4）簡述多路復(fù)用技術(shù)原理及分類。

在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)或計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，傳輸介質(zhì)的帶寬或容量往往超過傳輸單一信號的需求，為了有效地利用通信線路，希望一個信道同時傳輸多路信號，這就是所謂的多路復(fù)用技術(shù)。頻分多路復(fù)用FDM 和時分多路復(fù)用TDM 是兩種最常用的多路復(fù)用技術(shù)。常見的多路復(fù)用技術(shù)包括頻分多路復(fù)用（FDM）、時分多路復(fù)用（TDM）、波分多路復(fù)用（WDM）和碼分多路復(fù)用（CDMA）其中時分多路復(fù)用又包括同步時分復(fù)用和統(tǒng)計時分復(fù)用。

FDM、TDM、WDM、CDM的基本原理：

頻分多路復(fù)用的基本原理是在一條通信線路上設(shè)置多個信道，每路信道的信號以不同的載波頻率進(jìn)行調(diào)制，各路信道的載波頻率互不重疊，這樣一條通信線路就可以同時傳輸多路信號。

時分多路復(fù)用是以信道傳輸時間作為分割對象，通過多個信道分配互不重疊的時間片的方法來實現(xiàn)，因此時分多路復(fù)用更適用于數(shù)字信號的傳輸。它又分為同步時分多路復(fù)用和統(tǒng)計時分多路復(fù)用。

波分多路復(fù)用是光的頻分多路復(fù)用，它是在光學(xué)系統(tǒng)中利用衍射光柵來實現(xiàn)多路不同頻率光波信號的合成與分解。

碼分多路復(fù)用也是一種共享信道的方法，每個用戶可在同一時間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信，但使用的是基于碼型的分割信道的方法，即每個用戶分配一個地址碼，各個碼型互不重疊，通信各方之間不會相互干擾，且抗干擾能力強(qiáng)。碼分多路復(fù)用技術(shù)主要用于無線通信系統(tǒng)，特別是移動通信系統(tǒng)。它不僅可以提高通信的話音質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约皽p少干擾對通信的影響，而且增大了通信系統(tǒng)的容量。筆記本電腦或個人數(shù)字助理（Personal Data Assistant， PDA） 以及掌上電腦（Handed Personal COmputer，HPC）等移動性計算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)通信就是使用了這種技術(shù)。

5）簡述WSN與Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是21世紀(jì)信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱（計算、通信和傳感器）相結(jié)合的產(chǎn)物。

自組織（Ad hoc，Self-organzing Network）網(wǎng)絡(luò)是一種由移動節(jié)點組成的臨時的、多跳的、對等的自治系統(tǒng)。

WSN是Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的一種典型應(yīng)用，但WSN與傳統(tǒng)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)存在以下區(qū)別：

WSN節(jié)點數(shù)量更為龐大，分布更為密集，節(jié)點常處于固定狀態(tài)，自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時常處于快速移動狀態(tài)；

WSN節(jié)點更容易失效，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁；

WSN主要使用廣播通信機(jī)制，而Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是基于點對點的通信；

WSN節(jié)點的動力能源、運算能力、存儲器大小均受局限；

WSN不必?fù)碛腥蚪y(tǒng)一標(biāo)識符；

WSN以數(shù)據(jù)為中心。

正是由于WSN與Ad hoc網(wǎng)絡(luò)存在以上的顯著區(qū)別，導(dǎo)致Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的許多研究成果不能適用于WSN，也導(dǎo)致兩者的應(yīng)用存在著顯著差別。

基于傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使對于人或物的情況、周邊環(huán)境的感知、針對不同使用者提供各種各樣的服務(wù)成為可能。WSN不僅能滿足人們從信息的傳遞及檢索到信息獲取的新需求，而且未來通信的主體將是機(jī)器到機(jī)器（M2M），WSN將在很大程度上滿足這一新的通信需求。

由于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點對等、多跳無中心接入、不依賴網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、抗毀性強(qiáng)等特點，使得它的應(yīng)用領(lǐng)域與普通的通信網(wǎng)絡(luò)有著非常大的區(qū)別。到目前為 止，軍事應(yīng)用仍是Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的一個主要應(yīng)用領(lǐng)域，但是民用方面，自組和多跳的特性使其與現(xiàn)有的各種移動通信系統(tǒng)逐步融合起來，呈現(xiàn)了非常廣泛的應(yīng) 用前景。

1）短距離無線通信具有哪些特點？

短距離無線通信技術(shù)的范圍很廣，在一般意義上，只要通信收發(fā)雙方通過無線電波傳輸信息，并且傳輸距離限制在較短的范圍內(nèi)，通常是幾十米以內(nèi)，就可以稱為短距離無線通信。低成本、低功耗和對等通信，是短距離無線通信技術(shù)的三個重要特征和優(yōu)勢。

2）ZigBee技術(shù)特點有哪些？

Zigbee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（包括典型的周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)）的應(yīng)用。Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，但是Zigbee并不等于802.15.4 IEEE802.15.4。由于IEEE僅處理低級的MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟對網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和應(yīng)用層進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)定。Zigbee作為一種無線通信技術(shù)具有以下特點：低功耗、低成本、大容量、可靠、時延短、靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

14）簡述RFID系統(tǒng)組成。

RFID應(yīng)用系統(tǒng)由讀寫器、標(biāo)簽和高層等部分組成。讀寫器和標(biāo)簽可以構(gòu)成一個簡單的應(yīng)用系統(tǒng)，例如公交車上的消費系統(tǒng)。復(fù)雜的應(yīng)用需要一個讀寫器同時讀取n個標(biāo)簽。更復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)需要解決讀寫器的高層處理問題。

16）簡述RFID系統(tǒng)工作方式。

RFID系統(tǒng)由讀寫器、標(biāo)簽和應(yīng)用系統(tǒng)組成。其主要的工作原理簡單描述如下：由讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送特定頻率的射頻信號；當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入有效工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而獲得能量，電子標(biāo)簽被激活，使得電子標(biāo)簽將自身編碼信息通過內(nèi)置的射頻天線發(fā)送出去；讀寫器的接收天線接收到從標(biāo)簽發(fā)送來的調(diào)制信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫器信號處理模塊，經(jīng)解調(diào)和解碼后將有效信息送至后臺主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的處理；讀寫器的應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算識別該標(biāo)簽的身份，針對不同的設(shè)定作出相應(yīng)的處理和控制，最終發(fā)出指令信號控制讀寫器完成相應(yīng)的讀寫操作。

射頻識別系統(tǒng)的基本工作方式分為全雙工（Full Duplex）和半雙工（Half Duplex）系統(tǒng)以及時序（SEQ）系統(tǒng)。全雙工表示射頻標(biāo)簽與讀寫器之間可在同一時刻互相傳送信息。半雙工表示射頻標(biāo)簽與讀寫器之間可以雙向傳送信息，但在同一時刻只能向一個方向傳送信息。

在全雙工和半雙工系統(tǒng)中，射頻標(biāo)簽的響應(yīng)是在讀寫器發(fā)出的電磁場或電磁波的情況下發(fā)送出去的。

時序方法則與之相反，閱讀器的輻射出的電磁場短時間周期性地斷開。這些間隔被射頻標(biāo)簽識別出來，并被用于從射頻標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸，是一種典型的雷達(dá)工作方式。時序方法的缺點是：在閱讀器發(fā)送間歇時，射頻標(biāo)簽的能量供應(yīng)中斷，這就必須通過裝入足夠大的輔助電容器或輔助電池進(jìn)行補償。

21）簡述現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)。

通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

任何通信網(wǎng)絡(luò)都具有信息傳送、信息處理、信令機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)管理功能。因此，從功能的角度看，一個完整的現(xiàn)代通信網(wǎng)可分為相互依存的三部分：業(yè)務(wù)網(wǎng)、傳送網(wǎng)、支撐網(wǎng)。

（一）業(yè)務(wù)網(wǎng)

1）功能：業(yè)務(wù)網(wǎng)負(fù)責(zé)向用戶提供各種通信業(yè)務(wù)，如基本話音、數(shù)據(jù)、多媒體、租用線、VPN（Virtual Private Network， 虛擬專用網(wǎng)絡(luò)）等。

2）構(gòu)成一個業(yè)務(wù)網(wǎng)的主要技術(shù)要素包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、交換節(jié)點設(shè)備、編號計劃、信令技術(shù)、路由選擇、業(yè)務(wù)類型、計費方式、服務(wù)性能保證機(jī)制等。

3） 交換節(jié)點設(shè)備

。其中交換節(jié)點設(shè)備是構(gòu)成業(yè)務(wù)網(wǎng)的核心要素。采用不同交換技術(shù)的交換節(jié)點設(shè)備通過傳送網(wǎng)互連在一起就形成了不同類型的業(yè)務(wù)網(wǎng)。

。業(yè)務(wù)網(wǎng)交換節(jié)點的基本交換單位本質(zhì)上是面向終端業(yè)務(wù)的，粒度很小，例如一個時隙、一個虛連接。

。業(yè)務(wù)網(wǎng)交換節(jié)點的連接在信令系統(tǒng)的控制下建立和釋放。

（二）支撐網(wǎng)

支撐網(wǎng)負(fù)責(zé)提供業(yè)務(wù)網(wǎng)正常運行所必需的信令、同步、網(wǎng)絡(luò)管理、業(yè)務(wù)管理、運營管理等功能，以提供用戶滿意的服務(wù)質(zhì)量。支撐網(wǎng)包含同步網(wǎng)、信令網(wǎng)、管理網(wǎng)三部分。

（三）傳送網(wǎng)

1）傳送網(wǎng)又稱基礎(chǔ)網(wǎng)。傳送網(wǎng)為各類業(yè)務(wù)網(wǎng)提供業(yè)務(wù)信息傳送手段，負(fù)責(zé)將節(jié)點連接起來，并提供任意兩點之間信息的透明傳輸。傳送網(wǎng)是由傳輸線路、傳輸設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)，所以又稱之為基礎(chǔ)網(wǎng)。

2）功能：具有電路調(diào)度網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)視、故障自動切換等相應(yīng)的管理功能。

3）構(gòu)成傳送網(wǎng)的主要技術(shù)要素有：傳輸介質(zhì)、復(fù)用體制、傳送網(wǎng)節(jié)點技術(shù)等。

現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡(luò)基本組織結(jié)構(gòu)可以概括為以核心網(wǎng)為主干連接網(wǎng)，完成衛(wèi)星通信網(wǎng)與移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，然后通過控制網(wǎng)與各接入點相連，接入點通過網(wǎng)橋向計算機(jī)終端提供WLAN服務(wù)，接入點通過多媒體接口向電話、傳真機(jī)、其他多媒體設(shè)備提供服務(wù)。
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