wsn背景+现状+指标
一、项目的背景及立项的必要性
1.项目所属产业在我省经济发展中的地位、技术瓶颈以及亟待解决的技术
问题；
我国陆地边界线约22000多公里，分别与14个国家接壤，其中有2/3的边境线是高山大漠。边界自然环境异常恶劣：西部白雪冰川，高寒缺氧；北部荒漠戈壁，沙尘弥漫；南部莽莽丛林，湿热多雨；东南部珊瑚岛屿，台风频发。因此之故，我国藏南地区部分边境线和南海无人岛礁，长期处于无人值守的状态。此外，我国公安特警和武警部队的反恐缉毒任务艰巨繁重，非常人可以想象。为此，研发实用化“无线传感器网络无人值守系统”，以实现长期、连续、实时监测边境线和无人海岛上的异常状态，或者作为公安特警和武警部队的装备，根据需要随时部署无线传感器网络无人值守系统，以监测敏感区域恐怖分子或毒品走私分子的活动状态，这对于维护国家主权、维护国家海洋权益、提升公安特警和武警部队的战斗力，都具有重大的现实意义。
本世纪初，美国商业周刊和麻省理工学院（MIT）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（WSN）列21世纪最有影响力的21项技术和改变世界的10大技术之一。无线传感器网络、塑料电子和仿生人体器官又被列为全球未来的三大高科技产业。近年来WSN技术的研究与开发几乎呈爆炸式的增长，然而，WSN广泛且复杂的应用场景——军事与安全救灾、环境和基础设施、智能交通、现代农业、地下采矿和医疗保健等等，也使得WSN应用系统的设计、开发与产业化面临着极为严峻的挑战，这是因为WSN技术所需的知识包括了传感器、电子、通信、计算机工程和计算机科学以及高功率密度电池领域的几乎所有研究方向。
从技术特征上看，WSN技术应属于信息技术，而信息技术产业应当也必将是福建省未来经济发展的支柱产业之一。但从目前国内信息技术产业发展的总体水平来看，福建省信息技术产业仍处于相对落后的状况。当前亟待解决的技术问题是：如何创新产、学、研合作和军民融合体制，在政府资助下建立WSN技术研发和培训中心，以研发无线传感器网络与北斗通信（BD-2，用于传输远程数据报文）相结合的工程应用示范系统为切入点，利用国际上商品化芯片开发具有自主知识产权的WSN节点和WSN信息汇聚节点板卡，同时引进和消化国际上最新、最先进
的无线传感器网络操作系统、无线传感器网络编程和仿真器。
目前技术上的主要瓶颈有： 1）能量。能量是制约传感器节点工作时限的最大因素，大容量的能量供应、外部能量的汲取、高效率的能量利用、低功耗传感器等，这些都是优先考虑的问题；2）成本问题。在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展；3）设计限制。传感器节点的小型化与低能耗，对于一些部件的集成产生了障碍；这些限制和要求也影响到软件设计的各个层次，如操作系统所占内存小并且必须有效的管理资源。
亟待解决的技术问题：1）网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题；2）系统能量供应问题。目前主要的解决方案有：使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术；3）高效的无线传感器网络结构。无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源；4）网络安全协议问题。传感器节点的远距离和无人值守增加了它们遭到恶意入侵和破坏的机会，而且无线通信很容易让敌人窃听到传感器所传输的信息；5）大规模传感器网络中的节点自我管理。Wsn通常工作在偏远地区和恶劣环境中，这就要求传感器节点必须具有自我管理能力，在没有人工干预下动态适应环境的变化。
2.国内外相关技术研究开发、产业化现状和发展趋势
（1）国外研究与应用情况
无线传感器网络（WSN）的研究肇始于20世纪90年代末期。WSN技术涉及传感技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、软件编程技术和能源技术等多学科交叉研究领域。从21世纪开始，WSN技术引起了学术界、军事部门和工业界的极大关注，美国、欧洲和日本相继启动了许多关于WSN的研究计划。尤其是美国通过国家自然科学基金委、国防部高级研究计划局等多种渠道投入了巨额资金支持WSN技术研究与应用系统开发。
军事应用领域：美国陆军2001年就提出了“灵巧传感器网络通信”计划，
在2001-2005财政年度期间批准实施。其基本思想是：在战场上布设大量的WSN 节点和少量WSN信息汇聚节点，以收集、传输、汇聚战场环境和战场目标信息，从而大大提高参战人员对战场态势的感知能力。与此相关的项目有：“沙地直线”系统——用于侦察和定位敌军坦克及车辆；“无人值守地面传感器（Unattended Ground Sensors）；“远程战场监视传感器系统”（Remotely Monitored Battlefield Sensors System，REMBASS）。美国海军最近确立了“传感器组网系统”研究项目，其核心是一套实时数据库管理系统，利用现有的通信机制对从战术级到战略级的WSN信息进行管理，把高性能WSN与高性能交战网络有机地结合起来，以提高美军的协同交战能力（Cooperative Engagement Capability，CEC）。此外，美国Sandia国家实验室与美国能源部合作，共同研发能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击并及时采取防范的系统。该系统集化学生物传感器和网络技术于一体，既能够在专用的WSN管理中心对敏感场所进行监控，又能够通过Internet进行远程监视。迄今为止，在军事和安防领域已经实际应用的WSN无人值守系统主要有：美国霍尼韦尔公司研制的便携式边界无人值守地面传感器；美国L3通信公司研制的REMBASS无人值守传感器网络系列产品和战场反入侵系统/排级早期预警设备（BAIS）；美国达信防务系统公司生产的战术无人值守地面传感器网络（T-UGS）和城区无人值守地面传感器网络（U-UGS）；美国Crossbow公司生产的枪声定位系统；美国MIT开发的Mica系列WSN移动目标探测与定位系统；以色列飞机工业公司下属的/埃尔塔公司生产的EL/I-6001无人值守传感器网络；澳大利亚研制的先进传感器网络目标探测系统。
民用领域：美国Intel公司在2002年发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。该计划宣称：Intel公司在未来将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块、星星探测等领域的应用。实现该计划需要三个阶段：包括物理阶段、实现阶段和应用阶段。物理阶段主要开发集成感知、计算和通信功能的超微型传感器（即WSN节点）。实现阶段将在实际业务中收集WSN节点的感知数据。应用阶段是将WSN应用于各类实时监测系统。近年来，美国南加州大学开发了WSN大楼结构安全监控系统；美国加州大学伯克利分校开发了旧金山大桥WNS监测系统和大鸭岛生态环境WSN监测系统；美国MIT 开发了WSN城市交通监测系统；美国哈弗大学开发了微光WSN医疗监护系统；英
国伦敦帝国大学、美国Intel研究院和MIT共同研发了城市供水管道WSN监测系统和活火山WSN监测系统。此外，西班牙、美国、加拿大、荷兰、意大利、澳大利亚、日本和印度等国家也相继开发了应用于精细农业的WSN监控系统；美国、日本和欧洲的许多国家也相继开发基于WSN技术的智能交通系统。
值得一提的是：2004年，韩国提出了建设无处不在的网络社会（e-Society）目标——采用智能网络、最新计算机技术以及其他先进的基础设施形成的网络社会，比较有代表性的系统是韩国济州岛u-Fishfarm示范渔场。u-Fishfarm系统主要包含两个部分：基于射频标签（RFID）的渔场饲料管理子系统和基于WSN 的渔场环境监控系统。该示范渔场的建设经费（2亿韩元）完全由政府资助，于2006年12月完成
产业现状：目前国际上最著名生产WSN节点芯片和WSN节点板卡的主要公司有：Crossbow公司、Silion Lab公司、Grape Networks公司、Chipon公司、Ember 公司、Atmel公司、Microchip公司、AeroComm公司、Freescale公司、Renesas 公司、RFM公司、Intel公司、NI公司、TI公司、Nordic公司；
开发WSN操作系统的著名大学和研究机构主要有美国加州大学伯克利分校（TinyOS）、加州大学洛杉矶分校（SOS）、康奈尔大学（Magnet OS）科罗拉多大学的（MOS）、韩国汉城大学（SenOS）；此外，一些学者新近开发的WSN操作系统Contiki、LiteOS和WSN仿真器等也引起了国内外学者的广泛关注。
（2）国内研究与应用情况
国内在WSN领域的研究基本与国外同步，中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件所、电子所、自动化所和合肥智能技术研究所等科研机构，清华大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、西北工业大学、天津大学、电子科技大学等院校在国内较早开展了WSN技术研究，已经取得了一些初步成果。但是这些成果大都采用国外商品化WSN节点和无线传感器技术（GSM/GPRS/CDMA、蓝牙、Wi-Fi等）构成简单应用系统样机，不是真正意义上的WSN应用系统，没有体现出WSN的优点，但这些研究为WSN的应用起到了示范作用。
例如，国防科技大学和深圳富华光电技术有限公司合作研发了边防WSN无人值守系统工程样机，国防科技大学还研发了WSN战场感知试验平台；中国科学
院研发了基于WSN技术的智能交通系统和沈阳玫瑰园环境监测系统；中国农业科学研究院研制了基于GPRS/WEB技术的远程数据采集和信息发布系统；中国农业信息技术研究中心研制了温室、禽舍远程监控系统，华南农业大学、江苏大学和浙江大学也有类似的WSN解决方案；宁波中科无线通信事业部（深联科技公司）在慈溪市蔬菜大棚项目中构建了WSN数据采集系统；中国海洋大学承担了国家高技术研究发展计划（863）项目“水下传感器网络协议关键技术研究”；四川雅安建设了WSN雨量和地质灾害多参数监测预警系统；中国台湾大学和试方科技有限公司联合研发了WSN森林微环境监测系统。
目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：
1）环境监测和保护。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。
2）医疗护理。可以使用微型传感器来测量患者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况，从而方便接受护理和治疗。
3）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。
4）空间探索。借助于航天器布撒的传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。
5）火山、地震监测。通过使用地震和声学传感器采集地震和次声信号来获取和研究活火山的自然特性。
6）建筑结构健康监测。任何建筑物都有一定的使用周期，建筑物的安全性会随着使用时间的增加逐渐恶化。周期性的监测能都提供建筑物的健康程度信息，对险情及时报警，从而减少一些不必要的人员、财产损失。
7）精细农业。可以利用传感器监测各种自然条件的变化，如光照、温度和湿度等，从而为农作物的生长提供依据。
8）其他商业化用途。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，以及城市车辆监测和跟踪系统、灾难拯救、仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具、工厂自动化生产线等众多领域。
3.省内相关单位研发进展及产业化现状；
近年来，福建省的一些大学也开展了WSN相关技术研究，取得一些应用成果。例如，福州大学研发了基于WSN技术的配电开关柜无线测温系统；厦门大学和中国计量科学研究院联合研发了基于WSN技术的茶园土壤信息监测系统；福建新大陆电脑股份有限公司研发了基于移动平台的路灯无线智能控制系统。就总体而言，省内相关单位的研究进展不大，仍停留在WSN技术研究与应用的初级阶段，更谈不上进入产业化的阶段
4.项目对产业发展的支撑作用
由于历史原因，福建省的工业基础薄弱，这既是本省的弱项，但也是有利因素（污染源相对较少）。福建产业的发展方向应当以发展绿色工业为主体，并采取跨越式发展途径——发展21世纪三大高技术产业之一（无线传感器网络）。具体实施步骤是：以无线传感器网络技术在军事与海岛边防无人值守领域、反恐与安防领域、现代农业领域、现代交通领域、环境监测领域、智能家居领域、医疗保健领域、矿井安全救灾领域和地质勘探领域的需求为牵引，采用产、学、研合作和军民融合的方式，引进本省在外地和海外工作学习的相关技术人才，以福建省闽保信息技术股份有限公司和国防科技大学机电工程与自动化学院的合作为基础，建立省级WSN技术研发中心和WSN应用示范基地，以达成创建无线传感器网络技术产业以及WSN应用领域的相关产业，从而占据未来新兴高技术产业的制高点。
1、项目产品说明
在东南沿海某岛屿或海岸线建立“海岛WSN无人值守示范系统”，用于实时监测边防周围状况。本系统由无线传感器网络（WSN）节点簇、远程加密通讯装置和海岛海岸态势分析与显示终端构成的。其中，无线传感器节点用于检测环境噪声、地面与空气震动以及环境磁异信号，经三元数据融合后，可粗略判断距离节点半径为500m范围内是否存在入侵目标（预先设定）。一旦目标特征值超过阈值，节点数据将传输至汇聚节点，并经远程无线电加密传输至终端进行后续信息处理。除通用WSN的基本功能外，还具有：可根据地形地貌部署无线传感器节点（各节点地理位置坐标和节点编码一一对应）；可根据不同的应用需求，注入不
同的应用程序，而无须改变传感器节点的硬件结构；无线传感器节点的作用距离大等实用化特征。用于探测指定区域内由舰船、低空飞机、蛙人或武装人员所引起的震动、噪声和磁异信号，一旦发现入侵者（舰船、无人机、蛙人等），该系统将自动通过BD-2短文信息服务把监测数据（时间、地点、目标特征值）传递到“海岛边防监控指挥中心”。
2、主要技术指标及应用前景
由WSN节点和WSN信息汇聚节点构成的节点簇，可用于检测布设周围的车辆、坦克、低空飞行器、舰艇和武装人员等机动目标引起的地面震动、环境磁场强度和噪声级变化量。通过人为模拟目标的入侵形态，在远程监控屏幕上可显示各个节点和信息汇聚节点的采样数据和数据融合结果，从而判定本系统的功能。此外，还可以在远程监控终端上查询各个节点和信息汇聚节点的工作状态，以验证本系统可否正常工作。主要参考技术指标如下：
◆弱磁检测传感器作用距离：潜艇（舰船）500m；车辆（坦克）：100m
◆声音传感器作用距离：30m（40~60dB）；100m（大于100dB）；
◆震动传感器灵敏度：地面和空气震动3mg(小于500Hz)
◆WSN节点目标覆盖半径：100m（武装小分队，10人以上）
◆工作温度：-40?C～80?C
◆电源：大容量锂离子可充电池12.6-10.8VDC 18000mAh（3个月，充电时
间8小时）
3、经济效益分析
系统中的无线传感器网络节点（含有噪声、震动、磁异信号探测器）可作为摄像头触发装置接入现有的安保系统，以提高摄像头的使用寿命、节省计算机内存空间、实现快速目标信息检索。此外，还可以作为独立的目标监测系统，用于军事国防和危险区域（如变电站、核电站等）的无人值守，不仅可进行集控自动化，对各受控区进行遥信、遥控、巡控、维护和事故处理等，从而减少人员的误操作、减少大量的运行值班人员，提高了劳动生产率，降低了成本，进而带动部队（或企业）的科技进步。在、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、安保、反恐、缉毒、野外临时设防等诸多领域，具有广泛的应用前景。
相关图片（作为证明材料）
无人值守传感器网络监视系统节点
无线传感器网络无人值守系统（国防科大）
WSN节点电路板（国防科大）
WSN信息汇聚节点电路板（国防科大）
小型化WSN节点原理样机（国防科大）
基于WSN的智能节水灌溉系统设计方案
基于WSN的智能节水灌溉系统设计方案 本设计的主要内容是研制开发适合我国国情的、低成本的易推广的、主要应用于温室大棚的节水灌溉自动控制系统，为实现我国农业高效节水灌溉提供技术装备。 由于不同农作物有不同的需水特性灌水时间、灌水量既影响农产品的产量也影响农产品的质量,因此,高效节水灌溉自动控制技术主要是向适时适量、按需灌溉的方向发展。所以,该设计主要包括两个方面,一是测,获取土壤水分信息,并根据土壤水分信息及温度和作物需水特性来决定灌溉时间与灌溉量的多少。这将摆脱以往仅凭经验灌溉的灌溉模式,使作物灌溉决策建立在科学的基础之上。二是控,研究如何根土壤条件、土壤水分信息及作物需水特性进行合理的灌溉决策,即将传统的凭经验由人工手动阀门控制灌溉方式改为自动进行适时适量、按需灌溉控制。单片机系统根据测得土壤的温度和湿度值通过程序来控制水泵的放水量从而提高水的利用效率节省大量人力,达到智能灌溉节约用水的目的。 系统采用STC12c5a单片机来实现。用湿度传感器FC-28对湿度进行采集,所得电流信号经处理得到可用的电压信号,输入到A/D转换器转化成数字信号,再由单片机对此信号进行处理。用温度传感器DS18B20对温度进行采集,所得信号经内部处理,直接得到可用的数字信号,将采集的温度值和土壤的湿度值,通过zigbee节点，将数据通过自组网的方式传送给zigbee网关,zigbee网关通过串口通信的方式与单片机连接，单片机上装有GPRS模块，将数据通过短信的方式发送
给终端手机用户，手机用户能够接收到实时的数据。手机用户通过AT指令，反过来经过GPRS模块、串口通信设置传感器的阈值电压。当温度、土壤湿度低于设定阈值时，通过zigbee节点的继电器，采用外接电源，驱动外面电机工作，实施喷灌；当温度、土壤湿度高于设定阈值时，通过zigbee节点的继电器，停止驱动，电机停止工作，不再喷灌。下面是整个系统的框图： 1.温度传感器的选择 方案1:采用热敏电阻。可满足+35度到+95度的测量范围,但热敏电阻精度、重复性和可靠性都比较差,对于检测精度小于1度的温度信号是不适用的。 方案2:采用温度传感器DS18B20。DS18B20具有体积小、质量
wsn应用系统设计
WSN应用系统设计 根据你在日常生活中的观察和体验，结合所学知识，针对某一具体应用，设计一个简单的WSN应用系统。主要包括以下几个方面： （1）应用系统名称：基于无线传感网络的养老院护理系统 （2）应用背景和意义：现今社会状况，养老院容纳的老人数量逐渐增加。入住老人普遍年龄大，生活自理能力较低，容易发生突发性事故，老人安全问题成为养老院最为关注的问题。（并且我国养老院对老人的照护基本采用人工看护的方式，每位护理员同时照看多名老人，此方式人力成本高，效率低下。很多养老院为了解决以上问题，采取了诸如缩小老人活动区域、集中看护的措施，采取增加护理人员等措施，这些措施要么不够人性化，容易引起老人反感，要么会大幅增加养老院的运营成本。此外，对于老人的突发性疾病，也基本没有任何的预防和处理能力，这也都影响到养老院的护理水平和护理品质。）在科技发展的今天，我们完全可以把无线传感网络技术应用于养老院中，打造养老院的智能监护网络，实现养老智能化，能够降低老人的意外伤害风险，促进养老院的服务水平。 （3）系统功能： ○1身份识别 养老院中，每位老人都有唯一的一个身份识别码，系统可以依据老人唯一识别码，对老人个人信息、护理记录以及用药信息进行管理。 利用该识别码，可在护理或用药时确认老人身份，以便提供正确的医疗护理。○2防走失 老人位置实时定位，护理人员可通过护士工作站和移动护理设备实时查看老人所在的位置和行动的轨迹。当老人超出设定的活动区域时，老人智能监护服务器系统就会触发报警，并在屏幕上突出显示，及时提示护理人员进行处理。 ○3呼叫求助 老人需要帮助时，通过SOS 呼叫按钮进行一键呼叫，系统在收到紧急信号后会在护理终端系统上发出报警信号，护理人员可通过终端对报警事件进行响应，报警事件及相应处理过程记录在系统日志中，可以通过护理终端查看。 ○4体征监测 老人的呼吸、心率等体征数据实时上传到智能监护服务器系统，由系统进行分析处理，实时掌握老人健康情况。 ○5异常告警 体征数据异常时，系统会触发告警，解决老人在睡梦中发病或突然失去意识情况下的紧急救治问题。 ○6移动护理 核对老人的用药情况（服药品和当前老人身份相匹配以及用药时间是否匹配）有效地提升护理质量，减少护理纰漏事故。 ○7人员调度 系统提供护理人员管理和调度功能，实现养老院护理人员调度信息化和智能化，记录每位护理人员的日常工作情况，实现统一的人员管理。对于老人的告警信息，系统能就近调度护理人员，实现对告警老人的及时护理。
WSN节点的设计
1 WSN节点的设计 WSN节点的功能 传感器节点作为传感器网络的硬件平台具有端节点和路由双重功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面将数据融合经多跳路由传送到汇聚节点，最后经互联网或其它通信网络传送到观察者。 WSN节点的组成结构 (1)传感单元：由传感器和模数转换功能模块或数字信号处理模块组成。 负责监测区域内信息的采集和数据的预处理。 (2)处理单元：由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、输入输出接口及 嵌入式操作系统等。负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理传感单元采集的数据以及其它节点发来的数据。 (3)通信单元：由无线通信模块组成。负责与其他传感器节点进行无线通 信，交换控制消息和收发采集数据。
(4)能量供应单元：负责为传感器节点提供运行所需的能量。 设计原则 1、低功耗（更换一次电池的使用时间尽量长）。设计中从硬件和软 件两个方面降低功耗硬件上尽可能使用低电压、低功耗的芯片。软件上可以添置电源管理功能，合理分配能量。 2、良好的射频性能：同等条件下射频性能强的网络能力强，通信距 离也较大。 3、节点体积要小，对检测的目标体系不构成影响，便于部署。 4、低成本：节点模块不能太多且不能太复杂。 5、可扩展性：采用模块化设计，根据不同的需要添加不同的功能模 块，比如传感器模块可以做一个通用口。 现有无线传感器节点 表 1无线传感器节点的参数比较
注释： ①Berkerly大学和Crossbow合作的Mica系列节点 ②MeshNetic公司 ③Moteiv公司 ④中科院宁波所的Gains节点与Mica2同，Gainsz节点与Micaz节点 同。 其中以Mica系列节点设计和Telos节点应用最广泛，如大鸭岛海燕生活习性和栖息地环境的监测，红杉树微气候环境监测都采用了Mica系列节点，用于采集温度、湿度、大气压强、声音和光照等信息。目前许多研究机构在构建低带宽数据采集的应用中都采用了这两种节点作为硬 件平台。2008年5月5日中科院宁波所又推出Gainst-CC2430节点。 下面把上面三种红色字体的Mica系列的节点以Micaz、Toles、Gainst-CC2430节点做进一步比较： 1.4.1 现有无线传感器节点方案对比 1、Atmega128L+CC2420 (成本：45+39=84元) ATmega128L 是基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，工作速度可达8MIPS，工作电压是2．7 V到5．5 V。哈佛结构使程序和数据分开存储访问，程序执行效率更高，内置128K字节的Flash程序存储器，4 K字节EEPROM，4 K字节的内部SRAM。此外，ATmegal28L 还有53个通用I／O 、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM 功能的定时器
基于无线传感器网络的小汽车信号预警系统设计与应用
第35卷第2期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版） Vol.35,No.2 2019年3月 Journal of Qiqihar University(Natural Science Edition) March,2019 基于无线传感器网络的小汽车 信号预警系统设计与应用 彭敏，朱婷婷 （安徽三联学院 交通工程学院，合肥 230601） 摘要：由于闯红灯导致交通事故多发，在交叉口排队通行期间常发生由于驾驶员控制不当而导致的追尾事故。本设计采用无线传感网络技术与车载导航系统相结合，即由车载移动终端设备、无线传感网络组成小汽车信号预警系统，该系统能双向发送和接收红绿灯信号时间信息以及根据车辆的速度、离停止线的距离、红绿灯信号时间信息等综合分析判断发出相应的语音提示信号，以引起驾驶者的注意，能根据红绿信号灯时间信息提前做好相应准备；最后对该系统的实际应用效果进行 简要的测试分析。 关键词：无线传感器网络；小汽车；红绿灯信号；预警 中图分类号：U463.6 文献标志码：A 文章编号：1007-984X(2019)02-0046-04 当前小汽车保有量增长迅猛，新手驾驶员越来越多，机动车在信号控制交叉口闯红灯是最常见的交通违法行为，也是导致交叉口事故多发的重要原因之一。据统计，我国2013年初到2014年底，闯红灯违法 行为导致道路交通事故2 951起，造成600人死亡、3 675人受伤。在美国，每年由闯红灯引起约26万起交 通事故，其中约750起事故导致人员死亡[1]。杜绝闯红灯，既需要交通运行环境更加完善、管理更加科学，也需要机动车、非机动车、行人各类交通主体主动遵守法规。 本设计将无线传感网络技术与小汽车车载导航系统结合起来设计出小汽车信号预警系统，提供交叉口红绿灯信号预警信号，用以帮助驾驶员判断汽车到达停车线时交通灯的显示状态，以引起驾驶者的注意，为红灯停提前做好准备，避免驾驶者闯红灯，不仅可以避免违章罚款，可以更有效地降低路口交通事故。 1 小汽车信号预警系统设计 1.1 系统组成 本设计作如下假设：小汽车所到达交叉口信号控制机都具有公交优先功 能；每辆车都配备有车载导航设备，且能自动获得其位置坐标和道路方向信 息；应用实验只研究直行情况，其他以此类推。 基于以上约束条件，将快速公交信号优先控制系统的相关技术运用于为 小汽车提供交叉口信号灯变换及时长信息，即小汽车的车载移动终端设备通 过增加信号灯信息提取及语音提示模块，通过快速公交优先的无线传感网络 能接收信号控制机发送的红绿灯时间信息并进行分析判断之后发出语音预警 提示。小汽车信号预警系统架构如1图所示。系统主要包含车载移动终端设 备、无线传感网络、信号控制机、交通信号控制系统软件等。 1.2 系统功能 车载终端设备与信号控制机之间通过无线传感网络的中继器和接收主机 双向发送请求信号和红绿灯信息，车载移动终端对信息进行分析处理，发出 语音预警信号。而信号控制机的控制方案是由交通信号控制平台下发的，并 收稿日期：2018-10-15 基金项目：安徽三联学院自然科学重点项目《基于无线传感器网络的小汽车信号预警系统设计与应用》（KJZD2018013） 作者简介：彭敏（1981-） ，女，四川仁寿人，硕士，讲师，主要从事交通信息工程及控制应用研究。 图 1 系统组成
WSN节点的设计
1 WSN节点的设计 1.1 WSN节点的功能 传感器节点作为传感器网络的硬件平台具有端节点和路由双重功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面将数据融合经多跳路由传送到汇聚节点，最后经互联网或其它通信网络传送到观察者。 1.2 WSN节点的组成结构 (1)传感单元：由传感器和模数转换功能模块或数字信号处理模块组成。 负责监测区域内信息的采集和数据的预处理。 (2)处理单元：由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、输入输出接口及 嵌入式操作系统等。负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理传感单元采集的数据以及其它节点发来的数据。 (3)通信单元：由无线通信模块组成。负责与其他传感器节点进行无线通 信，交换控制消息和收发采集数据。
(4)能量供应单元：负责为传感器节点提供运行所需的能量。 1.3 设计原则 1、低功耗（更换一次电池的使用时间尽量长）。设计中从硬件和软 件两个方面降低功耗硬件上尽可能使用低电压、低功耗的芯片。软件上可以添置电源管理功能，合理分配能量。 2、良好的射频性能：同等条件下射频性能强的网络能力强，通信距 离也较大。 3、节点体积要小，对检测的目标体系不构成影响，便于部署。 4、低成本：节点模块不能太多且不能太复杂。 5、可扩展性：采用模块化设计，根据不同的需要添加不同的功能模 块，比如传感器模块可以做一个通用口。 1.4 现有无线传感器节点 表1无线传感器节点的参数比较
注释： ①Berkerly大学和Crossbow合作的Mica系列节点 ②MeshNetic公司 ③Moteiv公司 ④中科院宁波所的Gains节点与Mica2同，Gainsz节点与Micaz节点 同。 其中以Mica系列节点设计和Telos节点应用最广泛，如大鸭岛海燕生活习性和栖息地环境的监测，红杉树微气候环境监测都采用了Mica系列节点，用于采集温度、湿度、大气压强、声音和光照等信息。目前许多研究机构在构建低带宽数据采集的应用中都采用了这两种节点作为硬件平台。2008年5月5日中科院宁波所又推出Gainst-CC2430节点。 下面把上面三种红色字体的Mica系列的节点以Micaz、Toles、Gainst-CC2430节点做进一步比较： 1.4.1 现有无线传感器节点方案对比 1、Atmega128L+CC2420 (成本：45+39=84元) ATmega128L 是基于A VR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，工作速度可达8MIPS，工作电压是2．7 V到5．5 V。哈佛结构使程序和数据分开存储访问，程序执行效率更高，内置128K字节的Flash程序存储器，4 K字节EEPROM，4 K字节的内部SRAM。此外，ATmegal28L 还
基于WSN空气环境监测系统设计和实现
基于WSN空气环境监测系统设计和实现 文章针对当前空气环境监测中面临的监测点分散、布线困难和实时性差等难题，提出来一种在测试区域无线随机分布传感器节点采集空气环境参数，通过协调器与数据中心进行实时处理与分析，远程终端用户可以通过Internet实现对空气质量全天候的实时监测。系统不但有效地克服了传统环境监测系统的低可靠性问题，而且增加了新的监测功能，很好地解决了空气环境实时监测的问题，在条件恶劣和无人坚守的环境监测和事件跟踪中显示了很大的应用价值。 标签：CC2520；无线传感器网络；空气环境监测；实时监测 1 概述 随着我国经济的快速增长，随之而来的是环境污染事故频发，造成了大量的人员伤亡和严重的经济损失，甚至造成不良的社会影响。空气污染已经成为人类身体健康的无形杀手，如何防治空气污染，净化我们的空气已经成为当今刻不容缓的难题。传统人工取样实验室分析的方法，只能得到监测现场某段时间内被监测气体的平均浓度，不能够提供实时值，且监测结果受人为的影响很大，对有害气体浓度很高的现场进行监测时，现场摆放气体吸收液会严重损害环境监测人员的健康[1]。国外进口的自动化大气环境监测进行在线监测的方法存在所用设备结构复杂、价格昂贵、国产化率低、难以维护、运营成本高等缺陷，很难在大范围内普及。 2 系统构成 系统采用PC机作为基站监控中心上位机，基于MSP430F2618处理器的开发平台作为下位机，由传感器节点采集化工区环境信息，经Zigbee无线网络将数据传送到网关节点，再经网关节点转发，将所采集的信息传送到基站的上位机中，经过上位机软件的在线监测[2]，实现对化工区环境的实时监视，如图1所示。 图1 空气环境监测系统框图 2.1 Zigbee无线数据传输模块设计 本节点的网络设计是基于Zigbee无线传输系统网络的一种无线传感器网络。Zigbee，在中国被译为“紫蜂”，与蓝牙相类似，是一种新兴的短距离无线技术[3-4]。它类似于CDMA和GSM网络。Zigbee的节点与节点之间可以互相通信接力传输。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。Zigbee 网络节点的设计具有微型化、扩展性和灵活性、稳定性和安全性、低成本等要求。 CC2520为IEEE 802.15.4的数据帧格式提供硬件支持。其MAC层的帧格式为：头帧+数据帧+校验帧；PHY层的帧格式为：同步帧+PHY头帧+MAC帧，
wsn应用系统设计
wsr应用系统设计 根据你在日常生活中的观察和体验，结合所学知识，针对某一具体应用，设计一个简单的wsr应用系统。主要包括以下几个方面： （1）应用系统名称：基于无线传感网络的养老院护理系统 （2）应用背景和意义：现今社会状况，养老院容纳的老人数量逐渐增加。入住老人普遍年龄大，生活自理能力较低，容易发生突发性事故，老人安全问题成为养老院最为关注的问题。（并且我国养老院对老人的照护基本采用人工看护的方式，每位护理员同时照看多名老人，此方式人力成本高，效率低下。很多养老院为了解决以上问题，采取了诸如缩小老人活动区域、集中看护的措施，采取增加护理人员等措施，这些措施要么不够人性化，容易引起老人反感，要么会大幅增加养老院的运营成本。此外，对于老人的突发性疾病，也基本没有任何的预防和处理能力，这也都影响到养老院的护理水平和护理品质。）在科技发展的今天， 我们完全可以把无线传感网络技术应用于养老院中，打造养老院的智能监护网络，实现养老智能化，能够降低老人的意外伤害风险，促进养老院的服务水平。 （3）系统功能： ?身份识别 养老院中，每位老人都有唯一的一个身份识别码，系统可以依据老人唯一识别码， 对老人个人信息、护理记录以及用药信息进行管理。 利用该识别码，可在护理或用药时确认老人身份，以便提供正确的医疗护理。 ?防走失 老人位置实时定位，护理人员可通过护士工作站和移动护理设备实时查看老人所在的位置和行动的轨迹。当老人超出设定的活动区域时，老人智能监护服务器系统就会触发报警，并在屏幕上突出显示，及时提示护理人员进行处理。 ③呼叫求助老人需要帮助时，通过SOS呼叫按钮进行一键呼叫，系统在收到紧急信号后会在护理终端系统上发出报警信号，护理人员可通过终端对报警事件进行响应，报警事件及相应处理过程记录在系统日志中，可以通过护理终端查看。 @体征监测 老人的呼吸、心率等体征数据实时上传到智能监护服务器系统，由系统进行分析处理，实时掌握老人健康情况。 ?异常告体征数据异常时，系统会触发告警，解决老人在睡梦中发病或突然失去意识情况下的紧急救治问题。 ⑥移动护理 核对老人的用药情况（服药品和当前老人身份相匹配以及用药时间是否匹配）有效地提升护理质量，减少护理纰漏事故。 ⑦人员调度 系统提供护理人员管理和调度功能，实现养老院护理人员调度信息化和智能化，记录每位护理人员的日常工作情况，实现统一的人员管理。对于老人的告警信息，系统能就近调度护理人员，实现对告警老人的及时护理。