无线传感器在数字化油田的应用

无线传感器在数字化油田的应用（推荐9篇）

无线传感器在数字化油田的应用 篇1

前言

井口数字化建设是油田地面工程数字化建设最底层、范围最广、最关键的现场部分，主要完成对现场井口、站点的数据采集和控制。包括：抽油机油井、螺杆泵油井、电潜泵油井、注水井等。在数字化油田井口建设中，使用无线传感器可以减少建设周期、维护方便，适合于规模施工，全面建设数字化油田。下面以中石油青海油田为例，介绍无线传感器在油田中的应用。

1.背景介绍

中石油青海油田公司是集油气勘探、开发、研究、生产、销售为一体的大型石油公司。作业区域在素有“聚宝盆”之称的柴达木盆地。石油资源量达21.5多亿吨，天然气资源量近25000亿立方米，目前油气勘探程度较低，具有广阔的发展前景。

自2000年以以来，青海油田在部分区块已经建立了井网自动化系统，典型系统如尕斯区块、跃进区块、七个泉区块，覆盖约500多口油井。但是原有系统的覆盖面小，对于整个油田而言，仍有一半以上的井口、站点尚未实现自动化监控；另一方面，随着电子技术、通信技术的发展，在已有系统中，早期建成的部分系统采用的产品和技术已经逐渐失去了先进性，在使用维护过程中暴露出的一些问题。

2011年青海油田的数字化油田项目，完成对现场的抽油机油井、螺杆泵油井、电潜泵油井、注水井的数字化建设。最终要在2011年底建立起覆盖整个油田的、技术先进、质量可靠、便于使用维护的基于物联网的油田数据采集和监控（SCADA）系统，实现数字化油田的建设目标。

在实时监控方面，实现对油井的远程示功图、电流图、功率图采集，三相电参数采集和中控室远程启停控制；在生产管理方面，通过抽油机示功图对油井工况进行诊断分析，通过电量数据掌握油井耗电情况和采取节能措施，通过功图计产分析制定油井管理措施；在生产信息方面，在钻采院室设置数据库服务器和WEB发布服务器，实现油田生产信息在油田范围内的信息共享。

1.1数字化油田项目

既包括新建区块（对原来没有实现自动化的区块进行自动化建设），也包括老区块改造（对已有自动化的区进行改造和完善）。其中新建区块的抽油机井约1000口、螺杆泵井约100口、电潜泵井约20口，此外还包括600多口注水井；老区块改造的油水井总数约数百口。这些油水井隶属于3个采油厂12个区块。

各种井口要实现的功能如下：

2.数字化油田的总体结构设计和产品选型

井口数字化建设主要由井口控制终端(RTU)、现场检测设备、通讯链路组成的一套（SCADA）数据采集控制系统。如何选用功能完备的RTU和检测仪表、如何选用可靠的通讯方式进行井口数据通讯以及如何使数据稳定准确及时的传输到中控室，都决定了系统的稳定性、实用性和可靠性。

在2011年的新系统建设和老区块改造项目中，尽管各种油水井的功能同以前建设的已有系统类似，但是在井站系统的通信系统设计和产品、技术选型方面，却发生了本质的变化。

在产品选型方面，选用北京安控科技股份有限公司最新生产的高性能一体化无线RTU产品和无线传感器，安控产品既保留了其传统的高性能、高可靠性等特点，同时又全面支持最新的ZigBee无线技术。对于该油田已有系统的老RTU，也采用北京安控公司的ZigBee无线通信模块进行改造，扩充出无线通信接口。

在井站系统通信设计方面，井口仪表与井口RTU之间采用先进的ZigBee无线技术，具备大容量、低功耗、高可靠性、高安全性的优点，代表了短距离无线通信技术的发展趋势，并由此带来施工简化、调试维护简单、建设周期短等优点。井口RTU与上级监控中心之间的数据通信，则采用了CDMA通信网络。

2.1井站自动化系统的总体结构

在高标准、高性能、高稳定性的原则指导下，青海油田数字化油田系统结构如下图所示，包括数据采集部分、网络通讯部分和采集驱动WEB发布三大部分

●每个井口通过无线传感器采集所需数据；

●充分利用ZigBee网络特点，一个平台井口的所有无线仪表接入到同一个无线RTU，组成Mesh网络，提高通讯可靠性；每个RTU可以带64块仪表；

●所有无线仪表和无线RTU支持手操器调试，方便现场维护；

●无线RTU采集到的无线传感器数据，通过CDMA 1X网络上传到监控中心，并在本地存储历史数据，支持数据补传功能；

●监控中心搭建油气水井数字化生产信息平台，通过WEB方式发布井口实时数据；

2.2产品选型

在油田井口数字化建设中，相关产品选用了北京安控科技股份有限公司的采集和控制设备。这些设备均支持ZigBee技术。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。ZigBee技术是基于IEEE802.15.4物理层、MAC层和数据连接层上制定出的标准，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。

北京安控科技股份有限公司（简称“安控科技”），是专业从事工业级RTU产品研发、生产、销售和系统集成业务的高新技术企业，是行业领先的工业级RTU产品供应商和系统集成服务商，拥有完善的远程控制终端（RTU）产品链，拥有完善的油气田自动化和环保在线监测专用产品。

2.2.1无线电量模块

抽油机井、电潜泵井的数据采集设备，选用的是安控科技的SZ308无线电量模块，可实现三相电压、三相电流、有功功率、功率因数、有功电能等电参数采集，实现抽油机启停状态采集，实现抽油机的启停控制，与SZ902N配合实现抽油机井电流图、功率图的采集。模块具备6路AI、4路DI、4路DO通道。在通信接口方面，具备1个RS232接口、1个RS485接口，内置了高性能的ZigBee通信芯片，并配套提供2.4G高增益天线。

SZ308无线电量模块采用先进的32位处理器，不仅能完成电参数的采集，还能实现数据处理、通讯联网等功能；强大的通讯组网能力和卓越的环境指标特性，能够适应各种恶劣工况环境。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。

2.2.2无线功图传感器

抽油机井示功图采集选用安控科技的SZ902N无线功图传感器，可自动测量抽油机井地面示功图（冲程、冲次等），实现对有杆泵示功图的采集。示功图数据以ZigBee无线通信方式，传输到井口无线RTU中。

SZ902N无线功图传感器，设备简单，只有一个与传统载荷传感器相似的终端组成；安装方便，与传统的载荷传感器安装方法相同，但是免去了有线仪表电缆敷设的施工量，安装简化快捷；运行稳定，使用电池供电，可消除外界电网干扰；安全防盗，示功仪与卡锁一起上下运动，不易被人为破坏；技术先进，可设置多个频点，避免同频干扰；方法新颖，利用加速度传感器获取位移量；绿色产品，利用太阳能充电安全环保。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。

2.2.3无线数字压力表

井口油压、套压采集选用安控科技的SZ903D无线数字压力表，实时监测油压、油套的压力和注水井注水压力。SZ903D无线数字压力表，就地显示配置液晶显示器；采用防H2S腐蚀设计；适用于各种恶劣的使用环境；具有功能强、可靠性高、应用灵活、操作方便等特点。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。

2.2.4无线扭矩传感器

螺杆泵井口扭矩、负荷、转速采集选用安控科技的SZ904无线扭矩传感器，实时监测螺杆泵井口扭矩、负荷、转速。SZ904无线扭矩传感器，采用防H2S腐蚀设计；适用于各种恶劣的使用环境；具有功能强、可靠性高、应用灵活、操作方便等特点。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。

2.2.5无线数字温度表

井口温度采集选用安控科技的SZ905D无线数字温度表，实时监测井口油温和注水井注水温度。SZ905D无线数字温度表，就地显示配置液晶显示器；采用防H2S腐蚀设计；适用于各种恶劣的使用环境；具有功能强、可靠性高、应用灵活、操作方便等特点。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。

2.2.6无线RTU

井口无线RTU选用安控科技的SZ932无线网关产品。该设备具有1个ZigBee无线接口、1个RS485接口、1个RS232接口、1个TCP/IP网络接口，因此可以广泛用于以下场合：

（1）接收SZ90X无线仪表的数据；

（2）实现有线通信和无线通信之间的转换；

（3）实现第三方产品的协议转换；

（4）作为网关设备，将有线RS232/RS485或者无线通信转换为网络数据传输；

在油田井口数字化建设中，SZ932无线RTU可以通过ZigBee接口接收井口无线仪表的数据，并通过ZigBee或其他通信方式将井口数据上传到监控室。主要支持的通信方式为

1)GPRS/CDMA DTU通信

2)无线网关通信

3)SCDMA大灵通通信

4)数传电台通信

5)有线RS485通信

2.3网络通信设计

从系统结构图可以看出，通信设计采取了ZigBee+CDMA 1X方式，达到实时数据采集、传输、远程控制等效果，并将相应数据传输至后台网络，实现后台信息共享，信息管理等应用。

2.3.1 ZigBee无线应用部分

每个丛式井场，一般有3、4口井相对比较集中,采用短距离无线技术可以节省成本同时也降低了施工强度。无线技术采用的是ZigBee的无线网络协议，ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)915MHZ(美国流行)3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-250m的范围内，但可以继续增加。

2.3.2 CDMA应用部分

井站是分散的，且与作业区监控中心的距离相对较远。井口采集数据要统一传送到中控室，采取了抗干扰能力强、传输距离远的CDMA作为媒介，以保证数据传输的实时性、可靠性和稳定性。

3．系统实现的功能

数据采集包括井口数据采集、作业区监控中心。

3.1井口数据采集部分

1)功图法量油

在井场，井场配套无线功图传感器SZ902N，实现油井功图全天候采集。在作业区监控中心则安装专门的示功图量油诊断软件，及时掌握油井产量情况和分析故障原因。

2）电流图、功率图采集

无线电量模块与无线功图传感器配合，实现油井电流图、功率图全天候采集。在作业区监控中心则安装专门的分析诊断软件，及时掌握油井电机运行情况和分析故障原因。

3）电参采集、油井压力、温度采集

在抽油机控制箱配套无线电量模块SZ308，监测抽油机上下行过程中三相电流和三相电压的变化情况；监视抽油机运行状态，对电机缺相、过载、空转等故障实现自动报警，并能根据控制中心命令实现启停控制。

在油井上安装无线数字压力表SZ903D，实时监测油压和套压的变化。

在油井上安装无线数字温度表SZ905D，实时监测井口出油温度的变化。

3）螺杆泵井

在螺杆泵井井口安装无线扭矩传感器，实时采集光杆的扭矩、负荷、转速。在作业区监控中心则安装专门的螺杆泵量油诊断软件，及时掌握螺杆泵井产品情况。

无线RTU SZ932提供了标准的RS485接口，能够与螺杆泵控制变频进行通讯。采集变频实时数据，了解三相电压、三相电流、电功率、功率因数和电能等参数，并据此制定节能降耗措施。

4）电潜泵井

在电潜泵井控制箱内配套无线电量模块SZ308，通过电流互感器对电泵井的三相电流进行实时监控。

5）注水井

在注水井安装无线数字压力表SZ903D，实时监测注水井压力的变化。

3.3监控中心部分

建立油气水井数字化生产信息平台，通过WEB方式实现流程监控、功图分析、生产曲线、报表生成、操作日志和报警等功能。有着信息完整、提高工作效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势。提高了油田油井系统运行可靠性、安全性与经济效益，减轻了调度员的负担，实现了油田调度自动化与现代化，在提高调度人员的工作效率和操作水平方面有着不可替代的作用。

4．无线传感器在油气田数字化建设中的优点、效益分析

与传统的产品选型和系统设计相比，无线传感器在油气田数字化建设和使用中均显示出了独特的优点：

4.1施工简便、低成本，节省材料和人工

油田传统的井站自动化系统的建设方式，以某油田原有的老区块为例，采用的是模拟仪表和有线通信传输。模拟仪表传输和有线通信方式，在施工安装过程中不可避免地需要敷设信号电缆、通信电缆（如RS485电缆），涉及到在井场挖沟和安装电缆护管等。人工费用和材料费用造成施工成本高。

而在无线传感器应用的系统中，这一部分的施工费用不存在了，信号传输和通信传输均简化为无线通信的调试，施工成本被降到了最低。

4.2施工快捷，建设周期短，便于后期维护

由于新系统的建设省略了在井场动土挖沟、动火电焊等施工，因此施工速度提高了数倍。

以安控科技生产的无线功图传感器的安装为例，传统的信号电缆敷设和传感器安装需要至少半小时以上，而该传感器减少了安装抽油机光杆卡子和电缆敷设的时间，因此正常的安装时间缩短到了10分钟以内。

井场内自动化设备的安装施工中，都需要对油井停机停电，而停机就意味着油井减产。因此从这个意义而言，施工速度的提高就等于是生产效益的提高。

在系统的后期维护方面，某油田老区块原有的信号和通信电缆，在修井作业中经常被重型车辆轧断和遭到人为破坏。而无线传感器则免除了这一问题。

4.3适合于规模施工，全面建设数字化油田

随着电子技术、计算机技术的进步，特别是国产设备的推陈出新，油田专用的RTU、PLC产品的采购成本已经逐渐降低；而无线技术的应用，则带来了施工费用的大大降低。

无线传感器在数字化油田的应用 篇2

农作物的生长受到如光照、温度、湿度、土壤的酸碱度和施肥状况等自然条件的影响,受到病虫害等突发自然灾害的影响;农作物处在野外荒地,要人力实时的采集影响农作物生长的自然条件是比较困难的,也比较复杂。利用传感器节点组成的无线网络可以方便快捷的采集农田信息,并把数据信息迅速的传输到管理中心;这种无线传感器网络结构灵活、安装方便、性价比高、数据传输距离远,可以在农田的信息采集、农田的节水灌溉、温室环境控制和森林防火等各个方面广泛的应用。

1 无线传感器网络[2]

无线传感器网络系统的体系结构如图1所示,在监测区域内部或附近密集布设大量传感器节点,它们以自组织的方式构成一个无线网络。

传感器节点是无线传感器网络的基本组成元素,具有采集信息,处理信息、路由转发和无线传输数据等功能。传感器节点结构如图2所示。这些传感器节点通过自足网络协议连接并相互通信,同时节点兼有路由和数据转发等功能。在网络中节点即是信息采集者,也是数据中转站,通过无线网络的自组织方式和路由跳转方式,将采集到的监测区域的数据信息通过汇聚节点到达管理节点。

传感器网络具有传统的局域网的网络拓扑结构,根据监测环境条件、传输速率、传输距离的要求采用不同的网络拓扑结构。传感器节点具有采集信息,并具有一定的数据处理、数据存储能力,并具有较强的容错能力和抗毁能力以及可重用性。在农田环境中,可以部署大量的节点组成无线网络,对农作物有影响的信息进行采集,对我们需要的环境信息进行不间断的大量的数据收集。例如:监测土壤环境的酸碱度、水分含量,研究阳光、温度对农作物的影响,观察农作物的生长规律等。

2 农田监测环境中的无线传感器网络的应用

2.1 无线传感器网络的特点

无线传感器网络主要具有以下优点[5]:

1)精确度高。传感器节点部署在监测环境中与被监测物体近距离接触,采集的环境信息精确度高。

2)网络简单。传感器网络的布局简单,随机布设,一次成功,无需移动。

3)容错能力和抗毁能力较强。传感器网络节点数量多,分布密集,多节点协作。

4)网络可重用性强。节点可以方便的移动,监测区域可以更换,网络采用无线自组织,可以避免线路铺设的麻烦,安装方便。

2.2 农田无线传感器网络检测系统体系结构

在网络中通过各个传感器节点采集包括空气温度、土壤的肥沃程度、湿度、土壤湿度、降水量、病虫害等基本信息,综合采处理数据,发现问题,并且准确地定位问题发生的位置。其系统结构如图3所示。网络结构是采用层次模型。从底层到上层依次的作用是:在最底层是传感器节点,部署在监测环境中的,采集监测区域的各种数据信息,向上为节点网络、基站,对数据信息进行整理、传输,最终通过汇聚节点连接到互联网,管理控制中心在最高层,是对数据进行处理分析,做出各种指令。这样传统耕作农业将逐渐被现代化农业取代,人力采集农田信息、人力灌溉、人力分析土壤成分将被自动化、网络化、智能化的生产模式所取代。现在这种无线传感器网络技术能完成传统网络无法完成的任务,如今在社会的各个方面都有广泛的应用,例如对人体有害的化工领域的监控、对无人环境区的监测、深井矿藏的勘测等。

2.3 在农田监测中应用

传统农业我们使用孤立的、没有通信能力的机械设备,主要依靠人力勘测土质状况,跟踪温度水分,监测农作物的生长周期,这样耗费大量人力财力,而且还会出现信息的延误现象,影响对农作物管理的及时决断。采用了传感器网络后,可以在检测环境中精确的获取农作物环境信息和农作物的生长状况的数据,并及时将数据传送到基点;基点对这些数据信息进行分析处理,将数据传送给管理中心。管理中心计算机上建有一个管理数据库,存放农业专家长期研究的成果和积累的经验的农田数据信息,例如:农田天气参数、土壤信息、农作物每个生长期的参数等数据。有了传感器节点传递过来的数据信息,管理者就可以做出相应的处理,实时的作出调整,例如是否开放闸门放水进行灌溉,是否施肥以促生长,是否喷洒农药保持健康生长,是否调剂温度来调节农作物的生长周期等。这样可以减少人力资源的耗费、减少对农田环境和农作物的影响,提高农田经济效益。传统农业将逐渐被现在化农业取代,人力采集农田信息、人力灌溉、人力分析土壤成分将被自动化、网络化、智能化的生产模式所取代,更多使用远程控制的设备来控制农田设施。

无线传感器网络可以精度控制,传感器节点监控温室的土壤的条件、室内温度、气压、光照等,为温室精准调控提供科学依据。在节水灌溉,农田、果园大规模生产、果蔬保鲜、粮食的存储以及养殖等行业都可以应用无线传感器网络。

3 无线传感器监测网络的的构建以及关键技术

在构建无线传感器网络中,网络节点功能各不相同。各个节点功能如图4所示。

终端节点与汇聚节点按照星型网络组网,终端节点安装不同的传感器可以在检测环境中分别对土质信息的采集和水分温度信息的获取等。终端节点与汇聚节点按照星型网络字组网络与传感器联络,汇聚节点是传感器节点功能上的扩展,扩展路由及网络的功能,允许更多传感节点接入网络。

基站节点是网络关键部件,不仅负责把数据向上层传输,还负责网络启动、网络配置、网络维护、节点维护、网络绑定等,因此需要大的存储空间和强的计算能力。

无线传感器网络要对所监测的环境进行信息采集,把采集到的数据进行处理并转发到管理中心。这就需要对传感器节点进行精确定位、把采集的数据进行确切融合,用户对远程设备控制等。

3.1 定位技术

节点定位[7]是无线传感器网络的关键,通过节点和基站之间的信号参数来确定节点的具体位置(如监测到农作物遭受病虫害的侵袭就需要知道其确切的位置)。目前典型的节点定位技术有:场强定位法,根据节点的接受信号的功率测算节点和基站的距离;基于信号传播时间(TOA或TDOA)的定位法,根据节点传输信号到基站的信号传输时间来确定节点和基站的距离等。这还仅仅是一些初步的研究成果,要优化无线传感器网络还需要很多工作要做[10],基于现有的定位技术,研究者开发出了一系列的实用的算法,例如接收信号指纹算法,利用环境的地理位置,将接受的数据信号与数据库的信息比较得出实际的位置。泰勒算法,当有4个以上的基站进行定位时,利用信号传播时间的值取得传感节点的定位。

3.2 数据融合技术

无线传感器网络是由许多传感器节点构成的,这些节点共同完成环境监测、采集信息的任务。但是各个节点采集到的数据不能直接传输到汇聚节点,需要通过基站网关的汇集,这就是需要数据融合技术,在基站网关将数据信息进行分析处理,整理出更高效、更符合用户需求的数据数据传输到管理中心。分布式的滤波算法是最热点的数据融合技术。Xi-ao等人提出的分布式一致滤波方法,R.O.Saber等人提出的动态分布一致估计方法等也是在实际中得到应用。

3.3 远程任务控制

远程控制是通过远程控制的方法对整个网络进行调控,包括监测人员向基站发出任务指令,监控传感器节点的工作状态,调整节点的工作任务,进而更好地完成对环境信息采集和获取以及有效传输。分布式网络配置协议(CCP),通过节点的三种状态(休眠、活动、监听)来采集相邻节点的信息[8]对网络进行控制。最坏最佳覆盖算法[5],根据最小距离最大距离两个极限情况,得到临界的网络路径对网络进行监测。

与有线网络不同,无线传感器网络是多种技术的融合与构建,它在各个领域都有应用,例如农业生产、化工业、环境监测矿工开采等行业。要实现定位监测的功能,除了上述关键技术外,还涉及时间同步、定位算法、数据传输、安全技术、数据管理等方面的技术,虽然现在提出了一些协议,在不同的行业有各自的优点,但是也存在着不足方面。随着网络技术,计算机技术,通信技术的发展,也迫切需要更加先进无线技术算法和协议的发展。

4 结束语

无线网络融合了多方面的技术,在多个领域展示了它的强大优势,其相关应用已经渗透到农业、化工、环境等多个领域。该文利用无线传感器网络,将独立、分散的传感器节点相连接,勾勒出了一个农田环境监测系统,系统根据传感器节点不同的选择,可以实现空气温度、湿度、土壤的肥沃程度、病虫害等生态环境的自动监测,完成环境指数信息的采集、分析、显示、存档、汇总和报表打印,精确地记录和掌握监控农田环境状况,预防和及时发现病虫害和水的灌溉,完成农业环境监测和调查统计等各类农业环境信息的收集、分析评价,为农业决策管理提供技术支持[8]。

参考文献

[1]颜振亚,郑宝玉.无线传感器网络[J].计算机工程与应用,2005.15.

[2]艾莉.无线传感器网络及其应用概述[J].技术与市场,2009.4.

[3]蔡镔.农业高校无线传感器网络课程建设初探[J].科技信息,2011.7.

[4]颜振亚.无线传感器网络[J].计算机工程与应用,2005.15.

[5]董付国.无线传感器网络在学校实验楼火灾报警中的应用[J].福建电脑,2007.7.

[6]张育琪.基于ZigBee技术的无线数据采集系统设计[J].西安电子科技大学,2010.

[7]桑海泉.无线传感网络在安全生产中的应用[J].中国安全生产科学技术,2007.5.

[8]龙慧.无线传感器网络发展现状研究[J].单片机与嵌入式系统应用,2011.11.

[9]董付国.无线传感器网络在学校实验楼火灾报警中的应用[J].福建电脑,2007.7.

无线传感器在数字化油田的应用 篇3

关键词：无线传感器网络

中图分类号：TP399文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2012) 03-0000-02

The Development of Wireless Sensor Networks and Its Application in Precision Agriculture

Pei Fang,Zhang Jie

(Hunan Mechanical&Electrical Polytechnic,Changsha410073,China)

Abstract:Wireless sensor networks have developed rapidly.Wireless sensor networks in real-time monitoring,perception,acquisition and processing of a variety of monitoring object information,has become one of the most cutting-edge scientific research topics.The article introduces the concept of wireless sensor networks,structure,characteristics and research focus and key technologies.

Keywords:Wireless sensor networks

随着微电子和微系统（MEMS）、无线通信、信号处理这三个技术领域近年来的飞速发展，一个新的研究领域成为国内外关注的热点，这就是基于大量具有通信功能的微型无线传感器构造的无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks).WSN具有极其广泛的应用，如感知战场状态（军事应用）、环境监控（如气候、地理、污染变化的监控）、物理安全（如建筑和结构的）监控、城市道路交通监控、安全场所的视频监控。

一、无线传感器网络的国外发展状况

无线传感器引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国军方有包括C4KISR计划、Smart Sensor Web、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统CEC等都是关于无线传感器网络的研究。国际学术界和研究机构对无线传感器网络做了大量的研究课题。

（一）国际学术界对WSN的关注—专利

IEEE Journal on Selected Areas in Communications

(2004，VOL.22，NO.6，2005，VOL.23，NO.4，2006，VOL.24，NO.2)

Proceedings of The IEEE(2003，Vol.91，NO.8)

IEEE Wireless Communications(December 2004)

IEEE Signal Processing Magazine(2006，VOL.23，NO.4)

（二）WSN相关的国际会议

Wireless Communications and Networking Conference

Wireless Communications，Networking and Mobile Computing

ISCIT

ICASSP

ISSCS

（三）2004年在美国国际自然科学基金、国家健康协会的资助下，哈佛大学启动了CodeBule平台研究计划，目的是把无线传感器网络技术应用于医疗事业领域，包括医疗救急、灾害事故的快速反应、病人康复护理等方面。

（四）2003年INTEL公司在Berkeley大学的研究中心启动了关于WSN方面的研究计划，内容如下：

异构传感器网络，测量各种异构传感器网络的性能，研究嵌入式处理在异构网络中的应用。

Mote计划，开发下一代的自组织WSN节点，设计出更强处理能力、更大存储容量、更高带宽和可靠频射能力的节点。

TASK计划，研发Tiny Application Sensor Kit(TASK)，为一般用户快速开发和部署自己的WSN应用，提供简单实用的开发套件。

（五）美国Dust Networks和Crossbow Technologies等公司研究的“智能尘埃、Mote”已进入应用测试。在英国、日本、意大利等国家，已经开展了该领域的研究工作。

我国也开展了这一领域的研究工作，具体内容包括无线传感器结点的硬件设计、操作系统、网络路由技术、节能技术、覆盖控制技术等。目前正处于研究和开发阶段，这是一个很有意义的课题，是从理论到实践都需要大量研究的课题。

二、无线传感器网络的结构特点

无线传感器网络的结构如图1所示：

图1 无线传感器网络节点结构模块

WSN有两种组网结构：

平面拓扑结构。如图2所示。有的网络节点处于相同的平等地位，不存在任何的等级和层次差异，所以被称为对等式结构。

逻辑分层结构。如图3所示。网络节点按照某种规则（如地理位置、应用需求）分成各个簇，每个簇由簇头和成员节点构成。

图2 平面拓扑结构

图3 逻辑分层结构

三、无线传感器网络在精准农业的应用

精准农业是非常好的应用大规模互联网传感器一个应用方向。比如说美国的国家环境预测中心等等，都在为利用遥感技术为农业信息化做贡献。英特尔在美国做了一个无线葡萄园，利用传感器节点检测土壤的信息，日本开展研究田间检测服务器，如何提供自动化农业产品的生产检测与田间信息收集手段。这里面核心问题就是可能大量用遥感和地面信息感知。

利用WSN空间遥感，为什么把这两个东西结合起来，传统空间摇杆有一个局限性，它的分辨率低，就是说要检测一个温度、湿度，希望颗粒度比较细，但是卫星做不到那么细，那么这是第一个问题。第二传统配合卫星，遥感来解决它的分辨率低这样一种问题的方法就是用人在去提取一些地面的准确的信息，对遥感数据进行校正，这样做法也有局限人去做。首先活动范围有限，然后你时间又不连续，成本很高。

那么，我们提出地面和空间的遥感数据结合，就是要用地面的传感器网络获取信息，大量连续的信息和空间信息结合起来，进行联合繁衍，最后获取信息第一精度高，第二颗粒度、细粒度非常好。我们要做的这个工作包括这样一些事情，地面数据和遥感数据进行耦合，进行数据融合，然后要做一个地面观测系统，在IPv6网络作地面观测系统。第三要获取精确景区农田环境的信息，然后把这个系统应用到一个范围里面去。

那么核心问题做一个传感器节点，这个节点是专用节点，还要加不同传感器，或者一些不同特性加进去。这个节点有一些防热的问题，还有散热的问题，防盗等等这样的问题，它是多传感器土壤问题，湿度传感等等情况。为了提高它的增加控制时间寿命，可能在这种情况下加一个太阳能电池，就算没有我们希望通过软件控制，使节点通过时间可能半年以上它有一个作物季节，可以连续工作。

中央处理器部分可以做一个的嵌入式系统。到一个农田里有用两种方式部署，一个是密集，一个是稀疏，为了降低成本在密集方式我们部署是一种传感器节点，范围不是很大，但是节点密度很大，稀疏方式整个大面积我们要部署传感器节点，通过GPRS手段，把数据传到CNGI上来，通过处理出来结果就会提供给农业部门。进行早期的估产，进行施肥加水，施放农业的决策依据。

那么，无线传感器的数据处理，这是一个网络上面一个问题，就是传感器数据如果采集到以后我们是N次数据是一一往上传是有问题，这样大大降低整个网络生命周期，要进行本地压缩，会聚融合传上来，要进行预处理。那么我们刚才提到数据融合算法，要密切的满足无线传感器网络特点，包括数量，分布密度，拓扑结构，能量约束，技术能力约束，存储空间约束等等。对无线传感器网络很重要就是它的生命期，如果太短的话，WSN是没有意义。还有遥感系推获取系统是来自卫星的数据，地面获取，数据库建设，数据库融合的问题。那么有一系列难点，比如说作物生长遥感指标，刚才说这个网络部署密集部署说起来很简单做起来是非常难，传感器目前是没有结构的，是没有路由器，是用组网，组网有一些非常复杂的问题，做不好这个传感器网络两天就死掉。所以要一种算法，包括路由，应用尽可能提高生命周期，这是一个很大的问题，尤其是大规模的应用的。

第三个问题就是耦合模型，怎么进行耦合。那么，未来这样一个系统，它要从检测，到反过来进行控制，精准农业控制，通过检测发现现在需要水，不需要内供浇水，可以通过人工智能浇灌系统等等

四、总结

而随着工艺、计算机及其网络技术的发展，WSN必将在工业、农业、医药、军事得到越来越广泛的应用，这将迫切需要高效的支撑技术算法和协议。

无线传感器在数字化油田的应用 篇4

ADS40数字传感器的摄影测量处理与应用

ADS40是机载多线阵CCD推扫方式成像的多功能数字传感器,可以同时获取高分辨率多光谱和全色数字影像,并能满足数字摄影测量与各种遥感应用的需求.线阵列推扫式的.成像方式使得ADS40与传统框幅式相机存在很大的区别,CCD探测器采样期间受气流不稳等因素的影响,导致姿态角发生变化,获取的影像存在着较大的影像变形,这种变形不仅影响视觉效果,更为严重的影响了数字摄影测量软件对其的应用.因此,对ADS40原始影像进行处理,消除影像的变形问题,具有十分重要的意义.

作 者：赵德文 Zhao Dewen 作者单位：中铁工程设计咨询集团有限公司,北京,100055刊 名：铁道勘察英文刊名：RAILWAY INVESTIGATION AND SURVEYING年，卷(期)：35(2)分类号：P231.5关键词：ADS40 数字传感器 数学模型 影像变形 摄影测量处理

无线传感器在数字化油田的应用 篇5

1 无线传感器网络的体系结构

传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点。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进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。

传感器节点通常是一个微型的嵌入系统,它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱,通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看,每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由双重功能,除了进行本地信息收集和数据处理外,还要对其他节点协作完成一些特定任务。目前传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点。

汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强,它连接传感器网络与Internet等网络,实现两种协议栈之间的通信协议转换,同时发布管理节点的监测任务,并把收集的数据发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点,有足够的能量借给和更多的内存与计算资源,也可以是没有监测功能仅带有无线传感器接口的特殊网关设备。

2 无线传感器网络的特点

1)低成本、高冗余。

传感器节点单个价格低廉,可以大批量生产。节点的大规模部署使得无线传感器网络通常具有较高的节点冗余、网络链路冗余以及采集的数据冗余,从而使得系统具有很强的容错能力。

2)规模大。

为了提高网络的可靠性,通常在目标区域内部署大量传感器节点,传感器网络可能包含多达数千甚至上万个传感器节点。传感器网络的大规模性还能够通过不同空间视角获利更大的信噪比,从而牛市监测的准确性,这一直是卫星和雷达这类独立系统难以克服的技术问题。

3)分布式、自组织性。

无线传感器网络是由对等节点构成的网络,不存在中心控制。管理和组网非常灵活。不依赖固定的基础设施,每个节点都具有路由功能,可以通过自我协调、自动布置而形成网络,不需要其他辅助设施和人为手段。

4)动态拓朴。

无线传感器网络是一个动态的网络,网络内的节点可能会因为能量消耗或其他故障退出网络;有些节点可能牌工作状态,没有参与网络通讯;也有可能又会新增大量的节点融入网络,这些都会使网络的拓朴结构随时发生变化。还可以借助个别具有移动能力的节点对拓朴结构的调整,可以有效消除探测区域内的盲点。

5)空间位置寻址。

无线传感器网络一般不需要支持任意两个传感器节点之间的点对点通信,传感器节点不必具备具有全球唯一的标识,不必采用因特网的IP寻址。用户往往不关心数据采集于哪一个节点,而关心数据所属的空间位置,因此可采取空间位置寻址方式。从这个意义上讲,传感器网络通常以数据本身作为查询或传输线索,因此传感器网络是一个以数据为中心的网络。

3 无线传感器网络在军事中的应用优势

1)可快速部署。

由于传感器网络节点单个体积较小,通过飞机或者炮弹就能直接将传感器节点播撒到敌方阵地内部,或者是敌我双方的公共隔离带,在部署之后节点之间可以快速进行无线网络链接,在获取基站所下任务命令后,迅速收集战场信息,并及时将所得作战信息反馈给指挥中心。

2)可自组织性。

传感器网络是由大量的随机分机的节点组成的,即使一部分传感器节点被敌方破坏,剩下的节点依然能够自组织地形成网络。而这一点是独立的卫星和地面雷达侦察系统所不能比拟的。传感器网络还可以借助个别具有移动能力的节点对网络拓朴结构进行调整,达到有效消除探测区域内盲点和阴影的效果。

3)强隐蔽性。

传感器网络节点体积微小,可悄无声息地发送到敌人内部,于无声息处收集战场信息。“智能尘埃”是上世纪90年代末由美国国防部提供资金、加州大学伯克利分校实施的一项课题,其中所做的传感器节点已达到沙粒级别,但是它却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。未来的智能微尘甚至可以悬浮在空中几个小时,搜集、处理和发射信息,它能够仅靠电池工作多年。智能微尘的远程传感器芯片能够跟踪敌人的军事行动,可以把大量智能微尘装在宣传品、子弹或炮弹中,在目标地点撒落下去,形成严密的监视网络,敌国的军事力量和人员、物资的流动自然一清二楚。

4 无线传感器网络在军事领域中的应用情况

1)战场侦察与监视。

在敌方阵地附近、道路、桥梁、港口等关键地区部署各种类型的传感器,了解敌方动向,以及武器装备的部署情况。分布式传感器在军事领域的应用已有几十年的历史。在20世纪60年代的越南战争期间,美军就使用了当时被称为“热带树”的无人值守传感器网络来对付北越的“胡志明小道”。所谓“热带树”实际上是一个震动传感器和声传感器组成的系统,它由飞机投放,落地后插入泥土中,仅露出伪装成树枝的无线电天线。当人员、车辆等目标在其附近行进时,“热带树”便探测到目标产生的震动和声信息,并立即将信息数据通过无线电通信发送给指挥中心。指挥管理中心对信息数据进行处理后,得到行进人员、车辆等目标的地点位置、规模和行进方向等信息,然后进行指挥决策。“热带树”越战中的成功应用,促使许多国家战后纷纷研制和装备各种无从值守的地面传感器系统(Unattended Ground Sensors,UGS)。美军的远程战场监视传感器系统(Remotely Mnitorored Battlefield Sensors System,REMBASS)项目已经为UGS的成功使用进行了验证。REMBASS使用了远距离监视传感器,由人工放置在敌人可能经过的道路。这些传感器可以对敌人的活动两句引起的信号做出响应,记录下诸如地面震动、声音、红外和磁场变化等物理量。REMBASS可以在本地节点处理传感器获取的数据,以直接或通过无线中继设备把探测、分类的信息传输到传感器监视设备。传感器监视设备对收到的信息进行解调、解码、显示和记录,提供敌方活动的完整时间记录。此外用于战场侦察监视的还有美军C4KISR计划中的Smart Sensor Web、灵巧传感器网络通信、战场环境侦察与监视系统等项目;用于对付狙击手的枪声定位系统;用于探测低空飞行器的DSN系统;用于对电磁信号进行侦察与干扰的“狼群”系统等。

2)战场态势感知。

现代战争被人们喻为“感知者的胜利”,在新的军事竞争背景下,掌控“透明战场”既是军事信息技术发展的必然结果,也是当今各军事强国的建设重点。美国空军已经在战略计划制定部门中组建了态势感知特别工作组,提高部队的传感器分析和数据整合能力,并先后研制了快速攻击识别、探测和报告系统、战场感知广域视界传感器等感知系统。美军的未来战斗系统为士兵提供全天候、全天识别目标的功能。美军开展的其他类似项目还包括陆军“无人值守地面传感器群”、海军“传感器组网系统”等。特别是自从阿富汗和伊拉克战争以来,战争样式具有了更多的网络化作战成分,即大量采用IP和WEB技术。美国近年来强调的“网络中心战”、“行动中心战”和“传感器到射手”等作战模式,都特别突出传感器组网来提高态势感知能力,将传感技术探测获得的目标信息通过网络系统传输给武器装备,为武器装备射击提供及时的信息,例如,美军开始研制的“战场感知与数据分发”系统就是用来演示和实践新型作战模式。

3)战场目标跟踪

无线传感器网络具有微型化终端探测的功能以及自组网的特点,因而在目标跟踪应用中的优势越来越明显,其中:跟踪更精细,密集部署的微型化传感器节点可以对移动目标进行精确探测、位置跟踪和控制,从而可以详细显示出移动目标的运动情况;跟踪更可靠,由于无线传感器网络的自治、自组织和高密度部署,当节点失效或新的节点加入,可以在恶劣的环境中自动配置容错,使得无线传感器网络在跟踪目标时具有较高的可靠性、容错性和鲁棒性;跟踪更及时,多种传感器的同步监控,使得移动目标的发现更及时,也更容易实现分布的数据处理、多种异构传感器节点相互之间协同工作,使得目标的跟踪过程更加全面;跟踪更隐蔽,由于传感器节点体积小,无线传输功率小,不易被敌方发现,因而可以对目标实现更隐蔽的跟踪,同时也方便部署应用。

4)核、生、化监测

借助于生物和化学传感器,可以及旱发现已方阵地上的生、化污染,可以较为安全地获取一些核、生、化爆炸现场的详细数据,为已方组织防护提供快速反应时间从而减少损失。2002年5月,美国Sandia国家实验室与美国能源部合作,共同研究能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击,并及时采取防范对策的系统。它属于美国能源部恐怖对策项目的重要一环。该系统集检测有毒气体和化学传感器和网络技术于一体。安装在车况的传感器一旦检测到某种有害物质,就会自动向管理中心通报,自动进行引导旅客避难的广播,并封锁有关入口等。该系统除了能够在专用管理中心进行监视外,还可以通过Internet进行远程监视。

5)装备、弹药、后勤物资管理

利用无线传感器网络对军事装备、弹药等物资进行管理与调配,实现物资管理的“可视化”,可以在战场瞬息万变的情况下缩短供应时间,提高战场保障效率。比如在油库安装无线传感器节点设备,对油料进行监控,当油料缺少时报系统油库缺油,进而工作人员就要及时补充油料,此举可以大大减少人力的支出,缩短了时间。在伊拉克战争期间,美军在后勤保障上应用了大量无线传感器网络,战争结束后美军军方进行数据统计,发现未使用无线传感器网络的物资调配要比使用无线传感器网络的浪费人力30%,浪费时间25%。

5 结束语

信息技术正推动着一场新的军事变革,信息化战争要求作战系统“看得明、反应快、打得准”,谁在信息的获取、传输和处理上占据优势,取得制信息权,谁就能掌握战争的主动权。无线传感器网络正是正是应此而生,必然在军界引起极大重视。虽然无线传感器网络的应用前景十分美好,但由于当前的技术瓶颈,无线传感器网络技术在军事领域还不能大面积的广泛应用。其当前的研究热点主要有:网络体系结构、路由及数据分发、链路层协议、整合处理技术和数据库技术、功耗管理、定位技术等。需要解决的问题还很多,但可以展望未来无线传感器网络在军事领域中的蓬勃发展。

摘要：随着无线通信、电子和微机系统技术的发展和日益成熟,无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)在全世界范围内得到广泛应用。因为其低成本、低功耗和功能多而引起工业界和学术界的关注,被广泛应用于军事、环境、医疗、健康、自然资源信息采集等方面,被列为十大创新技术之一[1]。文章在分析了无线传感器网络的体系结构设计和特点的基础上,着重讨论了传感器网络在军事应用中的优势,最后论述了无线传感器网络在军事领域中的应用情况。

关键词：无线传感器网络,节点,军事应用

参考文献

[1]Anon.Ten emerging techologies that will change the world[J].Technology Review,2003,106(1):22-49.

[2]崔逊学,赵湛,王成.无线传感器网络的领域应用与设计技术[M].北京:国防工业出版社,2009.

[3]唐宏.无线传感器网络应用研究.中国通信学会国防通信技术委员会第六届学术年会论文集[C].北京:电子工业出版社,2010.

无线传感器在数字化油田的应用 篇6

关键词:液晶电视 智能感光 光电二极管

中图分类号:TP212.9文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)02(b)-0083-02

1 工作原理

Intersil公司推出的新型光/数字传感器,ISL29003/ISL29004可以感应可见光(380nm～770nm),并能将光强度转化成简便易用的16位标准数字输出信号。

该器件集成了电流放大器、用于消除人为光闪烁的50Hz/60Hz抑制滤波器和模/数转换器。这些集成式光/数字传感器实现了高灵敏度,可以达到人眼的灵敏度。

ISL29003/4的照度范围是0.3勒克斯至10,000勒克斯,器件的光谱波长灵敏度与人眼的波长灵敏度(550nm的最大响应)非常接近。效率极高的ISL29003和ISL29004还具有掉电模式,消耗电流低于1μA,进一步节省了功耗。通过利用Intersil的双二极管设计架构,这些器件能够自动补偿晶片温度。

ISL29003/4可以通过I2C选择四个光度范围:范围1=0lux-1000lux;范围2=0lux-4000lux;范围3=0lux-16000lux;范围4=0lux-64000lux。

2 ISL29003/4应用电路图

如图1所示。

3 护眼、节能程式在平板电视上的应用

3.1 开机护眼模式选为普通时

直流开时,屏幕显示如下信息:

开机护眼模式选为普通时,环境光亮度、预计开关机时间都是固定的,环境光亮度为很亮,预计开机时间为6秒。

3.2 开机护眼模式选为关时

直流开机时屏幕无开机显示信息。即直流开机亮度、对比度、音量为关机时的状态,没有渐变的过程,直流开机为直接打开背光,直接显示正常图像、声音和相关屏显。

3.3 直流开/关机护眼功能,主要调以下参数

(1)亮度。当开机护眼模式为自动或普通时,开机亮度从柔和状态亮度值的1/2增到直流关机时的状态值,如果直流关机时的状态值比柔和状态亮度值的1/2要小的话,开机亮度值从0增到直流关机时的状态值,中间不会有突变现象。关机亮度从当前状态值逐渐衰减到0,然后关机。

(2)对比度。当开机护眼模式为自动或普通时,开机时对比度从柔和状态对比度值的1/2增到直流关机时的状态值,如果直流关机时的状态值比柔和状态对比度值的1/2要小的话,开机对比度值从0增到直流关机时的状态值,中间不会有突变现象。关机对比度从当前状态值逐渐衰减到0,然后关机。

(3)背光亮度。调节屏背光控制电压,降低或提高背光亮度。需注意屏本身噪音。

4 换台护眼模式/换台护眼:

当换台护眼模式/换台护眼设为开时,换台方式为静止换台,切换频道时画面显示为切换频道前当前频道的最后一个画面,等换台完成后,画面转换为切换频道后当前频道正在播放的动态画面。切换的过程中不能出现花屏等不正常现象。

5 观看护眼模式/观看护眼

亮度、对比度其值的变化自动适应环境光值,其对应值参考图像模式,见表1。

6 观看护眼亮延

观看护眼亮延选为关时,观看护眼功能即时有效,不加延时处理,对外界环境光反应比较灵敏。为开时,护眼功能有延时处理,就是当环境光变化时,环境光变化需要持续3～5s,这样观看护眼才起作用,这样做是为了避免环境光忽明忽暗的情况下导致电视忽明忽暗闪。

8 结语

智能感光系统是液晶电视智能化的体现,可随外界环境的光自动调节电视屏幕亮度。当外界较亮时,智能感光眼自动将屏幕亮度调亮,以适应外界亮度,避免屏幕太暗无法看清内容;当外界光线太暗时,感光眼则将屏幕亮度自动调暗,以免在黑暗的环境中,过亮的屏幕亮度刺痛眼睛,同时还可以降低背光亮度,起到节能降耗作用。

参考文献

[1]钱能.C++程序设计教程[M].清华大学出版社,1999,4.

[2]王庆有.光电传感器应用技术.机械工业出版社,2007.

[3]ISL29003/ISL29004.PDF.www.intersil.

刍议无线传感器网络的应用技术 篇7

关键词：无线传感器；网络；应用技术

近年来，随着距离近、功耗低的无线通信技术的发展，能够通过微小的芯片感知外部环境而发出逻辑命令的片上系统随之出现。而无线传感器网络WSN就是由大量这种具有片上系统感知、运算功能的微型传感器节点所构成的网络。通过这些节点间的相互传递信息、不间断的检测、感知并处理网络覆盖范围内的各种环境或各个对象的数据，从而得到系统而精准的信息并把这些有效信息发送到需求的用户。

一、无线传感器网络的特点

（一）硬件资源和电源容量有限

传感器的节点注重小体积、低功耗的功能实现，必然会在计算性能、程序容量和内存大小等方面远远小于正常规格的计算机，因此在节点的操作系统设计中，不易设计过于繁复的层级。同时，电池是网络节点的主要能量来源，但是这里的电池一般都是低容量的，如果在一些应用领域中存在特殊的使用情况，可能没有办法给电池及时充电或者替换新电池，电池的能量使用没了以后这个节点也会随之失效，这个特性就决定了传感器的设计中在每个环节都要重视节能的特性。

（二）节点密集分布

无线传感器通过节点间不断的自身调节以更好的状态适应外部环境，保证工作的稳定性与高效性。可以提高区域内对信息的抽样效率，能够明显提高监测的准确度，并能有效减轻单一传感器节点监测精准度的负担。另外，通过节点的紧密排布，在固定空间内会产生很多多余的节点，这些多余的节点有利于增强系统的容错性能，从而减轻了单一传感器在稳定度方面的要求。节点的紧密排布也有利于合理的调整休眠期，是增加了网络的使用寿命的有效手段。

（三）自组织网络

选择自组织工作方式是由无线传感器的自身特性所决定的。一是无线传感器的应用环境中很少有固定化的网络设施支持；二是传感器的节点的部署方式通常都没有规律可言，节点间的位置关系以及互为相邻的关系是不能提前预知的；三是传感器的节点由于电池的能量小容易被快速消耗而失去作用，并且收到外界环境的影响也可能会失效。其中的部分节点为了补充那些不起作用的节点并且为了增加检测的精密度而被填补进来，加之节点可能转移或者处于休眠调度机制中，因此网络总是处在实时的变动过程。

二、无线传感器网络的应用

（一）军事应用

军事方面的需要才促使了无线传感器的产生，无线传感器的自身设计理念是非常适合在军事上的应用的。无线传感器在军事领域的应用主要是收集情报、追踪敌人、监视敌情、分类目标。无线传感器的内置部件都是低成本低功耗的节点，并且自行组织力和容错能力也都很强，即便在局部节点收到刻意的破坏后，也不会引起整体的系统故障，基于这两点特性才能够保障无线传感器网络可以在战场上这种环境恶劣的条件下的正常工作，提供精准无误的数据传输以最大限度的减少伤亡。无线传感器除了在战争时期的应用，在如今世界局势比较稳定的情况下也能发挥着重要的国土安全保卫功能和边境的监控职能。

（二）环境科学

在进行环境科学的研究过程中可知，单纯依靠传统的采集方式来获得数据是非常困难的，而通过无线传感网络广泛的布置节点，并依靠节点之间的相互配合与协调共同作用，进行自动化的配置、管理、调度的流程来跟踪鸟类和昆虫的迁移活动并记录它们的生活习性。传感器网络还可以实现对土壤状态的检测，通过传感器来监测降水量、分析河水的水位以及土壤的水分，相类似的也可以运用到对森林火情的预报、天气情况的预报，对农业耕种中病虫害问题、土壤的酸碱度以及肥料是否充分等问题的监测等。

（三）医疗健康

无线传感器网络中分布着数量巨大的类似的或者不相同的传感器节点，它们紧密的排布在监测区域内。利用无线传感器微小的特点则可以在医学领域发挥其重要的作用。医生可以利用传感器来进行对病人血压和心率等指标的监测，而且通过传感器网络，医生可以及时的掌握病人病情的动态情况，并加以恰当的处理。也可以通过传感器网络进行持久连续性的收集医学实验对象的各项生理指标的信息，是对传统数据信息收集的创新改革，为医学的研究提供了基础的数据。另外，在医药管理方面无线传感器也有着其特殊的用途，无线传感器为促进远程医疗的进展提供了更为有效的实现手段。

三、结语

无线传感器网络在通讯、节能和网络控制等方面有着比较系统的解决方案，因此为其真正投放到实际领域打下了坚实的基础。而且无线传感器网络自身具有的低耗节能的优势，有利于其可以在一定区域内大面积的散布，具有广泛的应用价值。（作者单位：海南师范大学）

参考文献：

[1] 司海飞，杨忠，王珺.无线传感器网络研究现状与应用[J].机电工程，2011（01）.

[2] 杨卓静，孙宏志，任晨虹.無线传感器网络应用技术综述[J].中国科技信息，2010（13）.

无线传感器在数字化油田的应用 篇8

信息技术的迅速发展,已深入人类生活的各个领域,并对人类的居住环境和建筑业发展产生了巨大的影响,人们已经开始追求充满信息技术、安全技术、高效节能、并具有丰富人文环境的绿色住宅。目前,针对高效率、低成本和网络化的智能家居终端,国内外的许多公司都提出了相应的解决方案,中国国内市场相关产品还较少,国际上的产品价格较高且还没有进入国内市场,随着市场的高速膨胀,产生的商机是非常巨大的。

2 无线传感器网络系统硬件设计

2.1 系统概述

本文所介绍的无线传感网,是以Atmel公司的8位ARM7作为系统核心,利用瑞士sensirion公司的STH11数字传感器对环境温、湿度数据进行采集。以点对点通信的模式进行组网,网络拓扑设计为星型结构。

无线传感网的总体设计必须满足实际需要,主要考虑以下几个方面的内容:低功耗、低成本、组网模式以及通信模式。在本文介绍的系统中,上位机和网关为通用设备,主要设计部分为传感器节点和接入点。

2.2 无线传感网节点设计

传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成,如图1所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换扩展消息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量,通常采用微型电池。

2.3 无线传感网接入点设计

接入点的硬件部分主要由中央处理单元、存储单元、USB接口单元和以太网接口单元组成,如图2所示。接入点的中央处理单元主要处理从传感器节点采集到的数据以及完成一些控制功能。

3 无线传感器网络系统硬件设计

无线传感器网络系统的软件部分主要包括运行于接入点、传感器节点和PC机上的软件。

3.1 基于PC的无线传感器网络接入点软件设计

接入点软件的设计是在PC机上实现的,主要实现数据的获取,数据存储,对网络节点的管理以及绘制曲线图这四个功能。其中数据获取采用的是串口控件,通过这个控件可以很方便的向便携式即插即用接入点发送和接受数据。数据存储使用的是ODBC动态连接微软ACCESS数据库,将所收集到的信息按照时间,节点号,温度值,湿度值的顺序存储在一张数据表单里;通过利用预先规定好的下行命令桢格式对接点进行管理,使网络节点休眠或唤醒;绘制曲线图指的是在弹出窗口中绘制出温度与湿度曲线使得用户一目了然的观察到温度连续变化的情况。

3.2 无线传感器网络传感器节点软件设计

传感器节点上的软件采用C语言编写,主要完成功能是采集环境中温度、湿度等数据,存储这些数据并通过无线收发器发送到传感器网接入点上,接收接入点的指令。编好程序后,按照无线传输的模块说明把串口的参数设置好。通过节点软件接收上位机发送过来的命令,然后判断是不是呼叫自己,如果是,则对命令进行编码,并将上位机所要的数据发送出去,由于上位机发送的命令含有地址信息,下位机在上传数据的时候不会出现竞争现象,从而保证信道的通畅。

4 无线传感器网络在智能建筑中的应用

一个适用于智能建筑环境监测的传感器网络系统结构如图3所示。这是一个层次型网络结构,最底层为部署在实际监测环境中的传感器节点,向上层依次为传输网络、基站,最终连接到Internet。为获得准确的数据,传感器节点的部署密度往往很大,并且可部署在若干个不相邻的监控区域内,从而形成多个传感器网络;传感器节点将感应到的数据传送到一个接入点节点,接入点节点负责将传感器节点传来的数据经由一个传输网络发送到基站上。传输网络是负责协同各个传感器网络接入点节点、综合接入点节点信息的局部网络。基站是能够和Internet相连的一台计算机,它将传感数据通过Internet发送到数据处理中心,同时它还具有一个本地数据库副本以缓存最新的传感数据。用户可以通过任意一台连入Internet的终端访问数据中心,或者向基站发出命令。

无线传感器节点具有一定的数据处理能力和通信能力。与传统的单一传感器设备相比,传感器网络可以根据要求变换监测目标和监测内容。传感器节点自主形成一个多跳网络。处于传感器网络边缘的节点必须通过其他节点向接入点发送数据。每个传感区域都有一个接入点负责搜集传感器节点发送来的数据。所有的接入点都连接到上层传输网络上。传输网络包括具有较强的计算能力和存储能力,并具有不间断电源供应的多个无线通信节点,提供接入点节点和基站之间的通信带宽和通信可靠性。

传感器网络通过基站与Internet连接。基站负责搜集传输网络送来的所有数据,发送到Internet,并将传感数据保存到本地数据库中。基站到Internet的连接必须有足够的带宽和链路可靠性,以避免监测数据丢失。考虑到监测可能在非常偏远的地区进行,基站需要以无线的方式连入Internet,对于偏远地区来说,使用卫星链路是一种比较可靠的方法,可以将监控区域附近的卫星通信站作为传感器网络的基站。

传感器节点搜集的有关智能建筑的数据最后都通过Internet传送到一个中心数据库存储。中心数据库提供远程数据服务,可以通过接入Internet的终端使用远程数据服务。由于传感器节点的处理能力有限,节点采集的数据在传感器网络内只进行了粗略的处理,需要进一步的分析处理才能得到有用的数据。

本文中所设计的无线传感器网络是一个通用的网络,可移植性较强,适用于任何希望实现网络扩展的地方,无论是将网络工作站放在大厅、走廊、室外或是在整个区域中移动,都不必担心连接中断。本设计方案可直接集成于现有的有线网络中,并实现有线局域网的扩展。在现代化的智能建筑中,可以把传感器的各个节点放入到所需控制的建筑中,各个节点通过网关与电脑相连,从而达到远程控制的目的。接入时可以提供高达11Mbps的接入速度,足以满足目前的应用需求。用户可以在无线网络覆盖范围内通过无线网卡随时随地链接网络,也可以在移动中使用网络,并支持用户在多个无线网桥的覆盖范围内进行无缝漫游,安装时采用挂墙方式,以提供尽可能大的覆盖区域并减少盲区。

5 结束语

本次智能建筑的设计主要针对单一的建筑进行设计,而建筑小区环境、甚至城区环境的建筑群之间的互连、互通、互动具有更深远的意义。构建智能建筑群对网络规划、系统安全等提出了更高的要求,这也是智能建筑领域将要面临的重要课题。智能建筑和无线传感器网络技术都处于飞速发展阶段,标准还不统一,有待业界在实际应用中完善。

参考文献

[1]Micbael Barr著,于志宏译.C/C++嵌入式系统编程[M].北京:中国电力出版社,2001.

无线传感器在数字化油田的应用 篇9

随着各学科技术的高度交叉发展, 无线传感器网络成为了当今世界的前沿热点研究领域。它通过无线方式发送信息, 并具有自组织性、动态性、可靠性及以数据为中心等特点, 目前已被应用到智能楼宇、战场、环境检测和工业生产等领域。

在建筑安防工程中, 消防设备占有很大的比重。其中, 传统的消防监测系统采用有线数据传输方式, 以满足小量的突发信号的实时数据传输。从资源成本的角度来看, 消防监测系统中约70%人工资源和工程造价被用于有线网络的铺设, 存在施工人员多、工期长、任务重、维护难等问题。若将无线传感器网络应用在消防系统中, 则可以改变传统的有线数据传输方式, 节约布线资源, 同时无线传感器网络的高扩展性和易维护性有利于楼宇的改建。

本文设计了一个利用无线传感器网络来传输火灾报警信息的消防监测系统。其中有传输方式选择、节点设计和信息汇聚终端设计。

2. 无线传感器网络的特点

无线传感器网络的研究始于上世纪60年代。在这几十年的发展历程里, 无线传感器网络取得了巨大的成绩。它是Internet技术在无线移动通信技术的扩展和延伸, 但并非是现有Internet技术和无线移动通信技术的简单叠加, 它是对传统计算机网络的计算模式和设计模式全面革新[1,2,3]。它有着以下一些特点:

(1) 自组织和分布式:无线传感器网络中无预设的中心节点, 所有节点都是平等的, 节点之间通过分布式算法进行协调, 在无人为操作的环境下, 节点自动建立起一个无线网络, 在这个网络中, 节点可以随时退出或者加入。网络不会因某个节点的退出或失效而崩溃。

(2) 规模大, 密度高:为了能够收集精确的数据, 维持网络的可用性, 延长网络的生存能力, 在无线传感器网络区域经常会部署大量的传感器节点, 密度相当高, 也会存在大量的数据冗余。

(3) 自组织网络:由于传感器网络的节点受到能源、布局多变等因素, 经常存在失效或邻节点的变换等可能性, 此特性要求传感器网络具有自组织能力, 这样才能应付多变的网络环境。

(4) 数据为中心:与传统网络以地址为核心不同, 无线传感器网络中, 节点是没有地址的, 节点像周围的节点发送数据, 并接收周围节点发送过来的数据, 保存自己关心的数据, 删除或转发无关的数据。

(5) 多跳路由:无线传感器网络中节点受到功率的限制, 其通信属于短距离无线通信, 一般传输距离在几十到几百米范围。这个范围对于实际应用中, 通常是不够的。因此, 在无线传感器网络中, 每个节点除了是信息的发起者外, 也是信息的转发者, 这样一个节点发送出数据, 如果希望远距离的节点也能够接收的话, 就得靠邻节点转发出去。这样, 就形成了一个多跳网络。但这个多跳网络并不能保证从发起节点到接收节点间的路径总是存在或者最短。

(6) 与应用相关:无线传感器网络是以应用为核心的网络, 与外部环境紧密相关。它主要用来感知外部环境, 获取外部环境的信息量。不同无线传感器网络的应用关注不同的物理量。不同的应用背景, 无线传感器网络的硬件平台、网络协议和软件系统差别很大。无线传感器网络和Internet不同, 没有统一的通信协议平台, 所以必须针对具体应用来研究无线传感器网络技术。这是无线传感器网络设计区别于传统网络的显著特征。

3. 消防检测系统的设计

3.1 系统总体设计框架

消防监测系统应具有采集火灾报警信息和传输火灾报警信息到控制中心两大功能。消防监测系统意在监视与检测, 两个功能系统需要兼备。因此将系统分为信息采集和监控中心两大部分。信息采集部分的设计是应用了无线传感器网络, 监控中心则采用PC机加无线通信模块即可。总体框架如图1所示。

3.2 传输方式选择

无线传感器网络能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监测、感知和采集[4]。无线传感器节点主要由传感器、处理器和无线通信设备组成。其中, 选择何种通信技术是节点设计非常重要的一个环节。

在无线传感器网络中, 通常采用的是短距离无线通信技术。目前, 常见的短距离无线通信技术主要有Zig Bee技术、蓝牙技术、红外技术、Wi-Fi等。这些技术各有各的优缺点。下面对这几种技术的各项指标进行了总结[5,6]:

Zig Bee技术:它采用基本的主-从结构配合静态的星型网络, 最大数据传输速率为250kbps, 覆盖距离为30~70m, 最大节点数可达255个, 具有协议简单、功耗低、时延短、成本低等特点。

蓝牙技术:它主要用于通信和信息设备的无线连接, 工作频率为2.4GHz, 数据传输速率最大可达1Mbps, 覆盖距离为10m, 系统集成较复杂, 成本较高。

红外技术:它是一种利用红外线进行点对点通信的技术。传输速率从初期的115.2kbps已发展到16Mbps。具有体积小、功耗低、连接方便、成本低等特点。但它不能实现多点同时连接, 无法灵活构成网络。

Wi-Fi:它的工作频率也是2.4GHz, 覆盖距离为50m, 最大传输速率可达54Mbps, 但其优异的带宽是以大的功耗为代价的, 因此大多数便携Wi-Fi装置都需要常规充电。

从上述对比中可看出, Zig Bee技术最适合本系统, 因此, 信息采集部分的无线数据传输方式选用Zig Bee技术。

3.3 节点的设计

节点的主要功能有火警数据采集和报警数据传输两大部分。其中火警数据的采集需要依靠几类传感器来完成, 例如, 烟雾传感器、温度传感器和紫外火焰传感器等[7]。报警数据的传输则选用Zig Bee短距离无线传输技术。

无线传感器网络中的节点主要由微处理器、传感器、AD/DA、无线通信模块和电源组成。此处设计有两种方案, 一是选择好微处理器和无线通信模块, 然后自行设计连接电路, 二是直接选用已集成好的片上系统。本系统采用第二种方案。其设计框架如图2所示。

3.4 信息汇聚终端设计

信息汇聚终端应具有与网络节点进行信息交换、与监控中心通信及一定数据储存能力的功能。与节点的信息交换采用Zig Bee技术, 而与监控中心通信, 采用GPRS远距离无线传输技术[8]。根据功能需求分析可看出, 信息汇聚终端主要由电源、微处理器、存储器、Zig Bee通信模块和GPRS通信模块组成。其中, 微处理和Zig Bee通信模块可选用节点设计中的集成片上系统, 而GPRS通信模块在市场上已经有许多产品, 其原理、功耗等基本相近。可根据需要选择一款性价比较高的产品。信息汇聚终端设计框架如图3所示。

4. 总结

本文将无线传感器网络应用到消防检测系统中, 节省了传统布线的大量开销, 简化了维护任务, 有利于消防系统的安装。但本文仅提出了硬件的设计, 对于软件部分, 如节点的数据收集, 组网方式, 路由协议等还需进行思考, 以完成整个系统的设计与实现。

参考文献

[1]I.F.Akyildiz, W.Su, Y.Sankarasubramaniam, E.Cayirci.Wireless sensor networks:asurvey, Computer Networks, 2002, 38 (4) :393-422.

[2]Estrin D, Govindan R, Heidenmann J S, Kumar S.Next century challenges:Scalablecoordinate in sensor network.In:Proc 5th ACM/IEEE Infl Conf on Mobile Computing and Networking.1999:263-270.

[3]D.Estrin, L.Girod, G.Pottie, M.Srivastava.Instrument the world with wireless sensor networks, IEEE International Conference on Acoustics, Speech, andSignalProcessing, 2001, 2033-2036.

[4]高守玮, 吴灿阳等.ZigBee技术实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2009.

[5]彭瑜.低功耗、低成本、高可靠性、低复杂度的无线电通信协议一zigbee[J].自动化仪表, 2005, 5 (26) :l-4.

[6]叶安新, 金永贤.Bluetooth与其他无线接入技术[J].现代电子技术.2005, 15:31-33.

[7]Byoung Chul Ko, Kwang-Ho Cheonga, Jae-Yeal Nama.Fire detection based on vision sensor and support vector machines[J].Fire Safety Journal.2009, 44 (3) :322-329.