無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述

摘 要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，在社會(huì)多個(gè)領(lǐng)域均有應(yīng)用。文章對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域做了分析與總結(jié)，有助于在其他方面更深入的研究。

關(guān)鍵詞：無(wú)線；傳感器網(wǎng)絡(luò)；傳感器節(jié)點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TP212.9；TN929.5

隨著無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)以及分布式信息處理技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）逐漸發(fā)展起來(lái)，成為新興的信息獲取技術(shù)。它是多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，目前在國(guó)內(nèi)國(guó)際上備受關(guān)注。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、航空、航天、軍事和環(huán)境等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值，在未來(lái)的許多新興領(lǐng)域也蘊(yùn)藏著巨大商機(jī)。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作來(lái)感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)對(duì)象信息。將傳感器大量分布到物理環(huán)境中，就可以完成強(qiáng)大的實(shí)時(shí)跟蹤、環(huán)境檢測(cè)、狀態(tài)檢測(cè)等功能。通常傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：

（1）速率低。傳感器節(jié)點(diǎn)，通常只需定期傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如：濃度、溫度、壓力、流量、濕度等參數(shù)，相對(duì)而言，數(shù)據(jù)量小，采集數(shù)據(jù)頻率低。

（2）功耗低。傳感器節(jié)點(diǎn)通常由電池供電，且分布區(qū)域廣泛復(fù)雜，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能源是有限的，一旦電池能量耗盡，節(jié)點(diǎn)就會(huì)停止正常工作。此特點(diǎn)要求傳感器功耗要低，傳感器體積要小。

（3）成本低。傳感器節(jié)點(diǎn)多數(shù)安裝在區(qū)域環(huán)境復(fù)雜或人無(wú)法涉足的地方，所以一旦安裝傳感器節(jié)點(diǎn)很難更換，因此要求傳感器節(jié)點(diǎn)成本要低。

（4）距離短。為了組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸方便，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間距離一般在幾十米到幾百米之間。

（5）節(jié)點(diǎn)數(shù)量多。為了獲取精確信息，在監(jiān)測(cè)區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)分布式處理大量采集的信息能夠提高監(jiān)測(cè)的精確度，降低對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器的精度要求；大量冗余節(jié)點(diǎn)的存在，使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性能；大量節(jié)點(diǎn)能夠增大覆蓋的監(jiān)測(cè)區(qū)域，減少洞穴或盲區(qū)。[1]

（6）動(dòng)態(tài)拓?fù)?。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)；某個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行；也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。[2]

（7）多跳路由。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是自組織網(wǎng)絡(luò)，相互之間并不知道與鄰居的關(guān)系，所以具有多跳路由的特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)距離不等，節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰居直接通信。由于移動(dòng)終端的發(fā)射功率和覆蓋范圍有限，當(dāng)終端要與覆蓋范圍之外的終端進(jìn)行通信時(shí)，需要利用中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成的，沒(méi)有專門的路由設(shè)備。這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以是信息的發(fā)起者，也可以是信息的轉(zhuǎn)發(fā)者。

（8）以數(shù)據(jù)為中心。移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)的地位是平等的，是一種對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)采用編號(hào)標(biāo)識(shí)，并且可以不唯一。節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)位置是動(dòng)態(tài)變化的。在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮如何高效處理感知數(shù)據(jù)，并將獲取的數(shù)據(jù)傳送到用戶節(jié)點(diǎn)，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是以數(shù)據(jù)為中心。[3]

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括組網(wǎng)模式、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、媒體訪問(wèn)控制和鏈路控制、路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、節(jié)點(diǎn)定位、能力效率等。[4]目前在這些領(lǐng)域，已經(jīng)出現(xiàn)了很多深入，專業(yè)的研究。如：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究，文獻(xiàn)[5]在介紹WSN網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，闡述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、研究現(xiàn)狀，并指出了尚存在的難點(diǎn)和研究方向。WSN網(wǎng)絡(luò)安全方面，文獻(xiàn)[6]著重分析了不同類型的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)所面臨的安全攻擊，討論了近年來(lái)該領(lǐng)域具有代表性的安全措施的原理、特點(diǎn)和局限。路由研究，文獻(xiàn)[7]中在研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議過(guò)程中提出的各種主要路由協(xié)議進(jìn)行了對(duì)比、分析和分類闡述。擁塞控制算法，有人針對(duì)現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法中很少考慮數(shù)據(jù)壓縮和加權(quán)公平性的問(wèn)題，提出了一種新的擁塞控制算法。服務(wù)質(zhì)量，有人在網(wǎng)絡(luò)層面上分析了WSN的QoS特點(diǎn)，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)如能源管理、覆蓋控制、數(shù)據(jù)融合等方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹。網(wǎng)絡(luò)模型，有人基于無(wú)線傳感器QoS的特點(diǎn)，提出了新的有向圖網(wǎng)絡(luò)模型，并用數(shù)學(xué)的方式描述了參數(shù)間的關(guān)系及遵守的函數(shù)約束，最終使用該模型提出QoS路由選擇策略。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，研究的方向包括很廣，從不同側(cè)面，不同功能，不同角度出發(fā)，都會(huì)有不同的見(jiàn)解。

3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其自身低成本、靈活性、自組網(wǎng)等特性，使得其在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，包括醫(yī)療保健，環(huán)境監(jiān)測(cè)，軍事系統(tǒng)，交通管理，設(shè)施農(nóng)業(yè)。這些應(yīng)用領(lǐng)域大多與環(huán)境、狀態(tài)等參數(shù)密切相關(guān)，所以針對(duì)不同需求，存在著各種性能不同的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3.1 醫(yī)療衛(wèi)生應(yīng)用

隨著社會(huì)信息化水平的提高，醫(yī)療水平的提高，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療研究和護(hù)理領(lǐng)域也大展身手，主要的應(yīng)用包括遠(yuǎn)程健康數(shù)據(jù)控制，老齡及重癥患者看護(hù)，病理數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)采集等。在世界上已經(jīng)有很多應(yīng)用成功的例子，如英特爾公司推出的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的家庭護(hù)理技術(shù)。

3.2 軍事應(yīng)用

世界上計(jì)算機(jī)應(yīng)用最早的領(lǐng)域就是軍事領(lǐng)域，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也不例外，早在20世紀(jì)90年代美國(guó)就開始了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軍事應(yīng)用研究。比較有代表性的就是“智能塵埃”和“沙地直線”兩個(gè)軍事應(yīng)用項(xiàng)目。

3.3 設(shè)施農(nóng)業(yè)與環(huán)境

目前在設(shè)施農(nóng)業(yè)方面，無(wú)線傳感器的研究也是一大熱點(diǎn)，比如在溫室大棚、節(jié)水灌溉等領(lǐng)域。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境方面的應(yīng)用如：森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、洪水監(jiān)測(cè)，沙漠氣候監(jiān)測(cè)，空氣污染指數(shù)監(jiān)測(cè)等。

3.4 其他應(yīng)用

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)用于智能家居，交通控制，航空航天等行業(yè)，或者一些危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境，如：井礦、核電廠等。工作人員可以通過(guò)使用特殊的傳感器，特別是生物化學(xué)傳感器監(jiān)測(cè)有害物危險(xiǎn)物等信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，多方向的研究熱點(diǎn)讓人思考。在入侵監(jiān)測(cè)、安全方面、數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)方面還有丞待解決的問(wèn)題，本文著力介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域，幫助我們更深入的學(xué)習(xí)與研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：王雪梅（1978.04-），女，中級(jí)職稱，本科，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、電子商務(wù)。

作者單位：克什克騰旗政府信息中心，內(nèi)蒙古赤峰 025350