無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及應(yīng)用探析

鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 周 璇

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及應(yīng)用探析

鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 周 璇

【摘要】本篇概述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的定義以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程，著重分析了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，探討了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】傳感器；節(jié)點(diǎn)；自組織；應(yīng)用

目前檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一——無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks， WSN） ，是通過(guò)無(wú)線通信的方式組成一個(gè)多調(diào)的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器控制節(jié)點(diǎn)組成，其作用是在協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息并發(fā)送給觀察者，是隨著無(wú)線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、片上系統(tǒng)（System on Chip， SoC）技術(shù)的發(fā)展，而出現(xiàn)的新型的綜合性技術(shù)。不同于一般的通信網(wǎng)絡(luò)，WSN的任務(wù)不是通信，而是要監(jiān)視周圍環(huán)境。具有感知、計(jì)算及通信能力的一群微小節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)設(shè)置在要監(jiān)視的區(qū)域中，采集指定的環(huán)境參數(shù)，如溫度、振動(dòng)、化學(xué)濃度等，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)供分析。目前，傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)不在各種具體的技術(shù)，而是應(yīng)用。要尋找最適合它的應(yīng)用，并建立實(shí)際的應(yīng)用示范系統(tǒng)。因其在戰(zhàn)場(chǎng)感知、反恐、工業(yè)制造自動(dòng)化、分布式機(jī)器人、環(huán)境監(jiān)測(cè)、建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、自然災(zāi)害預(yù)防、醫(yī)療保健、智能家居、航空管制、交通監(jiān)控、空間探索等眾多領(lǐng)域有著廣泛的潛在用途，正在成為世界各國(guó)科學(xué)家研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

一、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展基本可以劃分為四個(gè)階段：

1、20世紀(jì)70年代，出現(xiàn)第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)主要是采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，實(shí)現(xiàn)的功能為簡(jiǎn)單的信息獲取。

2、第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)于80年代面世，它能夠獲取并綜合傳輸多種信息，在網(wǎng)絡(luò)銜接上采用了串/并接口與傳感器的終端相連接。

3、90年代后期的第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)，終端開始了采用智能傳感器，網(wǎng)絡(luò)采用的是現(xiàn)場(chǎng)總線連接傳感器終端。

4、至今，人們開始大規(guī)模研究與開發(fā)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是其特征，第四代的傳感器網(wǎng)絡(luò)融入了無(wú)線通信、分布信息處理、智能傳感 、嵌入式計(jì)算機(jī)、DSP和等技術(shù)，能夠感知、監(jiān)測(cè)和獲取各種監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，它們傳送到信息處理中心后，進(jìn)行分門別類的處理，這種全新網(wǎng)絡(luò)集合了信息獲取、處理與通信等技術(shù)。

二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，有著明顯的優(yōu)越性，其特點(diǎn)如下：

1、易部署：由于節(jié)點(diǎn)通信的無(wú)線特性，使其能夠簡(jiǎn)單快速部署在空間的各個(gè)位置，減少了布線等環(huán)節(jié)。

2、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大：由于傳感器網(wǎng)絡(luò)通常部署于地面，受地面障礙物、植被等干擾，無(wú)線通信的距離一般較短、通信干擾大、鏈路質(zhì)量差、傳輸速率低。可見，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的能力（資源）是非常有限的，單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的作用很小，然而，如果將大量這樣的節(jié)點(diǎn)以合理的方式組成網(wǎng)絡(luò)，并且將它們的輸出有機(jī)地關(guān)聯(lián)與融合，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可提供遠(yuǎn)高于單個(gè)節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)大功能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為我們提供了大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的支持，以ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為例，它可以支持高達(dá)65000多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，以協(xié)同完成某一工作。

3、自組織性：部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目的是監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)物理環(huán)境，在其中獲得用戶感興趣的信息，因此我們關(guān)心的是從網(wǎng)絡(luò)中獲取的信息而不是網(wǎng)絡(luò)本身。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某一節(jié)點(diǎn)損壞斷開連接或者有新的節(jié)點(diǎn)需要加入時(shí)，整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具備自己重新組織或者調(diào)整節(jié)點(diǎn)間的邏輯連接的功能。

4、廉價(jià)性：由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大，因此需要在單個(gè)節(jié)點(diǎn)降低節(jié)點(diǎn)的成本。而成本的控制除了必需的硬件設(shè)計(jì)成本之外就是節(jié)點(diǎn)工作時(shí)的能源控制。

5、可靠性：很多情況下，需要監(jiān)測(cè)的對(duì)象由于區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大，人工 “干預(yù)”每一個(gè)節(jié)點(diǎn)非常困難，網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)難度也很大，有時(shí)甚至不可維護(hù)。況且傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性和通信保密性也十分重要，必須避免監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被盜取和獲取干擾的監(jiān)測(cè)信息。所以，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有必要的魯棒性和容錯(cuò)性。

三、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用探析

隨著后PC和泛計(jì)算時(shí)代的來(lái)臨， WSN集傳感、元線通信與網(wǎng)絡(luò)、嵌入式計(jì)算、MEMS、分布式信息處理與數(shù)據(jù)融合等技術(shù)于一體，將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，因其在戰(zhàn)場(chǎng)感知、反恐、工業(yè)制造自動(dòng)化、分布式機(jī)器人、環(huán)境監(jiān)測(cè)、建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、自然災(zāi)害預(yù)防、醫(yī)療保健、智能家居、航空管制、交通監(jiān)控、空間探索等眾多領(lǐng)域有著廣泛的潛在用途，正在成為世界各國(guó)科學(xué)家研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

WSN主要在以下幾個(gè)方面得到應(yīng)用：

1、軍事領(lǐng)域應(yīng)用：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)源于軍事應(yīng)用。WSN特有的無(wú)需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可迅速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，是軍隊(duì)在敵對(duì)區(qū)域中獲取情報(bào)的重要技術(shù)手段，其可以方便地監(jiān)控我軍布防的陣地是否有敵軍入侵，監(jiān)控?cái)撤疥嚨睾蛿耻娀顒?dòng)情況的方式也較為隱密?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的主要特點(diǎn)之一是信息戰(zhàn)，而有關(guān)戰(zhàn)爭(zhēng)信息的及時(shí)可靠地獲取，以及能否快速反應(yīng)對(duì)整個(gè)戰(zhàn)局的影響至關(guān)重要。所以說(shuō)，借助于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，向指揮部門提供及時(shí)準(zhǔn)確的信息，在很大程度上將增強(qiáng)國(guó)防軍事實(shí)力。

2、生態(tài)環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)：生態(tài)環(huán)境得到越來(lái)越多人的關(guān)注，在一些較為邊遠(yuǎn)或偏僻野外地區(qū)、自然保護(hù)區(qū)，無(wú)法采用固定或預(yù)設(shè)的有線網(wǎng)絡(luò)等設(shè)施，采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行信號(hào)采集與處理將可以解決問(wèn)題。再者，在遭受水災(zāi)、地震、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴等自然災(zāi)害后，固定的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施（如有線通信網(wǎng)絡(luò)、基站等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、衛(wèi)星通信地球站、微波接力站等）可能遭到毀壞甚至無(wú)法繼續(xù)正常工作。在此情況下，就可以依靠無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)快速布設(shè)的自組織網(wǎng)絡(luò)，來(lái)完成信息的獲取與通信。

3、在精確農(nóng)業(yè)方面：傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要依靠人力監(jiān)測(cè)作物的生長(zhǎng)狀況。采用WSN后可將農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化為以信息和軟件為主體工具的生產(chǎn)模式，通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集包括土壤濕度、酸堿度（pH值）、溫度、空氣濕度和二氧化碳濃度等作物生長(zhǎng)相關(guān)的信息，然后通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)接脩舻挠?jì)算機(jī)中進(jìn)行相應(yīng)的分析處理，以供農(nóng)業(yè)工作人員進(jìn)行相應(yīng)的決策和參考，甚至可以和自動(dòng)控制設(shè)備相連接在溫室大棚（蔬菜大棚）等高價(jià)值農(nóng)業(yè)產(chǎn)品中可以直接實(shí)現(xiàn)灌溉、通風(fēng)、調(diào)節(jié)二氧化碳濃度等操作。

4、大型設(shè)備的關(guān)鍵監(jiān)控：在一些大型設(shè)備中，為了掌握設(shè)備的運(yùn)行情況，常常需要對(duì)一些關(guān)鍵部件的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。尤其不便于安裝有線裝置的情況下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就可以成為有效的監(jiān)控手段。

5、醫(yī)療保健方面：我們?cè)谶h(yuǎn)程醫(yī)療時(shí)，在病人身上安裝一些用于檢測(cè)身體機(jī)能的傳感器節(jié)點(diǎn)，便可以將檢測(cè)得到的信息匯總后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給醫(yī)生，從而得到及時(shí)有效的處理。

6、智能交通管理：基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能管理系統(tǒng)，不僅可以使汽車按照一定的速度行駛、前后車距自動(dòng)保持一定的安全距離，而且還可以提供有關(guān)道路堵塞的最新信息，推薦最佳出行線路、提醒駕駛員避免交通事故等。

7．智能家居：消費(fèi)和家庭自動(dòng)化市場(chǎng)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一個(gè)潛力巨大的應(yīng)用方向。智能家居可以把包括電視機(jī)、錄像機(jī)、電腦、兒童玩具、游戲機(jī)、門禁系統(tǒng)、照明設(shè)備等家用設(shè)備連成網(wǎng)絡(luò)，建立基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居環(huán)境，大大改善家居網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化和智能化水平，提升人們的居住環(huán)境和舒適度，特別是對(duì)兒童、老人和殘疾人，有更貼心的幫助。

參考文獻(xiàn)

［1］王衛(wèi)兵等.傳感器技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例［M］.北京∶機(jī)械工業(yè)出版社，2013，5.

［2］洪峰等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)最新進(jìn)展綜述［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2010，（10）.