無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用技術(shù)分析

摘要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)把不同的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組織與結(jié)合，傳感器節(jié)點(diǎn)的單元包括：數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)處理單元以及能量供應(yīng)單元。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器包括微控制器、存儲(chǔ)器、通信裝置、傳感器等組件，通過(guò)跟外界物理環(huán)境交互，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將收集到的信息傳送給其它的計(jì)算設(shè)備，在物理環(huán)境中大量地分布了這些傳感器，從而組織成了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在現(xiàn)實(shí)生活中配置了許多的這種網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如軍事領(lǐng)域的應(yīng)用、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用、工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用、生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)、智能交通方面的應(yīng)用、智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用等。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器、分布式傳感網(wǎng)絡(luò)、智能交通、智能家居

1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它的傳感器可以感知和檢查外部世界，可以通過(guò)無(wú)線方式通信，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，位置可以隨時(shí)更改，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有線或無(wú)線方式的連接，形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由三大部分組成，即：節(jié)點(diǎn)、傳感網(wǎng)絡(luò)和用戶。其中，節(jié)點(diǎn)一般是覆蓋在一定的范圍，這個(gè)范圍應(yīng)該能滿足監(jiān)測(cè)的要求;最主要的是傳感網(wǎng)絡(luò)，它通過(guò)固定的渠道將所有的節(jié)點(diǎn)信息收集起來(lái)，并對(duì)這些信息進(jìn)行分析計(jì)算，然后將結(jié)果匯總到基站，再通過(guò)衛(wèi)星通信傳輸?shù)街付ǖ牡攸c(diǎn)，這樣就實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)把不同的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組織與結(jié)合，傳感器節(jié)點(diǎn)的單元包括：數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)處理單元以及能量供應(yīng)單元。其中數(shù)據(jù)采集單元能采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的信息并加以轉(zhuǎn)換，如環(huán)境的溫度與濕度等;數(shù)據(jù)傳輸單元包括無(wú)線通信和交流信息以及發(fā)送接收那些采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)信息;數(shù)據(jù)處理單元能處理全部節(jié)點(diǎn)的路由協(xié)議和管理任務(wù)以及定位裝置等;能量供應(yīng)單元?jiǎng)t常常選擇微型電池的構(gòu)成形式。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的節(jié)點(diǎn)分為兩種，一個(gè)是匯聚節(jié)點(diǎn)，一個(gè)是傳感器節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)能夠在傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)中將錯(cuò)誤的報(bào)告數(shù)據(jù)剔除，并與相關(guān)的報(bào)告相結(jié)合將數(shù)據(jù)加以融合，對(duì)發(fā)生的事件進(jìn)行判斷，并對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能

傳感器網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能，是信息技術(shù)的三大支柱之一。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)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括眾多類型的傳感器，可探測(cè)各種信息，包括地震、電磁、噪聲、光強(qiáng)度、溫度、濕度、壓力、土壤成分等自然環(huán)境中各種的現(xiàn)象。應(yīng)用領(lǐng)域包括：軍事、航空、工業(yè)、商業(yè)、防爆、救災(zāi)、家居、醫(yī)療等領(lǐng)域。

1.3 無(wú)線傳感器的功能模塊

無(wú)線傳感器的種類包含以下模塊：

感知模塊：主要由熱敏元件、濕敏元件、光敏元件、氣敏元件、色敏元件、力敏元件、磁敏元件、聲敏元件和味敏元件等敏感元件組成，對(duì)被監(jiān)控目標(biāo)的一些參數(shù)進(jìn)行記錄。

信息處理模塊：它是由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，通過(guò)采集存儲(chǔ)感知模塊的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)傳感器節(jié)點(diǎn)各部分的工作，同時(shí)控制電源工作模式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

無(wú)線通信模塊：它通過(guò)無(wú)線信道以及傳輸網(wǎng)絡(luò)將處理器輸出的數(shù)據(jù)傳送給其他節(jié)點(diǎn)。

能量供應(yīng)模塊：將能量提供給其他三個(gè)模塊。

1.4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

自組織方式組網(wǎng)：傳感器節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)不需要任何固定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，僅通過(guò)分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就能形成自組織網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)自動(dòng)調(diào)整從而適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)、加入和退出。

無(wú)中心結(jié)構(gòu)：該網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)，所有傳感器節(jié)點(diǎn)地位對(duì)等。節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

網(wǎng)絡(luò)有動(dòng)態(tài)拓?fù)洌河捎陔姵啬芰亢谋M或者故障的原因，傳感器節(jié)點(diǎn)可能會(huì)從網(wǎng)絡(luò)中退出，或者是按照某種程序的設(shè)定，傳感器節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)中退出;網(wǎng)絡(luò)外的傳感器節(jié)點(diǎn)也可以隨時(shí)加入網(wǎng)絡(luò)中。

高冗余：當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)采用節(jié)點(diǎn)周圍的其他傳感器節(jié)點(diǎn)代替該傳感器節(jié)點(diǎn)繼續(xù)工作，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)配置得比較多，冗余程度高。

資源及功能有限：考慮到價(jià)格、體積和攜帶能源等方面的因素，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、數(shù)據(jù)處理能力及其存儲(chǔ)空間都是非常有限的，導(dǎo)致了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議層次內(nèi)容不能過(guò)于復(fù)雜。

電源續(xù)航能力較小：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要電池提供電源，但電池的續(xù)航能力比較小，并且在應(yīng)用過(guò)程中難以更換電池。一旦節(jié)點(diǎn)電池電能用完，這個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)失去作用，為了防止這種情況就要考慮節(jié)能的問(wèn)題。

1.5 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要在以下領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛：

1）軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

在軍事領(lǐng)域，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)適合于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，具有密集型、隨機(jī)分布的特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)敵軍的兵力和裝備的監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)狀況的監(jiān)視，也能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)的定位、敵軍攻擊的監(jiān)測(cè)等。

2）在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也適合于農(nóng)業(yè)方面的生產(chǎn)和科學(xué)研究。像現(xiàn)在農(nóng)村普遍存在的大棚種植蔬菜，可使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)測(cè)室內(nèi)及土壤的溫度、濕度、光照強(qiáng)度，了解經(jīng)濟(jì)作物生長(zhǎng)規(guī)律等。建成一個(gè)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集農(nóng)業(yè)環(huán)境的風(fēng)、光、水、電、熱和農(nóng)藥等的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行環(huán)境控制，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)種植。

3）在智能交通中的應(yīng)用

交通信息的采集和傳輸是智能交通系統(tǒng)的一個(gè)重要方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以為其提供一種有效手段，來(lái)對(duì)道路各個(gè)方向的車流量、車速等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并計(jì)算出最佳方案，同時(shí)給執(zhí)行子系統(tǒng)輸出控制信號(hào)，對(duì)車輛的通行起引導(dǎo)和控制的作用，達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)。

4）在智能家居中的應(yīng)用

智能家居通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的連接，將家中的各種設(shè)備配置傳感器節(jié)點(diǎn)，從全部連接在一起，可實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的遠(yuǎn)程遙控、防盜報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。

5）在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

在工業(yè)領(lǐng)域，有很多危險(xiǎn)的工作環(huán)境，如煤礦、石油鉆井、核電廠等領(lǐng)域存在危險(xiǎn)的工作崗位，在這些地方可以布置傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)工作環(huán)境的安全狀況進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)測(cè)，保證這類工作崗位人員的安全。同時(shí)，還可以使用傳感器節(jié)點(diǎn)代替部分工作人員到危險(xiǎn)的環(huán)境中去執(zhí)行任務(wù)，這樣大大地降低了危險(xiǎn)程度，也對(duì)險(xiǎn)情的反應(yīng)精度和速度有了很大的提高。

6）在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)方面，對(duì)土壤空氣情況、農(nóng)作物灌溉情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也可對(duì)家畜和家禽的環(huán)境和遷移狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，甚至對(duì)大面積的地表監(jiān)測(cè)等，實(shí)現(xiàn)氣象和地理研究、洪水監(jiān)測(cè)等。通過(guò)數(shù)種傳感器可以使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)測(cè)降雨的雨量、河流的水位和土壤的含水量，從而可以預(yù)測(cè)出山洪爆發(fā)等自然災(zāi)害。

7）在實(shí)時(shí)跟蹤時(shí)定位的應(yīng)用

在實(shí)際的應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)遇到實(shí)時(shí)跟蹤對(duì)移動(dòng)的物體進(jìn)行定位的問(wèn)題。隨著無(wú)線傳感技術(shù)的成本的降低，可以將無(wú)線傳感技術(shù)應(yīng)用于個(gè)體身上來(lái)進(jìn)行定位，也可在車輛上安裝無(wú)線傳感器，然后將車輛的位置信息通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，再經(jīng)過(guò)中轉(zhuǎn)站對(duì)信息進(jìn)行處理而后發(fā)送出去，這樣就能夠隨時(shí)掌握車輛的位置信息，實(shí)現(xiàn)汽車的導(dǎo)航功能。另外，還可以采用無(wú)線傳感技術(shù)對(duì)一些隨身攜帶的物品進(jìn)行定位，例如可以使用無(wú)線傳感技術(shù)對(duì)老年人和兒童進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，避免發(fā)生意外事故。

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作者簡(jiǎn)介 陳曉東 男 講師 碩士 主要研究方向 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

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