無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用研究

摘要：隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、無線通信和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到迅速發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能實時監(jiān)測、感知、采集和處理各種監(jiān)測對象信息，已經(jīng)成為了科學(xué)研究領(lǐng)域最前沿的課題之一。文章主要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、結(jié)構(gòu)、特點及其在一些領(lǐng)域的應(yīng)用，并展望了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)未來發(fā)展。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)；傳感器節(jié)點；自組織；應(yīng)用

微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、無線通信和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，推動了低成本、低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)的發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究具有很廣泛的應(yīng)用前景：軍事偵察、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)自動化、商業(yè)應(yīng)用等。傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究是很有必要的。這里主要介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、結(jié)構(gòu)、特點，及在一些領(lǐng)域的應(yīng)用情況，并對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展情況進(jìn)行了展望。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一組傳感器以Ad hoc方式組成的有線或者無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、收集和處理傳感器網(wǎng)絡(luò)所覆蓋地理區(qū)域中感知對象的信息，并傳遞給觀察者。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)集中了傳感器技術(shù)、嵌入式計算機(jī)技術(shù)和無線通信技術(shù)，能協(xié)作地感知、監(jiān)測和收集各種環(huán)境下所感知對象的信息，通過對這些信息的協(xié)作式信息處理，獲得感知對象的準(zhǔn)確信息，然后通過Ad hoc方式傳送給需要這些信息的用戶。

2 WSN的主要特點
作為一種新型網(wǎng)絡(luò)，相比傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下特點：
1)大面積的空間分布 比如在軍事應(yīng)用方面，可以將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在戰(zhàn)場上跟蹤敵人的軍事行動，智能化的終端可以被大量裝在宣傳品、子彈或炮彈殼中，在目標(biāo)地點撤落下去，形成大面積的監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)。
2)能源受限制 網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的電源是有限的，網(wǎng)絡(luò)大多工作在無人區(qū)或者對人體有傷害的惡劣環(huán)境中，幾乎不可能更換電源，這要求網(wǎng)絡(luò)功耗小，以延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。而且要盡最可能節(jié)省電源消耗。
3)網(wǎng)絡(luò)自動配置，自動識別節(jié)點 包括自動組網(wǎng)、對入網(wǎng)的終端進(jìn)行身份驗證泐止非法用戶入侵。相對于那些布置在預(yù)先指定地點的傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以借鑒Ad hoc方式來配置，當(dāng)然前提是要有一套合適的通信協(xié)議保證網(wǎng)絡(luò)在無人干預(yù)的情況下自動運(yùn)行。
4)網(wǎng)絡(luò)的自動管理和高度協(xié)作性 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)處理由節(jié)點自身完成，以數(shù)據(jù)為中心的特性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的又一特點。每個節(jié)點僅知道自己鄰近節(jié)點的位置和標(biāo)識，傳感器網(wǎng)絡(luò)通過相鄰節(jié)點之間的相互協(xié)作來進(jìn)行信號處理和通信，具有很強(qiáng)的協(xié)作性。
5)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快 傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化很快，這對網(wǎng)絡(luò)各種算法的有效性提出了挑戰(zhàn)。此外，如果節(jié)點具備移動能力，也有可能帶來網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓?/p>

3 WSN節(jié)點的結(jié)構(gòu)
傳感器節(jié)點一般由傳感、數(shù)據(jù)處理、無線通信和供電等4個模塊組成，如圖l所示。

傳感模塊包括傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，負(fù)責(zé)檢測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理模塊由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等，負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)：無線通信模塊由網(wǎng)絡(luò)、MAC、收發(fā)器等組成，負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點進(jìn)行無線通信、交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)：供電模塊為傳感器節(jié)點提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。

4 WSN的應(yīng)用領(lǐng)域
1)軍事應(yīng)用 WSN具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強(qiáng)和高容錯性的特點，因此非常適合在軍事上應(yīng)用。利用WSN能夠?qū)崿F(xiàn)對敵軍兵力和裝備的監(jiān)控、戰(zhàn)場的實時監(jiān)視、目標(biāo)定位、戰(zhàn)場評估、核攻擊和生物化學(xué)攻擊的監(jiān)測和搜索等功能。通過飛機(jī)或炮彈直接將傳感器節(jié)點播撒到敵方陣地，就能夠非常隱蔽且準(zhǔn)確地收集戰(zhàn)場信息。
2)農(nóng)業(yè)及環(huán)境應(yīng)用 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)及環(huán)境應(yīng)用包括：對影響農(nóng)作物的環(huán)境條件的監(jiān)控(精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)控)，對鳥類、昆蟲等小動物運(yùn)動進(jìn)行追蹤，海洋、土壤、大氣成分的探測，森林防火監(jiān)測，污染監(jiān)控。降雨量監(jiān)測，河水水位監(jiān)測，洪水監(jiān)測等。
3)醫(yī)療護(hù)理 隨著室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)普遍化，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療研究、護(hù)理領(lǐng)域也大展身手。主要的應(yīng)用包括遠(yuǎn)程健康管理、重癥病人或老齡人看護(hù)、生活支持設(shè)備、病理數(shù)據(jù)實時采集與管理、緊急救護(hù)等。
4)智能家居 智能家居系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是將住宅中各種家居設(shè)備聯(lián)系起來，使它們能夠自動運(yùn)行，相互協(xié)作，為居住者提供盡可能多的便利和舒適。在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網(wǎng)絡(luò)與Intemet連接在一起，將為人們提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環(huán)境。利用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可完成對家電的遠(yuǎn)程遙控。
5)智能交通應(yīng)用 智能交通監(jiān)測系統(tǒng)采用聲音、圖像、視頻、溫度、濕度等傳感器，節(jié)點部署于十字路口周圍，部署于車輛上的節(jié)點還包括GPS全球定位設(shè)備。匯聚節(jié)點可以安裝在路邊立柱、橫杠等交通設(shè)施上，網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以集成在交叉路口的交通信號控制器內(nèi)，專用傳感器終端節(jié)點可以填埋在路面下或者安裝在路邊，道路上的運(yùn)動車輛也可以安裝傳感器節(jié)點動態(tài)加入傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過信號控制器的專有網(wǎng)絡(luò)，將所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到交管中心作進(jìn)一步處理。

5 結(jié)束語
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展非常迅速，在世界許多國家的軍事、工業(yè)和學(xué)術(shù)領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注，已成為國際上無線網(wǎng)絡(luò)研究的熱點之一。從國外的研究現(xiàn)狀來看，大部分無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究仍處于理論研究和小規(guī)模試驗階段，距離實際應(yīng)用尚存在一定距離。我國的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究仍處于起步階段。不論在理論研究還是商用領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究、開發(fā)均存在巨大的空間，具有巨大的研究和應(yīng)用前景。