無線傳感器網絡的應用與發展

摘要：無線傳感器網絡(WSN)經歷了智能傳感器、無線智能傳感器、無線傳感器網絡3個階段。本文主要針對無線傳感器網絡的發展背景、組網模式、關鍵技術以及WSN在各個方面的應用進行闡述，對WSN進行初步的了解和學習。

關鍵詞：WSN智能 無線網絡傳感器

在信息化社會，幾乎沒有任何一種科學技術的發展和應用能夠離得開傳感器和信號探測技術的支持。生活在信息時代的人們，絕大部分的日常生活與信息資源的開發、采集、傳送和處理息息相關。分析當前信息與技術發展狀態，21世紀的先進傳感器必須具備小型化、智能化、多功能化和網絡化等優良特征。

一、無線傳感器網絡的定義和特點

無線傳感器網絡可以看成是由數據獲取網絡、數據分布網絡和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的節點，各節點通過協議自組成一個分布式網絡，再將采集來的數據通過優化后經無線電波傳輸給信息處理中心。無線傳感器網絡具有以下特點：

1.硬件資源有限。WSN節點采用嵌入式處理器和存儲器，計算能力和存儲能力十分有限。所以，需要解決如何在有限計算能力的條件下進行協作分布式信息處理的難題。

2.電源容量有限。為了測量真實世界的具體值，各個節點會密集地分布于待測區域內，人工補充能量的方法已經不再適用。每個節點都要儲備可供長期使用的能量，或者自己從外汲取能量（太陽能）。當自身攜帶的電池的能量耗盡，往往被廢棄，甚至造成網絡的中斷。所以，任何WSN技術和協議的研究都要以節能為前提。

3.無中心。在無線傳感器網絡中，所有節點的地位都是平等的，沒有預先指定的中心， 是一個對等式網絡。各節點通過分布式算法來相互協調，在無人值守的情況下，節點就能自動組織起一個測量網絡。而正因為沒有中心，網絡便不會因為單個節點的脫離而受到損害。節點可以隨時加入或離開網絡，任何節點的故障不會影響整個網絡的運行，具有很強的抗毀性。

4.自組織。網絡的布設和展開無需依賴于任何預設的網絡設施，節點通過分層協議和分布式算法協調各自的行為，節點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網絡。

5.多跳（Multi-hop）路由。WSN節點通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十到幾百米，節點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節點進行通信，則需要通過中間節點進行路由。WSN中的多跳路由是由普通網絡節點完成的。

6.動態拓撲。WSN是一個動態的網絡，節點可以隨處移動；一個節點可能會因為電池能量耗盡或其他故障，退出網絡運行；也可能由于工作的需要而被添加到網絡中。這些都會使網絡的拓撲結構隨時發生變化，因此網絡應該具有動態拓撲組織功能。

7.節點數量眾多，分布密集。WSN節點數量大、分布范圍廣，難于維護甚至不可維護。所以，需要解決如何提高傳感器網絡的軟、硬件健壯性和容錯性。

8.傳輸能力的有限性。無線傳感器網絡通過無線電波進行數據傳輸，雖然省去了布線的煩惱，但是相對于有線網絡，低帶寬則成為它的天生缺陷。同時，信號之間還存在相互干擾，信號自身也在不斷地衰減，諸如此類。不過因為單個節點傳輸的數據量并不算大，這個缺點還是能忍受的。

9.安全性的問題。無線信道、有限的能量，分布式控制都使得無線傳感器網絡更容易受到攻擊。被動竊聽、主動入侵、拒絕服務則是這些攻擊的常見方式。因此，安全性在網絡的設計中至關重要。

二、傳感器網絡的應用研究

1.環境的監測和保護

應用于環境監測的傳感器網絡，一般具有部署簡單、便宜、長期不需更換電池、無需派人現場維護的優點。通過密集的節點布置，可以觀察到微觀的環境因素，為環境研究和環境監測提供了嶄新的途徑傳感器網絡研究在環境監測領域已經有很多的實例。這些應用實例包括:對海島鳥類生活規律的觀測；氣象現象的觀測和天氣預報；森林火警；生物群落的微觀觀測等:

洪災的預警：通過在水壩、山區中關鍵地點合理地布置一些水壓、土壤濕度等傳感器，可以在洪災到來之前發布預警信息，從而及時排除險情或者減少損失。

農業管理:通過在農田部署一定密度的空氣溫度、土壤濕度、土壤肥料含量、光照強度、風速等傳感器，可以更好地對農田管理微觀調控，促進農作物生長。

2.軍事領域

由于無線傳感器網絡具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應用于惡劣的戰場環境中，使其非常適合應用于惡劣的戰場環境中，包括偵察敵情、監控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方面用途。

3.一般應用

建筑及城市管理各種無線傳感器可以靈活方便地布置于建筑物內，獲取室內環境參數，從而為居室環境控制和危險報警提供依據：

智能家居：通過布置于房間內的溫度、濕度、光照、空氣成分等無線傳感器，感知居室不同部分的微觀狀況，從而對空調、門窗以及其他家電進行自動控制，提供給人們智能、舒適的居住環境。

建筑安全：通過布置于建筑物內的圖像、聲音、氣體檢測、溫度、壓力、輻射等傳感器，發現異常事件及時報警，自動啟動應急措施。

智能交通:通過布置于道路上的速度、識別傳感器，監測交通流量等信息，為出行者提供信息服務，發現違章能及時報警和記錄。反恐和公共安全通過特殊用途的傳感器，特別是生物化學傳感器監測有害物、危險物的信息，最大限度地減少其對人民群眾生命安全造成的傷害。

三、傳感器網絡研究熱點問題和關鍵技術

傳感器網絡以應用為目標，其構建是一個龐大的系統工程，涉及到的研究工作和需要解決的問題在每一個層面上都很多。對無線傳感器網絡系統結構及界面接口技術的研究意義重大。如果我們把傳感器網絡按其功能抽象成五個層次的話，將會包括基礎層(傳感器集合)、網絡層(通信網絡)、中間件層、數據處理和管理層以及應用開發層。

其中，基礎層以研究新型傳感器和傳感系統為核心，包括應用新的傳感原理、使用新的材料以及采用新的結構設計等，以降低能耗、提高敏感性、選擇性、響應速度、動態范圍、準確度、穩定性以及在惡劣環境條件下工作的能力。

總之。無線傳感器網絡應用前景非常誘人。無線傳感器網絡（WSN）被認為是影響人類未來生活的重要技術之一，這一新興技術為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。由于WSN本身的特點，使得它與現有的傳統網絡技術之間存在較大的區別，給人們提出了很多新的挑戰。由于WSN對國家和社會意義重大，國內外對于WSN的研究正熱烈開展，希望能夠引起測控領域對這一新興技術的重視，推動對這一具有國家戰略意義的新技術的研究、應用和發展。