一種新型的傳感器網(wǎng)絡(luò)

摘 要： 為了更進一步地拓展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域，挖掘無線傳感器的利用價值，依據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低成本、低功耗、微型化、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、自組織，指出了無線傳感器在監(jiān)測環(huán)境對象的溫度、濕度、壓力、噪聲等方面以及連續(xù)監(jiān)測、位置識別和執(zhí)行器的本地控制等多方面的優(yōu)點，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事領(lǐng)域、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的實際應(yīng)用，并研究了未來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用趨勢和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 環(huán)境監(jiān)測； 應(yīng)用趨勢； 連續(xù)監(jiān)測

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）16?0018?03

0 引 言

隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為了科學(xué)研究領(lǐng)域最前沿的課題之一，引起了眾多科技研究者的關(guān)注。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，使用一塊小小的芯片即可以感知現(xiàn)實世界，傳遞命令，并可以給出反饋。無線傳感器網(wǎng)絡(luò) （Wireless Sensor Network，WSN）是由具有一定感知能力、計算能力、微處理能力、無線通信能力的眾多微型傳感器節(jié)點自組織構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的感知對象的信息進行感知、采集、處理，并傳輸給用戶[1]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其低成本、低功耗、分布密集、自組織等特點，在軍事、環(huán)境監(jiān)測、智能交通、醫(yī)療健康等領(lǐng)域都有著極為廣泛的應(yīng)用。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不是各傳感器的簡單無線連接。一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和用戶節(jié)點，如圖1所示。

圖1中云圖包圍部分是監(jiān)測區(qū)域，其中放置大量傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，由傳感器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊、計算模塊、存儲模塊、通信模塊、電源模塊組成，如圖2所示。這些部分相互協(xié)調(diào)，共同完成對外界信息的感知功能，并將監(jiān)測的數(shù)據(jù)信號進行處理、存儲和傳輸[2]。匯聚節(jié)點對各傳感器的數(shù)據(jù)進行過濾和整合，用戶節(jié)點即為觀測者。傳感器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸通常采用無線方式，而匯聚節(jié)點和用戶節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸既可以采用有線方式，也可以采用無線方式[2]。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點

2.1 低功耗、低成本、微型化、高集成度

為了避免傳感器節(jié)點由于電池供電不足而不能工作，要求在傳感器節(jié)點的功耗達(dá)到最低，以便獲得更長的工作時間。另外無線傳感器的節(jié)點數(shù)量常比較多，單個節(jié)點價格的提高會大幅提高整個系統(tǒng)的成本，所以傳感器節(jié)點具有低成本的特點[3]。隨著微機電技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器節(jié)點既可以集成微傳感器、執(zhí)行器、微處理器和無線通信等多種功能部件，即實現(xiàn)了微型化和高集成度，又具有低功耗、低成本的優(yōu)點。

2.2 傳感器節(jié)點分布密集，信息容錯性能高

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要特征是在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)密集部署大量傳感器節(jié)點。節(jié)點的密集布置，使得獲取的信息更加多角度，提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確度和準(zhǔn)確度。并且在同一監(jiān)測區(qū)域內(nèi)存在大量冗余傳感器節(jié)點，使系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)對單一傳感器的數(shù)據(jù)的依賴性降低，具有很強的容錯性能。

2.3 動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動態(tài)的。主要原因是傳感器節(jié)點的數(shù)量和位置分布會需要隨著感知對象的不同而發(fā)生動態(tài)的調(diào)整，比如有的節(jié)點可能因為能量耗盡或環(huán)境影響而失效，有的節(jié)點可能由于監(jiān)測精度的需要而被補充進網(wǎng)絡(luò)，以及對節(jié)點的休眠調(diào)度。這就導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分或全部節(jié)點是可以移動變化的，傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布形狀也隨著節(jié)點的移動處于不斷的動態(tài)變化中[4]。

2.4 自組織

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的工作是自組織的形式。這是由于單個傳感器節(jié)點的通信和信息處理能力有限，必須將多個傳感器節(jié)點的感知信息進行匯總、過濾和計算才能得到精確度和可靠性更高的監(jiān)測結(jié)果[5]。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫莿討B(tài)的，傳感器節(jié)點的位置和相互關(guān)系不能確定，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)必須根據(jù)實際控制信息量給出節(jié)點密度分布策略，各節(jié)點之間必須隨著網(wǎng)絡(luò)形狀的變化而自動進行配置、管理和動態(tài)調(diào)整，以及時適應(yīng)不斷變化的自身條件和外部環(huán)境，保持自身工作的連續(xù)性和高效性[5]。

2.5 安全性較低

一方面，由于通過無線傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)易被竊聽、截獲或篡改，可能使系統(tǒng)出錯或陷入癱瘓，存在嚴(yán)重的安全問題；另一方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源限制較為嚴(yán)格，因而需要設(shè)計低開銷的通信協(xié)議。因此，如何在通信協(xié)議的低標(biāo)準(zhǔn)要求下，通過數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證、入侵檢測提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的安全性和監(jiān)測數(shù)據(jù)的保密性，保證網(wǎng)絡(luò)的通信安全和信息安全，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與研究中所面臨的一個重要問題。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以包括多種不同類型的傳感器，如震動、磁、熱量、紅外、聲音傳感器，用于監(jiān)測環(huán)境對象的溫度、濕度、壓力、噪聲、機械應(yīng)力等，并可以完成連續(xù)的監(jiān)測、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、位置識別和執(zhí)行器的本地控制等多種任務(wù)[6]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、醫(yī)療健康、環(huán)境監(jiān)測、家庭、甚至空間探索和災(zāi)難拯救領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景和很高的應(yīng)用價值。

3.1 軍事應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究正是始于軍事應(yīng)用上的需要，即20世紀(jì)70年代美國在越南戰(zhàn)爭中越南物質(zhì)運輸車隊的“熱帶樹”傳感器。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、功耗低、密集型、自組織性和較強的容錯能力的特點，其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，完成包括信息收集、偵察敵情、目標(biāo)定位、戰(zhàn)場監(jiān)視、核生化監(jiān)測以及國土安全保護等多方面用途。例如，2003年美國國防高級研究計劃局主導(dǎo)的Network Embed and System Technology項目成功驗證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的目標(biāo)定位能力。該項目采用多個廉價音頻傳感器節(jié)點協(xié)同定位敵方狙擊手，三維空間的定位精度可達(dá)1.5 m，定位延遲達(dá)2 s，甚至能顯示出敵方狙擊手采用跪姿和站姿射擊的差異，并標(biāo)識在所有參戰(zhàn)人員的個人計算機中，使指揮員和戰(zhàn)斗員的作戰(zhàn)感知能力產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。

3.2 環(huán)境監(jiān)測

目前人們對環(huán)境問題的重視程度日劇增強，對環(huán)境的監(jiān)測要求越來越高，所涉及的范圍越來越廣，依靠傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計方法已經(jīng)無法滿足大眾和研究者的需求，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則能夠使這一領(lǐng)域的很多問題迎刃而解。例如，對鳥類、小型動物生活規(guī)律的觀測和種群復(fù)雜度的研究，天氣預(yù)報和空氣質(zhì)量的監(jiān)測，農(nóng)作物灌溉和生長情況，土壤溫度情況，肥料含量、光照強度等的監(jiān)視，森林火情監(jiān)控等。

3.3 醫(yī)療健康

在醫(yī)療健康方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)對病人各項健康指標(biāo)和活動情況進行遠(yuǎn)程監(jiān)測，極大地促進了遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展。例如，在病人特別是易發(fā)病人身上佩戴一些微型無線傳感器用于實時或定期采集血壓、脈搏、體溫等信息，甚至可以將微型傳感器植入人體內(nèi)隨時觀測器官的生理狀態(tài)。然后通過家中的傳感器網(wǎng)關(guān)，將監(jiān)測信息傳送給醫(yī)院的醫(yī)生，即可實現(xiàn)在不影響病人生活和不占據(jù)病人時間的情況下，對病人健康狀況的實時有效的監(jiān)測。

3.4 其他應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低成本、低功耗、自組織的特點，使其在交通系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)、安全生產(chǎn)以及其他諸多商業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。如基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電子不停車收費系統(tǒng)能實現(xiàn)對車輛的自動檢驗、登記、放行等功能；英國石油公司利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對煉油設(shè)備進行監(jiān)測管理；通過在家居設(shè)備中安裝無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對水電氣三表及其他設(shè)施進行數(shù)據(jù)采集和存儲，獲取報警信息和設(shè)防撤防狀態(tài)；物流公司利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對倉庫貨物的存儲和運輸情況進行監(jiān)測和控制。

4 結(jié) 語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常誘人的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是影響人類未來生活的重要技術(shù)之一。這一新興技術(shù)為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑，引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。當(dāng)前技術(shù)水平下的傳感器系統(tǒng)正向著微型化、智能化、多功能化的方向發(fā)展。同時由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些局限性，在一些領(lǐng)域還沒有實現(xiàn)實質(zhì)性的應(yīng)用，這給人們提出了很多新的挑戰(zhàn)，未來的傳感器系統(tǒng)必將變得更加實用，更加綜合化、系統(tǒng)化。

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