無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作原理與發(fā)展歷程

王順利　黃歡　夏長春

摘 要 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是在二十一世紀(jì)最重要的技術(shù)之一，它將對未來人類的生活方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)和傳感器技術(shù)的日益成熟對基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息采集，處理與傳輸提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù) 信號處理 信息采集 信息融合

中圖分類號：TP21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1無線傳感器簡介

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個傳感器具有一個或多個節(jié)點，例如聲學(xué)傳感器，紅外傳感器，磁性傳感器等。每個傳感器來監(jiān)測自己的感知范圍對象，監(jiān)測特定的行為，一般的監(jiān)測分為兩種非實時方式，使用傳感器來采集數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)傳送到最近的匯聚節(jié)點，隨后進(jìn)入?yún)R聚階段，從接近傳感器所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，然后將結(jié)果根據(jù)需要發(fā)送給基站，基站將最終結(jié)果傳送給派遣觀察員來監(jiān)控裝置，當(dāng)傳感器監(jiān)測到敏感的事件發(fā)生時，就會立即會對監(jiān)測對象采取連續(xù)密集的監(jiān)測策略，并根據(jù)匯聚節(jié)點對監(jiān)測結(jié)果預(yù)處理后立即發(fā)送給觀察者。實時監(jiān)測結(jié)束后，實時監(jiān)測的傳感器節(jié)點必須通過一個特殊的消息通知基站。再監(jiān)測每個節(jié)點，通過特殊的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來實現(xiàn)一個給定局部區(qū)域的目標(biāo)識別，定位與跟蹤。如圖1所示，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點來監(jiān)控目標(biāo)。傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集，信號處理和信號傳輸部分構(gòu)成。傳感器節(jié)點可以通過平面內(nèi)傳播的，可以在具體位置上發(fā)射火炮，不需要精確的傳感器節(jié)點部署，無需人員值守。由于傳感器節(jié)點可以部署在敵對地區(qū)，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具有良好的生存能力，生存能力不在單個傳感器節(jié)點中，這意味著如果當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的一些節(jié)點損壞時，可以使用其他節(jié)點完成信息的采集，處理和傳輸，傳感器節(jié)點的冗余使得傳感器具有高生存性的網(wǎng)絡(luò)。自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法可以成功地完成工作。

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)是巨大，因此傳感器節(jié)點的成本必須盡可能低。同時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境決定了傳感器節(jié)點必須體積小，功耗低，工作時間長。

3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點

對于不同的應(yīng)用，傳感器節(jié)點也是稍有不同的，但主要部分是相同的。通常是由一個傳感器，處理單元，傳輸單元和電源部分構(gòu)成。通過物理參數(shù)監(jiān)測的目標(biāo)決定了傳感器的選擇。處理單元主要完成網(wǎng)絡(luò)功能和簡單的數(shù)據(jù)處理。傳輸單元主要是用傳感器來收集數(shù)據(jù)。電源的功率傳感器節(jié)點是一個重要組成部分，無論重量或體積在無線通信設(shè)備中占據(jù)多大的比例，為了優(yōu)化電源本身的功耗，還是應(yīng)當(dāng)盡可能地減少傳感器節(jié)點。

4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作原理

各種傳感器的信息可能有不同的功能，可以實時地處理信息，也可以非實時地處理信息，可以快速變化的，也可以是緩慢變化的，可以是模糊的，也可以是確定的，可以相互支持和互補(bǔ)，同時也可以互相競爭。多傳感器信息融合的原理是在充分利用多傳感器資源的基礎(chǔ)上，合理控制和使用這些傳感器的觀測信息，在空間或時間上冗余或互補(bǔ)信息，結(jié)合多個標(biāo)準(zhǔn)的傳感器，以獲得一致性的解釋和被測量對象的信息系統(tǒng)，以實現(xiàn)其比一個子集更好的性能。

多傳感器信息融合技術(shù)直在機(jī)器人研究領(lǐng)域里應(yīng)用最為廣泛，因此與信息融合相比，一個更全面的、高水平的綜合處理復(fù)雜問題的模擬方式更受人歡迎。單傳感器信號處理只能仿照大腦處理信息一個較低水平，而多傳感器幾乎可以處理所有信息。多傳感器信息融合系統(tǒng)有效地利用傳感器資源，從而可以檢測到目標(biāo)和環(huán)境的信息的最大增益。同時，多傳感器信息融合和經(jīng)典信號處理方法的本質(zhì)區(qū)別是：多傳感器信息融合過程的關(guān)鍵在于有更復(fù)雜的形式，而且基于不同的水平上。這些信息包括表示層數(shù)據(jù)層，特征級和決策級數(shù)據(jù)層。

5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)起源于軍事領(lǐng)域，美國卡內(nèi)基—梅隆大學(xué)曾經(jīng)為了研究分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)成立了一個工作組，致力于基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軍事監(jiān)視系統(tǒng)的研究。但由于當(dāng)時技術(shù)條件的限制，研究的應(yīng)用范圍非常有限。在本世紀(jì)，隨著技術(shù)水平與應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與開發(fā)已成為當(dāng)前信息領(lǐng)域的熱點，越來越多的研究機(jī)構(gòu)和公司增加了在這一領(lǐng)域的研究工作。這個研究領(lǐng)域也因此得到了美國政府資金的支持。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)，投資資金總額甚至達(dá)到了三千四百萬元。美國國防部對它的投資更大。美國國防高級研究計劃局在大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)中投資很多錢來支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。美國許多大學(xué)都開展了對傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。

參考文獻(xiàn)

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