電子信息技術在無線傳感器網絡的應用與發展

周睿禹

摘 要：隨著時代的發展，如今無線傳感器網絡因其自組織，無中心，適應性強等特點，已經滲入到人們生產、生活的方方面面。通過分析其無線傳感器網絡收集到的數據，可以提高生產效率、監測交通狀況、看護病人；但其也存在續航不足、性能不強等問題。隨著電子信息技術的發展，無線傳感器網絡的數據處理性能逐步提升，續航時間逐漸增加，智能化程度日益提高。

關鍵詞：無線傳感器網絡；電子信息技術；智能傳感器

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）01-0052-02

無線傳感器網絡是一種由傳感器節點構成的網絡，能夠實時地協作地監測、感知和采集網絡分布區域內的各種檢測對象信息，提供海量的詳細測量數據，如燈光、溫度、濕度、噪音等，并對這些信息進行處理，發送給觀察者。在軍事偵察、生物棲息、環境監測等領域，無限傳感器網絡有著廣泛的應用前景[1]。

1 無線傳感器網絡的現狀

無線傳感器網絡中的傳感器通過無線方式通信，網絡設置靈活，可以跟互聯網進行連接，通過無線通信方式形成一個多跳自組織網絡。其核心是傳感器節點，每個傳感器節點通常是一個微型的嵌入式系統，一般由數據采集模塊、處理控制模據欸、無線通信模塊和能量供應模塊4部分組成。

1.1 無線傳感器網絡的特點

無線傳感器網絡的規模非常大。傳感器網絡的大規模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器網絡可以覆蓋很大的地理區域；另一方面，傳感器節點部署很密集，在面積較小的空間內，密集部署了大量的傳感器節點。

無線傳感器網絡自組織，自維護。傳感節點可以隨機分布并自行組成網絡，形成大面積的監控網絡。由于環境等條件的改變，傳感器的數量會有增減，網絡拓撲隨時間動態改變，無線傳感器網絡應該具備維護動態路由的能力。

無線傳感器網絡無中心。在無線傳感器網絡中，所有節點的位置都是平等的沒有預先制定的中心，是通過預先設定的算法來相互協調。由于具有無中心的特點，無線傳感器網絡不會因為單個節點的脫離而受到損害。

無線傳感器網絡以數據為中心，在無線傳感網絡中，能源消耗最大的過程是通信過程，受到能源有效性的限制，無線傳感器網絡的路由應該在保證數據傳輸與穩定性前提下盡量減少通信量。

無線傳感器網絡的協作性強。由于無線傳感器網絡單個節點的計算能力有限，為了采集監測范圍內各項數據，網絡的運作需要大量的節點進行數據交換，信號協同和信號處理。這種方式可以有效克服處理和存儲能力不足的缺點，共同完成復雜任務的執行。

1.2 無線傳感器網絡的應用

1.2.1 軍事領域

由于無線傳感器網絡具有密集型，隨機分布，部署快速，可自組織，隱蔽性強且容錯性高等諸多特點，使其非常適合用于復雜惡劣的戰場環境。在軍事領域的主要應用包括戰場敵情偵察，警戒地域監視和預警，監控敵我雙方物資、兵力部署情況，判斷敵軍進攻動向，戰場毀傷效能評估等。

1.2.2 醫療應用

醫療是無線傳感器網絡的另一個重要應用領域。無線傳感器網絡可以提供對醫院的藥物控制和藥品管理，輔助醫生診斷和監控病人的狀態，跟蹤病人的狀態，監控醫生、護士的服務，還可以遠程監視特殊人群的健康狀態，提供遠程治療等諸多服務。

通過部署在患者家中的傳感器網絡可以覆蓋患者的活動區域，患者身上的可穿戴設備可以提供必要的生理指標，通過這些節點可以對患者的重要身體指標進行實時監測。此類傳感器系統可以在本地對數據進行預處理后傳輸至醫療服務機構。

1.2.3 農業領域

農業生產中，利用無線傳感器網絡可以有效地降低傳統農業中的人力消耗以及對農田環境的影響，并獲取精確的環境和作物信息。通過傳感器獲取的氣候數據，可以分析得到農作物產量與日照、溫度、濕度的關系，并對灌溉等措施作相應調整。

1.2.4 環境監測應用

海洋、冰川、火山和原始森林等地區自然條件艱苦，人跡罕至。無線傳感器部署簡單易行，以無人值守的方式長期工作，且在各種不同的環境中都具有較強的穩定性。此外，通過傳感器收集數據還可以避免數據收集方式給環境帶來的侵入式破壞[2]。

1.2.5 工業應用

在工業環境中，大范圍使用傳感器可以實施生產過程當中的安全監測，也能對自動化生產的生產環節和設備狀態進行實時監控，從而改進產品質量，增加產量、降低能耗、提高競爭力。

2 無線傳感器網絡的問題

無線傳感器網絡中的節點部分通過電池提供能量，為了延長傳感器使用壽命，能耗控制特別重要，如何在保證無線傳感器網絡功能前提下控制能耗成為了一個重要問題。

無線傳感器網絡節點分布密集，數據有顯著的冗余性，對于采集到的海量數據信息量需要利用數據聚集，融合。同時，在目標跟蹤、識別等新型使用場景下，傳感器需要更強的數據處理能力。目前受限于功耗和體積，傳感器數據處理模塊性能較差，數據處理能力不足。

無線傳感器網絡仍然具有安全性問題。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、拒絕服務是這些攻擊的常見方式。因其具有大量數據，安全性是傳感器網絡設計中至關重要的部分。

無線傳感器網絡的通信同樣重要。在復雜的環境中，信號容易被障礙物或其他電子信號干擾。在傳感器網絡內以及傳感器與上層網關通信過程中，如何保證傳輸的速率以及穩定性是一個亟待解決的問題。

2.1 電子信息技術的發展

在無線傳感器網絡以數據為中心的采集、傳輸、處理的各個過程，電子信息技術都發揮了巨大的作用。

2.1.1 無線通信技術

通信技術發展迅速，4G、wifi、zigbee等通信技術的發展使無線傳感器數據傳輸速度有了大幅度提升。多種通信技術融合使用，擴大了傳感器的覆蓋范圍，并使其能夠適應不同的應用環境。

4G有很高的數據吞吐量、更低時延、更低的建設和維護成本、更高的鑒權能力和安全能力，使用4G網絡通信可以利用運營商的基礎設置覆蓋到更加廣闊的范圍。同時4G安全性能好、時延低，對下一代功能更加強大的傳感器網絡具有重要意義。

ZigBee是一種低速短距離傳輸的無線網絡協議，底層是采用IEEE 802.15.4標準規范的媒體訪問層與物理層。在無線傳感器網絡內部，采用ZigBee能以極低的功耗保持各個節點之間的連接。對于數據量較小的傳感器，ZigBee能很好的完成傳輸任務。

藍牙的發展也為無線傳感器網絡提供了更多的通信方式。同時，第五代藍牙技術的發展，使其傳輸距離達到300米，理論傳輸速度達到24Mbps，并且其原生支持室內定位，為傳感器組網提供了更大范圍、更多功能的通信支持。

2.1.2 傳感器智能化

智能傳感器就是具有信息處理功能的傳感器，其帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結合的產物。相比一般傳感器，智能式傳感器有如下顯著特點：

（1）提高了傳感器的精度。智能式傳感器具有信息處理功能，通過軟件不僅可修正各種確定性系統誤差，而且還可適當地補償隨機誤差、降低噪聲，大大提高了傳感器精度。

（2）提高了傳感器的可靠性。集成傳感器系統小型化，消除了傳統結構某些不可靠因素，改善整個系統的抗干擾性能；同時它還有診斷、校淮和數據存儲功能，具有良好的穩定性。

（3）提高了傳感器的性能價格比。在相同精度的需求下，多功能智能式傳感器與單一功能的普通傳感器相比，性能價格比明顯提高，尤其是在采用較便宜的單片機后更為明顯。

（4）促成了傳感器多功能化。智能式傳感器可以實現多傳感器多參數綜合測量，通過編程擴大測量與使用范圍；有一定的自適應能力，根據檢測對象或條件的改變，相應地改變量程反輸出數據的形式；具有多種數據輸出形式，適配各種應用系統。

2.2 傳感器協議的發展

無線傳感協議的完善，提高了數據通信，傳感器網關，傳感器控制的安全性。無線傳感器網絡的相關自組協議可以使傳感器自適應地組成傳感器網絡，并在網絡傳輸中有效減少數據傳輸量，提高系統的效率，降低整體能耗。

李玉海等提出了SCPDA協議[3]，該協議通過在傳感器結點中加入混肴數據對，并將數據分組后隨機分發給其鄰居，從而達到保護數據的目的。該協議主要分為三個階段：劃分簇階段、數據混肴階段、數據聚集階段。實驗結果也表明，該協議比已知的安全協議更加高效節能。

樊志平等提出了EECA協議[4]，該協議是基于能量效率的無線傳感器網絡快速分簇算法，其將重新選舉簇頭轉化為局部出發行為，將時間復雜度降低至O（1），使其與網絡規模無關。實驗結果表面其具有良好的負載平衡性能，可以有效減少能量消耗。

3 結語

隨著電子信息技術的飛速發展，無線傳感器網絡持續進步，在生活的各個領域發揮了重要的作用。無線傳感器網絡可以在不同的環境中自組織地建立網絡，覆蓋觀測區域，采集相關數據，這不僅節省了大量人力物力，而且推動了農業、工業、服務業的智能化。隨著電子信息技術的進一步發展，無線傳感器網絡更加智能化，能耗更低，數據傳輸能力更強。

參考文獻：

[1]劉敏鈺，吳泳，伍衛國.無線傳感網絡 （WSN） 研究[J].微電子學與計算機，2005（7）： 58-61.

[2]屈峰，楊華，王立軍，等.無線傳感器網絡及其應用[J].四川兵工學報，2013（02）：111-113.

[3]李玉海，田苗苗，黃劉生，等.無線傳感網絡中基于數據混淆的保護隱私數據聚集協議[J]. 小型微型計算機系統，2013，34（7）：1603-1606.

[4]樊志平，金政哲，謝冬青.基于能量效率的無線傳感網絡分簇算法[J].小型微型計算機系統2013，34（3）：535-539.