無線傳感器網絡應用綜述*

任志玲， 張廣全， 林 冬， 張鐘保， 趙 星

(遼寧工程技術大學 電氣與控制工程學院，遼寧 葫蘆島 125105)

0 引 言

無線傳感器網絡(wireless sensor networks，WSNs)為隨著近距離、低功耗無線通信技術的發展而產生，由一組傳感器節點在自組織的組網方式下構成的無線網絡，綜合了現代傳感器技術、分布式信息系統技術、微電子技術、嵌入式系統技術和無線通信技術等多個學科[1]。WSNs由具有感知能力、計算能力以及通信能力的微型傳感器根據Ad-Hoc方式構成,通過眾多節點間的分工協作，實時感知、監測和采集網絡分布區域中的各種環境數據和被監測對象的數據，并進行數據處理，獲得準確而詳盡的實時信息，最終傳送至用戶[2,3]。

由于WSNs為面向具體應用型的網絡，在軍事、交通、醫療、環保、工業、農業、物流、家居等許多領域具有廣泛的應用價值。許多中外學者對此進行了大量研究[4～10]。

本文綜述了WSNs的體系結構、網絡組成和主要特點，重點闡述了WSNs在各領域的主要應用及發展現狀。

1 WSNs的體系結構

WSNs系統由無線傳感器節點群、傳輸介質、用戶端三部分組成。典型WSNs的體系結構如圖1所示。

圖1 WSNs體系結構

傳感器節點利用多跳轉發的方式將需要發送的信息數據傳到用戶端，而節點主要通過人工處理以及飛行器散播等方式將節點布設于被檢測的區域內，在感知區域內，節點通常自主形成網絡，對目標對象進行感知與監測，進而向匯集節點傳播信息，以便將該區域內的數據信息發送至基站，基站通過與因特網或衛星通信的有效結合，將信息傳送至用戶端。

2 WSNs的特點

與傳統無線網絡對比分析，WSNs具有集感知、處理、傳輸于一體，硬件資源有限，電源容量有限，無中心，自組織，多跳路由，動態拓撲，節點數量眾多，分布密集等特點，因此，在很多方面均具有廣闊的應用價值。

3 WSNs的應用

1)軍事領域應用

WSNs的研究最早起源于軍事領域，戰場環境惡劣、瞬息萬變，致使收集敵軍情報具有一定的難度和危險性[11]。WSNs具有可快速部署、隱蔽性強、自組織和高容錯性的特點，能夠實現對敵方地形、兵力布防以及裝備的偵察、實時監視戰場形勢、準確定位攻擊目標、評估戰場、探測和偵察生化武器。此外，該網絡技術在軍火、士兵、裝備等方面可以進行準確地敵我識別處理，避免出現誤傷情況。該網絡技術還可以對射擊目標進行跟蹤，以便實現精確制導，準確識別出是否存在核武器進攻，盡可能的減少損傷和死亡率。

2)環境監測應用

為了對生態環境實施有效監控，避免進一步的惡化，可將WSNs技術應用到環境監測中。無線傳感器技術可用于地理和氣象的研究、人為或自然的災害、土壤空氣變化、家禽和牲畜的生存環境狀況監測、大面積的地表檢測、跟蹤珍稀鳥類動物和昆蟲進行瀕危物種的研究等[12，13]。

3)醫療護理應用

醫療護理領域中WSNs在遠程健康監控管理、看護、生活支持、重癥患者護理等方面的應用比較廣泛[14]。利用WSNs設備，可以將信息收集于傳感器節點中，以便對患者的實際病情進行實時準確的了解，并根據實際情況給予及時的應急處理與救助。此外，通過WSNs可以幫助殘障人員實現生活自理，減輕醫護人員的工作負擔[15]。

4)建筑物狀態監控應用

利用WSNs監控建筑物的安全狀態[16]。由于有些建筑物不斷修補，可能存在一些安全隱患，或許地殼偶爾的小震動不會帶來明顯的安全隱患，但可能會在大柱上產生潛在的裂痕，裂痕或許在下一次地殼震動中導致建筑物倒塌。傳統的檢測方法需將建筑物封閉數月，而采用WSNs使建筑物能自行檢測狀況，并將狀態信息傳遞給管理部門，以便按照隱患級別順序進行相應的修復工作。

5)農業生產應用

通過此次對二灰碎石基層的施工質量問題展開分析，得到二灰碎石基層的施工質量主要受到原材料的質量、配合比、施工工藝工序(拌合、攤鋪、碾壓)、養護等方面因素的影響，因此，在合理選擇材料的基礎上，應該對施工工藝工序嚴格控制。同時施工現場對人員的管理也會間接影響二灰碎石基層的施工質量，因此，同時還需對施工現場的人員展開科學的調配、責任到人，對加工機械工作效率、工作時間合理的安排，保證施工質量。其次，加強監督管理，只要科學的管理、良好的監督，才能使二灰碎石基層的優良性能發揮的名副其實，才能確保施工質量達到最大化。

在大型農田育苗和灌溉過程中，可以利用WSNs技術對農業的研究進行有效控制，并獲取相關數據[17]。

6)空間探索應用

在太空空間探索方面，通過借助于航天飛行器布撒的傳感器網絡節點實現對星球表面長時間的檢測，是一種經濟并且可行的方案[18]?？臻g探索中特殊的環境也需要極高的自動化，因此，WSNs在空間探索方面具有很高的應用價值。美國國家航空與航天局(NASA)的JPL(Jet Propulsion Laboratory)實驗室的“Sensor Web”計劃即為將來的火星探測進行技術準備，并已在佛羅里達宇航中心的環境監測項目中進行了測試和完善。

7)智能電網應用

隨著電網智能化的快速發展，用戶對電力系統的要求也越來越高，未來電網的建設與發展必須滿足不同用戶的多種需求，而且還要具備交互性和高安全性等特點[19,20]。WSNs技術是智能電網的關鍵基礎技術，智能電網構架中分布著輸電、變電、配電網絡，為了及時準確地調整電力資源分配，以達到有效合理的利用電力資源的目的，必須及時對智能電網的電力參數進行感知，詳細了解電網運行狀態。利用WSNs對電力設備的運行狀態進行實時監控，能夠達到對電力故障的快速定位并及時排除故障的目的。

8)物流跟蹤應用

9)智能家居應用

智能家居的主要控制部分為由嵌入家具和家電中傳感器與執行單元組成的無線網絡，WSNs智能控制空氣的溫度、濕度等，并檢查分析空氣成分，使住戶安心入住[22]。同時，智能家居中的WSNs可以根據住戶的要求合理地調整控制方案，加強緊急處理、危機救護等的急救控制，提供更加方便、舒適、具有人性化的智能家居環境，使控制更高效，便捷，還能為家庭的日常生活節約能耗，提高能源利用率。

10)其他應用

WSNs可以用于核電站、石油和礦井生產的安全監測。WSNs還可以用于監測現場狀況、收集交通狀況、分析各種安全威脅等，并且在出現緊急突發情況時，WSNs可以為指揮中心提供重要的數據支持和信息參考作為制定應急方案的依據。

4 發展趨勢

目前WSNs中的路由協議、MAC協議、拓撲控制、定位技術、時間同步技術、安全技術、數據融合技術、節能降耗等方面均已成為不斷改進和發展的熱點方向[23]。在工業4.0的大環境中，未來WSNs在各個方面會有更好的應用和發展。

5 結束語

介紹了WSNs的體系結構、網絡組成和主要特點，闡述了WSNs在各領域的主要應用及發展現狀。為進一步拓寬WSNs的應用提供了理論依據。在今后的WSNs的發展過程中，還需要對其技術與應用進行細致研究，為WSNs的未來發展提供可靠保障。

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