無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述

吳瑞睿 劉潔琳

摘 要：近年來，隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。在深入研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的過程中，發(fā)現(xiàn)其在軍事、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、交通和家庭應(yīng)用等方面有極大的應(yīng)用價(jià)值。文章首先對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義和特點(diǎn)進(jìn)行介紹，其次列舉了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方向，然后簡要說明了其關(guān)鍵技術(shù)，最后分析了目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀及亟需解決的問題。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）14-0065-02

Abstract： In recent years， with the rapid development of modern sensor technology， embedded technology and communication technology， wireless sensor network has become the research hotspot of network technology. In the process of in-depth study of wireless sensor networks， it is found to have great application value in military， agriculture， medical， transportation and family applications. This paper first introduces the definition and characteristics of wireless sensor networks， then enumerates the application direction of wireless sensor networks， and briefly describes its key technologies. Finally， the current development of wireless sensor networks and the problems that need to be solved are analyzed.

Keywords： wireless sensor network； application； key technology

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成的一種自組織網(wǎng)絡(luò)，這些傳感器節(jié)點(diǎn)不僅能感知網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的環(huán)境信息，還具有簡單的計(jì)算能力，同時(shí)可以將感知和計(jì)算后的相關(guān)信息在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，具有一定的通信能力。傳感器節(jié)點(diǎn)是WSN中最重要的節(jié)點(diǎn)，它是整個(gè)WSN的基礎(chǔ)，具有感知數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)的功能。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的環(huán)境信息，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)并通過匯聚節(jié)點(diǎn)上報(bào)給用戶節(jié)點(diǎn)。

與其他無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，WSN有其自身顯著的特點(diǎn)。

大規(guī)模性：傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性分為兩種含義，一種是在某些很大面積的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署傳感器節(jié)點(diǎn)，如森林、山地等區(qū)域?yàn)榱吮O(jiān)控火災(zāi)或進(jìn)行其他環(huán)境監(jiān)測活動；另一種是在面積有限的區(qū)域內(nèi)部署大密度的傳感器節(jié)點(diǎn)。

自組織性：WSN是一種分布式自組織的無線網(wǎng)絡(luò)，它沒有中心控制管理，是由對等節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。這種分布式結(jié)構(gòu)可以更好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時(shí)可以自動進(jìn)行配置和管理，靈活性和實(shí)用性較強(qiáng)。

路由多跳性：由于WSN的監(jiān)測范圍很大，傳感器節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸距離會很遠(yuǎn)，所以WSN中多采用多跳路由轉(zhuǎn)發(fā)的方式，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，這樣可以減少節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率，降低網(wǎng)絡(luò)能耗。

健壯性：WSN經(jīng)常應(yīng)用于山地、森林等環(huán)境惡劣的野外區(qū)域，在這種環(huán)境中，傳感器節(jié)點(diǎn)的維護(hù)工作較難實(shí)現(xiàn)，所以需要網(wǎng)絡(luò)具有一定的健壯性，當(dāng)某些節(jié)點(diǎn)因?yàn)榄h(huán)境干擾或電池耗完不能正常工作時(shí)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)間可以自動調(diào)節(jié)以保證WSN的正常工作。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

作為信息技術(shù)三大支柱之一，WSN以其低成本、低功耗、高適用性等特點(diǎn)在工業(yè)市場上已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。其主要應(yīng)用領(lǐng)域集中在以下幾個(gè)方面。

1.1 軍事偵察

WSN能滿足多種軍事場景下信息獲取的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，它可以感知戰(zhàn)場態(tài)勢。在軍事應(yīng)用中，大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過飛行器被拋灑在戰(zhàn)場區(qū)域并形成自組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)感知戰(zhàn)場信息并收集、傳輸這些數(shù)據(jù)信息為作戰(zhàn)部隊(duì)提供情報(bào)。由于WSN具有密集型、隨機(jī)分布的特點(diǎn)，使其在監(jiān)控友軍兵力、裝備物資、彈藥調(diào)配和戰(zhàn)爭損傷評估；監(jiān)視戰(zhàn)區(qū)情況、偵查敵方軍力和目標(biāo)跟蹤；探測和偵查生物化學(xué)攻擊等方面起到很大作用。

美國是第一個(gè)進(jìn)行WSN研究的，從越南戰(zhàn)爭中開始研究用于發(fā)現(xiàn)越南物資運(yùn)輸車隊(duì)的“熱帶樹”傳感器開始，美國在WSN研究方面投入了大量的人力、物力和資金，并成功將其應(yīng)用到了軍事領(lǐng)域。此外，WSN還可以應(yīng)用于國土安全和國土邊境監(jiān)視等方面。

1.2 環(huán)境監(jiān)測

隨著人們對環(huán)境問題的關(guān)注，環(huán)境監(jiān)測成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。目前社會的發(fā)展和大自然的變化，傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測手段已經(jīng)不能滿足人類的需求，使用傳感器節(jié)點(diǎn)對室內(nèi)外環(huán)境的采集、分析和監(jiān)控顯得尤為重要。

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，其為野外環(huán)境的監(jiān)控工作提供了便捷。通過WSN收集震動和次聲波信息可以對火山爆發(fā)進(jìn)行監(jiān)測，提前發(fā)出預(yù)警；WSN還可以應(yīng)用于動物跟蹤、候鳥遷徙，通過觀察動物的行為習(xí)慣進(jìn)行種群研究；在植物上部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能監(jiān)控樹木生成情況，收集光合作用等信息，給植物研究提供相關(guān)依據(jù)；在無人值守地區(qū)拋灑傳感器節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行無間斷監(jiān)測，彌補(bǔ)監(jiān)測盲區(qū)獲取更全面的環(huán)境數(shù)據(jù)。

隨著科學(xué)技術(shù)的大力發(fā)展，對室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)控也是很有必要的。無線傳感器系統(tǒng)的部署，不僅可以監(jiān)測室內(nèi)實(shí)時(shí)的溫度、濕度和空氣質(zhì)量以改善室內(nèi)環(huán)境。

1.3 智能家居

智能家居是將居住環(huán)境中的安防系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和其他家用電器等設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接起來實(shí)現(xiàn)自動化和智能化管理。在家用電器中嵌入傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的方式可以實(shí)現(xiàn)對家電的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控家庭安全情況，使人們的生活更舒適、更便捷。

微軟的“未來之家”是最先進(jìn)的智能家居的代表，它融合了門禁系統(tǒng)不僅能對家庭環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測還能通過觸摸檢測主人的身體狀況并進(jìn)行相應(yīng)健康提示等。復(fù)旦大學(xué)、電子科技大學(xué)等單位也研制出一項(xiàng)基于WSN的智能樓宇系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)終端對家庭狀況進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測。

1.4 醫(yī)療健康

目前，WSN在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護(hù)理方面有很多應(yīng)用。在住院的患者身上安裝可以監(jiān)測心率或血壓的傳感器節(jié)點(diǎn)，可以使醫(yī)生及時(shí)了解被監(jiān)控病人的身體狀況和活動情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)以最快速度對其進(jìn)行搶救；基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的看護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測老人的健康問題，感知老人的各項(xiàng)活動，記錄老人的狀態(tài)，為老人的安全健康提供保障，同時(shí)也可以減輕看護(hù)人員的負(fù)擔(dān)，提高護(hù)理質(zhì)量。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 拓?fù)淇刂?/p>

拓?fù)淇刂萍夹g(shù)的主要功能是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)通過控制功率或鄰居節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度和連通度。良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠軌蛱岣呗酚尚省⒔档途W(wǎng)絡(luò)能耗，以延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。拓?fù)淇刂谱鳛閃SN中的核心問題，能夠?yàn)閿?shù)據(jù)融合、路由協(xié)議以及目標(biāo)定位等提供技術(shù)支撐。

目前已有的拓?fù)淇刂扑惴ǚ譃楣?jié)點(diǎn)功率控制和層次型拓?fù)淇刂苾深?。功率控制是通過調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和連通性的前提下，盡可能減少節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率。當(dāng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率發(fā)生變化時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化，同時(shí)降低節(jié)點(diǎn)間的干擾，最終使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最佳連通性。層次型拓?fù)淇刂评梅执貦C(jī)制，讓形成簇頭節(jié)點(diǎn)，每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)成為一個(gè)骨干網(wǎng)將網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)簇，其他非骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以暫時(shí)停止通信以降低網(wǎng)絡(luò)能耗，只允許骨干網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2 路由協(xié)議

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)連接需要根據(jù)實(shí)際情況，需聯(lián)合合適且特定的算法還有系統(tǒng)軟件建立的實(shí)時(shí)動態(tài)的連接，并不是采用一種事先安排好的連接方式。網(wǎng)絡(luò)帶寬、處理功耗等一些網(wǎng)路實(shí)時(shí)方面的影響因素是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)必然要考慮的因素，因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)意外時(shí)，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實(shí)際情況能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行重構(gòu)或是更新網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等操作。節(jié)點(diǎn)之間通信連接的可靠性是有限的，有時(shí)陰影衰落也是影響網(wǎng)絡(luò)連接的因素之一，所以在設(shè)計(jì)滿足網(wǎng)絡(luò)需求的路由軟件時(shí)要仔細(xì)考慮通信的可靠性問題。

2.3 數(shù)據(jù)融合

在WSN中，通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以對傳感器節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，去除冗余信息，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。此外，利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)感知到的多份數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和綜合處理以提高信息的準(zhǔn)確度。然而，數(shù)據(jù)融合技術(shù)在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，會增加網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間，造成網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間延遲。

2.4 時(shí)間同步

時(shí)間同步是需要協(xié)同工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制。在WSN中，節(jié)點(diǎn)間通常需要相互協(xié)作才能完成感知和監(jiān)測功能，此時(shí)要求各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間保持同樣的時(shí)鐘。目前已有的時(shí)間同步協(xié)議有RBS（參考廣播同步）、Tiny/mini-Sync（微小/迷你同步）以及TPSN（Timing-sync協(xié)議的傳感器網(wǎng)絡(luò)）。

2.5 定位技術(shù)

在WSN的實(shí)際應(yīng)用中，用戶不僅關(guān)注傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的感知數(shù)據(jù)，也希望獲取這些節(jié)點(diǎn)的位置信息。因此，定位技術(shù)作為WSN中的關(guān)鍵技術(shù)具有十分重要的地位。

在WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)的定位方式分為兩種：基于測距的定位和基于非測距的定位技術(shù)。基于測距的定位是通過測量節(jié)點(diǎn)間的距離和方向角度來確定待定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，此方法對節(jié)點(diǎn)硬件要求較高，能達(dá)到精確定位；基于非測距的定位是通過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的連通性來獲取待定位節(jié)點(diǎn)的最終坐標(biāo)的，由于無需測量節(jié)點(diǎn)間的距離使得對節(jié)點(diǎn)的硬件要求較低，降低了網(wǎng)絡(luò)的成本，但是定位精度不高。

3 結(jié)束語

通過對WSN的深入研究，人們對其的認(rèn)識越來越深刻，與此同時(shí)在相關(guān)技術(shù)方面也取得了很大的進(jìn)展，使WSN得到廣泛應(yīng)用。WSN是目前國內(nèi)外各個(gè)領(lǐng)域?qū)I(yè)的研究熱點(diǎn)，它將成為未來社會應(yīng)用廣泛的網(wǎng)絡(luò)，具有很好的研究價(jià)值和發(fā)展前景。

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