物聯網技術服務工業互聯網人才培養模式與途徑

郝麗萍

（廣州番禺職業技術學院，廣東 廣州511483）

一、傳感網關鍵技術

傳感網的關鍵技術大致可分為三類［1］。第一類是系統。每個傳感器節點是一個獨立的系統。為了滿足傳感器網絡應用程序的需求，首要任務是設計與開發新的平臺，操作系統以及存儲模式［2］。第二類是通信協議。通信協議不僅保證了傳感器節點之間的無線通信，而且還建立了高層應用程序與低層節點之間的“通信”。第三類是服務。無線傳感器網絡服務的應用旨在提高網絡性能和系統性能，從而提升工業應用水平。傳感器節點不僅可以組織成多條無線網絡系統，而且還可以高效地管理與控制分布式節點［3］。通信協議標準一般分為5 層，它們分別是物理層、網絡層、應用層、數據鏈路層以及傳輸層［4］。通信協議的不同層對功耗、端到端延遲、網絡擁塞和網絡容量有顯著影響。層間優化算法可用于在不同協議層之間實現共享信息和交互。傳感器節點僅運用于電池供電，因此限制是自然限制的。當節點的電力用盡時，該節點故障，邏輯上離開傳感器網絡，降低傳感器網絡的可靠性。傳感器網絡的生命周期取決于有效節點的數量和網絡的連通性。因此，能源效率已成為衡量傳感器網絡算法性能的主要指標。大量的研究涉及建立可靠的無線通信，構建優化的節點解決方案以及設計完整的數據聚合方法，以實現更高的能效和良好的服務質量。此外，諸如信息確認機制、擁塞控制、緩沖區監視以及數據包恢復之類的策略的建議及實施，為最終通信模式下可靠的數據包傳輸提供了基本的技術保障［5］。另外，從現有的研究中可以得出，無線通信的強度取決于傳感器節點的配置。稀疏的配置方案可能會導致節點之間的遠程通信，從而導致更高的功耗。盡管密集的配置方案減少了通信功耗，但很容易引起通信沖突。

圖1 無線傳感器網絡關鍵技術

二、傳感網應用場景分析

（一）環境的監測與保護

隨著人們對環境問題的日益重視，在對環境的檢測和保護環節中應用傳感網技術已經愈來愈普遍。通過利用傳感網技術收集環境數據，并對數據進行分析以處理環境問題，能夠在環境的檢測與保護中起到事半功倍的效果。無線傳感器網絡的存在促進了研究數據的隨機采集，避免了傳統數據采集方法的缺點。最為成功的利用案例為英特爾研究實驗室的研究。英特爾研究實驗室的專家曾將32 個微型傳感器連接到互聯網，以讀取緬因州大鴨島的氣候，并評估海燕巢的狀況［6］。通過利用無線傳感網絡技術，專家的研究進行得尤為順利，并取得了優異的研究成果。此外，無線傳感器網絡還可以跟蹤昆蟲的遷徙，研究環境變化對農作物的影響，并監測氣候變化、自然災害等。

（二）智能家居領域的應用

傳感器節點嵌入家用電器中，通過無線網絡連接到網絡，將創造一個宜居、舒適、個性化的智能家居環境。遠程監控系統可用于遠程控制家用電器［7］。例如，在炎熱的夏天，南方一線城市的上班族可以在下午回到家前利用該技術遠程控制空調、微波爐、電視。此技術還能夠實現遠程監控，時刻保障家居的舒適度以及安全。

（三）醫療護理

由于傳感網的特性，它被廣泛用于醫療監控中。典型的系統由三層無線體域網結構，本地網關以及遠程監視中心組成。目前醫療市場上已有基于傳感網的醫療監控系統，該系統運用網絡應用程序技術從多個終端與平臺訪問監控數據［9］。不僅如此，市場上還出現了基于傳感網的遠程醫療系統可擴展應用平臺，該平臺能夠根據不同用戶的需求，為用戶量身定制不同的解決方案。此外，市面上還留存著運用LabVIEW軟件設計的醫療無線傳感器網絡、遠程醫療系統等，其中，遠程醫療系統能夠實時顯示被監控對象的生理參數。由英特爾醫療團隊開發的基于無線傳感器網絡的醫療系統，可運用位于患者家中的微傳感器節點來監視與收集患者生理數據，從而遠程監視及護理患者的健康，該系統現已部署用于實際治療。Auto-ID MIT 中心開發的基于互聯網的醫療系統實現了不同物理實體之間的異構連接，除了對患者的生理數據進行24/7 連續監控外，該系統還能夠安全共享醫療記錄，準確分析醫療設備的位置，對患者進行簡單的對癥治療，并通過不斷更新顯示的數據來保持體液溝通。國內外研究結果表明，運用無線傳感器網絡技術進行治療的主要技術問題已基本解決，在醫療領域具有很大的發展潛力。然而，考慮到安全性以及實用性等因素，生產過程中仍然存在一些障礙。

（四）軍事領域

1.目標探測以及跟蹤

目前，美國的軍事建設已初步運用了互聯網科技技術，主要體現為基于UGS 的遠程戰場檢測系統REM-BASS。該系統可以檢測、分類以及評估人員及車輛的運動方向。然而，該系統具有制作成本高以及運用壽命短等不足。運用以無線傳感器網絡技術為基準的技術不僅功效好、成本低、使用壽命長，而且能通過組合來自傳感器的各種信息實現目標跟蹤。

2.探測核以及生化武器攻擊

運用無線傳感器網絡技術能夠快速準確地檢測出核、地雷等武器，能夠實現軍事對抗中人員傷亡的最小化。無線傳感器網絡技術還能防止核反作用力直接暴露于核輻射環境；通過在特定區域部署無線傳感器網絡，可以實現生化檢測以及預警。數據通過聚合節點發送到各級指揮部門，能為決策指揮提供及時、準確的數據與信息。

3.通信對抗

在抵消通信的過程中，干擾源與目標接收機之間的距離以及干擾源的發射功率是決定干擾效果的主要因素，但這兩個參數也與干擾源被破壞的可能性成正比。漫射對策為其提供了一種低成本以及低風險的手段，可以抑制戰斗前線或后方的電磁頻譜。分布式干擾系統直接實現近距離干擾，能夠克服視場限制，獲得無線信道的優勢，從而提升干擾功率效率，減少對自身電磁頻譜的干擾。然而，傳統的分布式國防系統存在以下問題：不支持偵察信息交換，不能集成相關信息，對戰參數選擇不準確；戰術上的協調不便，不能動態地接收指令，因此其控制效率很低。將綜合抵抗力的分布式節點與無線傳感網絡技術相結合，是一種智能節點，通過信息融合可以更準確地確定目標節點的屬性和位置，更好地選擇對抗參數，可以讓相關人員隨時接受對抗命令并執行對抗任務。

三、結論

隨著科學技術的飛速發展，信息戰將成為未來戰斗行動的主要形式。信息戰的基本思想是將運用信息能量作為戰斗的主要手段，運用信息流控制、物質流以及能量流，以提升武器的效力和士兵的戰斗力。這意味著整個戰斗系統可以通過準確捕捉信息而從有機轉變為無機。如果把現有的武器系統比作人體的骨骼和肌肉，把指揮系統比作人體的中樞神經系統，那么傳感器網絡的節點就是神經末梢。隨著這一技術的進一步發展，傳感器網絡、人工智能和微機電技術的結合將給未來戰場帶來巨大的變化。專注于無線傳感器網絡的各種自動戰斗武器可以成為戰場上的主體英雄，或者可以通過組合大量傳感器來實現大型智能戰斗機器人。另一方面，情感研究是AI 研究中的當前難題，如果能夠在這一方面實現突破，將情感能力給予機器人，將對未來科技產生較大影響。綜上，傳感網關鍵技術的應用場景眾多，在軍事領域運用傳感器網絡，將帶來軍事技術領域的深遠變革。