物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)模式與途徑

郝麗萍

摘? 要：由具有感知、計算和通信功能的低成本傳感器節(jié)點組成的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)稱為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器可網(wǎng)絡(luò)收集、感知和分析信息，以達到監(jiān)控以及控制等目的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織以及協(xié)作功能為傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的應用開辟了廣闊前景。本文在簡要分析傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)之上，研究分析傳感網(wǎng)的應用場景。

關(guān)鍵詞：傳感網(wǎng);關(guān)鍵技術(shù);應用場景;目標探測以及跟蹤

中圖分類號：G64? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2021）10-0082-02

一、傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

傳感網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)大致可分為三類 [1]。第一類是系統(tǒng)。每個傳感器節(jié)點是一個獨立的系統(tǒng)。為了滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)應用程序的需求，首要任務是設(shè)計與開發(fā)新的平臺，操作系統(tǒng)以及存儲模式 [2]。第二類是通信協(xié)議。通信協(xié)議不僅保證了傳感器節(jié)點之間的無線通信，而且還建立了高層應用程序與低層節(jié)點之間的“通信”。第三類是服務。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務的應用旨在提高網(wǎng)絡(luò)性能和系統(tǒng)性能，從而提升工業(yè)應用水平。傳感器節(jié)點不僅可以組織成多條無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而且還可以高效地管理與控制分布式節(jié)點 [3]。通信協(xié)議標準一般分為5層，它們分別是物理層、網(wǎng)絡(luò)層、應用層、數(shù)據(jù)鏈路層以及傳輸層 [4]。通信協(xié)議的不同層對功耗、端到端延遲、網(wǎng)絡(luò)擁塞和網(wǎng)絡(luò)容量有顯著影響。層間優(yōu)化算法可用于在不同協(xié)議層之間實現(xiàn)共享信息和交互。傳感器節(jié)點僅運用于電池供電，因此限制是自然限制的。當節(jié)點的電力用盡時，該節(jié)點故障，邏輯上離開傳感器網(wǎng)絡(luò)，降低傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性。傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期取決于有效節(jié)點的數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)的連通性。因此，能源效率已成為衡量傳感器網(wǎng)絡(luò)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(gòu)建優(yōu)化的節(jié)點解決方案以及設(shè)計完整的數(shù)據(jù)聚合方法，以實現(xiàn)更高的能效和良好的服務質(zhì)量。此外，諸如信息確認機制、擁塞控制、緩沖區(qū)監(jiān)視以及數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包傳輸提供了基本的技術(shù)保障 [5]。另外，從現(xiàn)有的研究中可以得出，無線通信的強度取決于傳感器節(jié)點的配置。稀疏的配置方案可能會導致節(jié)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。

二、傳感網(wǎng)應用場景分析

（一）環(huán)境的監(jiān)測與保護

隨著人們對環(huán)境問題的日益重視，在對環(huán)境的檢測和保護環(huán)節(jié)中應用傳感網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)愈來愈普遍。通過利用傳感網(wǎng)技術(shù)收集環(huán)境數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析以處理環(huán)境問題，能夠在環(huán)境的檢測與保護中起到事半功倍的效果。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的存在促進了研究數(shù)據(jù)的隨機采集，避免了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)，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(wǎng)絡(luò)技術(shù)，專家的研究進行得尤為順利，并取得了優(yōu)異的研究成果。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以跟蹤昆蟲的遷徙，研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響，并監(jiān)測氣候變化、自然災害等。

（二）智能家居領(lǐng)域的應用

傳感器節(jié)點嵌入家用電器中，通過無線網(wǎng)絡(luò)連接到網(wǎng)絡(luò)，將創(chuàng)造一個宜居、舒適、個性化的智能家居環(huán)境。遠程監(jiān)控系統(tǒng)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(shù)遠程控制空調(diào)、微波爐、電視。此技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)遠程監(jiān)控，時刻保障家居的舒適度以及安全。

（三）醫(yī)療護理

由于傳感網(wǎng)的特性，它被廣泛用于醫(yī)療監(jiān)控中。典型的系統(tǒng)由三層無線體域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，本地網(wǎng)關(guān)以及遠程監(jiān)視中心組成。目前醫(yī)療市場上已有基于傳感網(wǎng)的醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)運用網(wǎng)絡(luò)應用程序技術(shù)從多個終端與平臺訪問監(jiān)控數(shù)據(jù) [9]。不僅如此，市場上還出現(xiàn)了基于傳感網(wǎng)的遠程醫(yī)療系統(tǒng)可擴展應用平臺，該平臺能夠根據(jù)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(shè)計的醫(yī)療無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、遠程醫(yī)療系統(tǒng)等，其中，遠程醫(yī)療系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示被監(jiān)控對象的生理參數(shù)。由英特爾醫(yī)療團隊開發(fā)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療系統(tǒng)，可運用位于患者家中的微傳感器節(jié)點來監(jiān)視與收集患者生理數(shù)據(jù)，從而遠程監(jiān)視及護理患者的健康，該系統(tǒng)現(xiàn)已部署用于實際治療。Auto-ID MIT中心開發(fā)的基于互聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療系統(tǒng)實現(xiàn)了不同物理實體之間的異構(gòu)連接，除了對患者的生理數(shù)據(jù)進行24/7連續(xù)監(jiān)控外，該系統(tǒng)還能夠安全共享醫(yī)療記錄，準確分析醫(yī)療設(shè)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(shù)據(jù)來保持體液溝通。國內(nèi)外研究結(jié)果表明，運用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行治療的主要技術(shù)問題已基本解決，在醫(yī)療領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＨ欢紤]到安全性以及實用性等因素，生產(chǎn)過程中仍然存在一些障礙。

（四）軍事領(lǐng)域

1. 目標探測以及跟蹤

目前，美國的軍事建設(shè)已初步運用了互聯(lián)網(wǎng)科技技術(shù)，主要體現(xiàn)為基于UGS的遠程戰(zhàn)場檢測系統(tǒng)REM-BASS。該系統(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基準的技術(shù)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(xiàn)目標跟蹤。

2. 探測核以及生化武器攻擊

運用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠快速準確地檢測出核、地雷等武器，能夠?qū)崿F(xiàn)軍事對抗中人員傷亡的最小化。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還能防止核反作用力直接暴露于核輻射環(huán)境;通過在特定區(qū)域部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)生化檢測以及預警。數(shù)據(jù)通過聚合節(jié)點發(fā)送到各級指揮部門，能為決策指揮提供及時、準確的數(shù)據(jù)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(fā)射功率是決定干擾效果的主要因素，但這兩個參數(shù)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(zhàn)斗前線或后方的電磁頻譜。分布式干擾系統(tǒng)直接實現(xiàn)近距離干擾，能夠克服視場限制，獲得無線信道的優(yōu)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(tǒng)的分布式國防系統(tǒng)存在以下問題：不支持偵察信息交換，不能集成相關(guān)信息，對戰(zhàn)參數(shù)選擇不準確;戰(zhàn)術(shù)上的協(xié)調(diào)不便，不能動態(tài)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(jié)點與無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，是一種智能節(jié)點，通過信息融合可以更準確地確定目標節(jié)點的屬性和位置，更好地選擇對抗參數(shù)，可以讓相關(guān)人員隨時接受對抗命令并執(zhí)行對抗任務。

三、結(jié)論

隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，信息戰(zhàn)將成為未來戰(zhàn)斗行動的主要形式。信息戰(zhàn)的基本思想是將運用信息能量作為戰(zhàn)斗的主要手段，運用信息流控制、物質(zhì)流以及能量流，以提升武器的效力和士兵的戰(zhàn)斗力。這意味著整個戰(zhàn)斗系統(tǒng)可以通過準確捕捉信息而從有機轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機。如果把現(xiàn)有的武器系統(tǒng)比作人體的骨骼和肌肉，把指揮系統(tǒng)比作人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，那么傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點就是神經(jīng)末梢。隨著這一技術(shù)的進一步發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)、人工智能和微機電技術(shù)的結(jié)合將給未來戰(zhàn)場帶來巨大的變化。專注于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種自動戰(zhàn)斗武器可以成為戰(zhàn)場上的主體英雄，或者可以通過組合大量傳感器來實現(xiàn)大型智能戰(zhàn)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(xiàn)突破，將情感能力給予機器人，將對未來科技產(chǎn)生較大影響。綜上，傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的應用場景眾多，在軍事領(lǐng)域運用傳感器網(wǎng)絡(luò)，將帶來軍事技術(shù)領(lǐng)域的深遠變革。

參考文獻：

[1] 張先恩. 生物傳感;大健康;穿戴式;無創(chuàng)分析;活體測定;分子生物傳感;納米生物傳感;高時空分辨[J]. 中國科學院院刊，2017，32（12）：1271-1280.

[2] 李金偉. 面向LED智能照明與物聯(lián)網(wǎng)集成的數(shù)字驅(qū)動光組件研究初探[J]. 科學與財富，2017（21）：6.

[3] 薛斌，張向東，段立，等. 基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的普適性智能電表狀態(tài)實時評估方法[J]. 電力大數(shù)據(jù)，2019，22（11）：38-43.

[4] 呂淑芳. 基于RSSI和分步粒子群的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法的研究[D]. 山西：太原理工大學，2015.

[5] 徐力杰，楊庚，徐佳，等. 低占空比傳感網(wǎng)中面向自適應性能需求的高效廣播調(diào)度算法[J]. 計算機學報，2019.

[6] Sudip. Design and Implementation Analysis of a Public key Infrastructure-enabled Security Framework for ZigBee Sensor Networks[J]. International Journal of Commun-

ication Systems，2016.

[7] Mao， F.， et al. Designing Wireless Sensor Networks for Hydrological and Water Resource Applications：A Purpose-

oriented Approach[J]. Agu Fall Meeting AGU Fall Meeting Abstracts，2017.

[8] Misra， Sudip， et al. Design and Implementation Analysis of a Public key Infrastructure-enabled Security Framework for ZigBee Sensor networks[J]. International Journal of Communication Systems，2016：1992-2014.

（責任編輯：胡甜甜）