基于網絡技術的無線傳感器應用分析

張誠，藺國民

（西京學院 機械工程學院，陜西 西安 710123）

0 引 言

無線傳感器網絡技術已成為當今最具影響的技術之一，其應用涉及軍事、醫療、工業、農業、環境等領域。無線傳感器本身具有耗電少、價格低、耐受能力強等優點，利用無線網絡技術形成的自組織網絡，實現了數據的采集、處理、傳輸等功能，推動了新型科技的研發與建立。因此，基于網絡技術的無線傳感器更加成熟穩定，將在各領域得到廣泛應用。

1 WSN 的組成與工作原理

無線傳感器網絡技術是由若干個傳感節點分散在不同的監測區域中，節點利用無線通信技術，創建一個多跳的自組織網絡體系，將收集到的信息進行處理并展示在監測區域中，以對其進行針對性處理的技術。WSN 包括大量的匯聚節點、傳感節點、管理節點等，以一種相對獨特且跳躍的形式把數據上傳到傳感器節點中，節點采集到需要監測的數據，這些數據是由大量的節點收集與傳遞而成的，利用具有感知、計算與通信能力的智能物體獲取信息。若發現相關節點，則會憑借著自身的結構功能將其上傳到信息中心，信息中心對相關數據進行處理。一般來看，將傳感器節點看成微小系統，這一類傳感器節點通常會分散在監控地域的不同區域，形成一個網絡集合。傳感器節點功能相同，類似于路由器與終端的功能，傳感器節點需要在監測感應區域收集與處理數據，在四周節點發送相關數據的同時，可進行數據的轉發、存儲、融合等，對具備特殊功能的任務，則需要通過若干個節點協同處理形成匯聚節點，匯聚節點能將信息輸送到傳感器節點，然后連接到傳輸網絡，通過傳輸網絡完成傳感器與管理節點之間的信息傳輸，達到高效傳遞數據的目的。管理節點具有后臺監測的功能，主要以PC 平臺為介質，在外部網絡發揮中介功能的情況下，能夠對協議棧之間的信息進行監測與傳遞，也可對其他節點收集到的信息或數據等進行探測與傳遞，在理想界面配置的基礎上對傳感器中所有運行狀態實施管理，提高其運行效率，達到最理想的效果，最終將收集到的信息傳遞給用戶。WSN 框架如圖1所示。

圖1 WSN 框架

2 無線傳感器網絡技術的實際應用

WSN 具有應用廣、動態性、可靠性、多跳路由等優點，因此無線傳感器廣泛地應用于軍事、醫學健康、減災環保、農業、智能家居等領域，本文就無線網絡技術在以上實際應用進行分析，最大化挖掘其潛能。

2.1 在軍事領域的應用

無線傳感器網絡技術具有隱蔽性強、精確定位、自組織以及準確性高，是現代軍事領域中最具有發展前景的新型技術。利用這項技術有利于提升獲取信息的主動權，有利于促進國防安全，是21世紀國防科技的核心技術。正因為WSN獨特的優點，適合在戰場上進行目標識別、目標定位、目標跟蹤，發揮精準的定位功能，對某一個相對位置進行功能界定，能夠通過傳感器所收集到的數據來精準評測敵人的方位，定位精度可達5 m，位延遲達2 s，該技術有力地推動了我國軍事技術的發展。

目標定位常用方法有RSSI、TOA、TDOA、AOA、質心算法、DV-hop 算法等，相比之下，RSSI 技術所用的是RF 信號，且節點自身就有無線通信的優勢，故而詳細闡述RSSI 技術。

RSSI 技術接收信號強度與距離的關系：

式中為接收信號強度（單位dBm），為參考信號強度，為參考信號強度對應的傳輸距離（單位m），為物體的實際距離，為路徑損耗指數。一般來說（=1 m），則式（1）優化為：

計算可得：

實際測量中存在噪聲干擾，則將式（1）修正為：

式中為測量噪聲，Δ為非視環境下的路徑指數。計算得出：

長期以來，航空研究是人類一直堅持的一個夢想，而無線傳感器網絡技術在航空領域具有重大突破，飛機表面與內部安裝大量的雷達系統和多種傳感器，這些設備存在電磁干擾和信號干擾，因此很多雜諧波信號不可避免，這樣就會一定程度導致飛機設備的有效信號和雜諧波信號出現交叉混亂現象。在高空中存在暴雨、雷電、大霧等不可控的氣候環境影響因素，尤其是在復雜電磁環境，受磁場影響較大，易使機載設備信號失真，嚴重時威脅人員的生命安全。WSN 可在復雜環境因素和電磁環境中持續穩定的傳輸，以保證飛機安全。另外，利用太空飛行器能很好地創設傳感器網絡節點，進行長期監測，具有較強的可行性。我國明確規定民航飛機在同一高度面上飛行間隔不得小于20 km，本文設置了9 900 m、10 500 m、12 000 m 三種不同高度的飛機位置，對滿足條件的飛機進行篩選，飛機三維分布圖如圖2所示。對該技術的使用具有代表性的是美國Gogo 公司，在美國擁有超過100 個基站。Gogo 公司使用的ATG 網絡是蜂窩無線網絡，使用的系統為ATG-4，是在原本ATG 系統的基礎上的改版，下載總流量由3.1 Mbit/s 提升到9.8 Mbit/s，定位則十分精確。可見，傳感器網絡技術在其中發揮的作用非常重要。

圖2 飛機三維分布圖

2.2 在醫學健康領域的應用

無線傳感器具有連續監測，快速采集信息，及時將信息通過互聯網傳遞給用戶的優勢，將該技術運用在醫學領域中，可用于疾病診斷、健康監測、身體檢測等方面。能夠對身體功能進行檢測，借助計算機進行病情分析、診斷病情并給出治療方案。不僅能對患者的身體功能進行檢測，也能夠對運動員的身體健康情況進行評測，比如用傳感器能夠檢測呼吸頻率、心跳頻率等，依此來綜合判斷運動員的身體素質，網絡技術在醫療上的應用如圖3所示。在2020年1月31日，華為與中國電信聯手完成了武漢火神山首個“遠程會診平臺”的網絡調試與鋪設，遠程醫療能夠極大提升會診效率，又可以有效減少醫護人員的數量，并降低了交叉感染的風險。將該技術運用于疫情防控中，取得了顯著的成效，該技術催生出遠程實時會診、無線監護、遠程機器人檢查等新的應用場景，極大地改變了未來的就醫形式。浙江省自然科學基金項目上明確指出在無線傳感器網絡技術的基礎上，實現了一種DPMCA 算法，可有效解決LEACH 算法在醫學中出現的精度低、動態性差、數據丟包的一系列難題，網絡存活率也提高3 倍左右，從而提高了數據傳輸的可靠性。因此，在醫學事業發展中，無線傳感器網絡技術發揮著至關重要的作用。

圖3 網絡技術在醫療上的應用

2.3 在減災環保領域中的應用

目前世界各國自然災害頻繁且危害巨大，各國都希望能夠研發出一個精準的預警系統，其中無線傳感器在這一類設備應用非常顯著，能夠在地震災害中對一些求救信號進行精準捕捉，也能夠對山體滑坡、泥石流、火山等進行提前預警，從而達到減災的作用。

無線傳感器網絡技術具備較強的穩定性與安全性，能夠突破傳統監測技術的限制，真正滿足工業環境監測需求，并且整個操作過程簡潔方便。工業環境監測必須要覆蓋到整個生態環境系統中，像空氣、水、放射性物質、電磁輻射等日常環境監測以及一些比較特殊的環境監測任務像沙漠、高山等具有放射源的功能性監測，以上環境具備較強的特殊性，對傳感器的綜合性能要求非常高。華為工廠在環境監測方面做得比較好，潔凈室共兩層，總高度12 m，每層面積500 m×500 m，共設置30 個TVOC 無線氣體傳感器，通過網絡技術將采集到的數據上傳到傳感器模塊中進行數據分析，最后在上機位上顯示。無線傳感器環境監測系統如圖4所示。

圖4 無線傳感器環境監測系統

2.4 在農業領域中的應用

無線傳感器網絡技術具有高效性、穩定性、智能性等特點，這讓WSN 特別適用于農業監測與管控。深圳清華研究院早年就應用該項技術監測農業大棚，分別在4 間溫室大棚中，設置距離監控PC 較遠的觸摸屏和顯示相關監控數據的LED 屏，觀察每間大棚的土壤濕度、光照強度與二氧化碳濃度等成分，該項技術為我國農業發展帶來顯著的成果。在農業領域提出LoRa 遠程溫室監測系統，克服了傳統溫室監測網絡覆蓋面積小、成本高、安裝復雜等問題。在測試中，將LoRa 網關置于溫室大棚外，LoRa 采集節點置于大棚內，通過移動LoRa 網關測試距離，距離選擇1.5 km 內，傳輸速率1.3 kbps，天線增益3 dB，發射功率13 dBm，在同一測量距離發射800 個數據包，且數據包大小都為9 字節，最后得出丟包率與距離之間的關系如圖5所示。在距離小于1 km 時，網絡丟包率小于10%，在400 m 以下丟包率為0，能夠實現精確且遠距離數據采集。

圖5 傳輸距離和丟包率

3 發展前景及應用趨勢

目前在各個行業的研究中，關于傳感器網絡技術的應用已成為一個重要課題，研究重點在探討傳感器節點、低功耗設計等研究領域。英國倫敦大學、美國芝加哥大學、哈佛大學等相繼在傳感器網絡技術研發方面開展了深入性、長期性地研究，且獲得了斐然的成績。我國則是借助無線傳感器網絡技術，來分析身體健康及各類自然災難的預警。整體來看，無線傳感器網絡技術未來的發展趨勢有以下5 個方面。

（1）節點微型化。如果能夠將無線傳感器的體積變得更加微小，并逐步增強其耐用性，則是現今大部分學者需要思考及攻克的一個重要難關。芝加哥大學在研發塵埃傳感器的過程中，則在這方面得到明顯地突破，設計出一個能夠自動飄浮在空氣中的無線傳感器，能夠將空氣中與環境相關的一些數據精準地收集起來，并對其進行分析。

（2）系統節能化。長期以來，節能減排、綠色低碳是世界各國遵循環保事業發展的一個重要原則。但是在無線傳感器網絡技術的應用過程中，一般需要耗用一定功率的能源方可達到相關目的，對此，該如何最大化地降低其功耗，則是目前各國實驗技術人員需要解決與攻克的一個重要難關。

（3）成本低廉化。設計一個新技術或新產品的過程中，通常需要借助若干個節點協調、傳遞與處理。但對于大量的傳感器節點來說，投入成本更高，可確保其狀態能夠正常運行。成本對促進無線傳感器網絡技術的廣泛應用發揮著非常重要的積極作用，低成本投入必將大力促進相關產業的可持續發展。

（4）信息安全化。目前由于網絡信息技術不斷發展，整個社會面臨著信息公開化的新變化。在處理傳感器信息之后，對其實施加密管理非常重要，否則會帶來安全隱患，導致一些重要信息泄漏。另外，對于傳感器的信息整合而言，整個過程中需要避免其他外界信號的干擾，方可避免其轉化成不精準的信息，這也是未來發展重要研究方向之一。

（5）節點智能化。節點的智能化配置是目前一個重要研究課題，其目的是如何將大量節點設計成一個網絡，同時使其遵循特定的運行規律。當其中一個節點出現故障或異常，能夠第一時間發現，然后通過其他節點取代，以確保整個網絡系統的正常運行，避免微小的故障而對整個系統造成不利影響。

4 結 論

基于網絡技術的無線傳感器規模大、應用廣、可動態變化，可實現數據的完整性、新鮮性、機密性，因此在各行各業都擁有廣闊的前景。但是對于這一技術的應用來說，信息的安全性、穩定性要求是非常苛刻的，必須要提供一個具備良好人機互動界面的WSN 監控平臺。本文主要討論了WSN的組成特點和目前的應用領域，無線網絡技術正朝著高精度、低功耗、小型化、智能化、數字化方向發展。相關的關鍵技術也會隨著應用領域的不同而有所差別，這些技術也是未來工程師和技術人員需要努力的方向。