無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )及應用研究

摘要：隨著(zhù)微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )得到迅速發(fā)展。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )能實(shí)時(shí)監測、感知、采集和處理各種監測對象信息，已經(jīng)成為了科學(xué)研究領(lǐng)域最前沿的課題之一。文章主要介紹了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的概念、結構、特點(diǎn)及其在一些領(lǐng)域的應用，并展望了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )未來(lái)發(fā)展。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)；傳感器節點(diǎn)；自組織；應用

微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，推動(dòng)了低成本、低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )WSN(Wireless Sensor Network)的發(fā)展。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )研究具有很廣泛的應用前景：軍事偵察、環(huán)境科學(xué)、醫療衛生、工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)應用等。傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究是很有必要的。這里主要介紹無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的概念、結構、特點(diǎn)，及在一些領(lǐng)域的應用情況，并對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )未來(lái)的發(fā)展情況進(jìn)行了展望。

1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一組傳感器以Ad hoc方式組成的有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，其目的是協(xié)作地感知、收集和處理傳感器網(wǎng)絡(luò )所覆蓋地理區域中感知對象的信息，并傳遞給觀(guān)察者。這種傳感器網(wǎng)絡(luò )集中了傳感器技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，能協(xié)作地感知、監測和收集各種環(huán)境下所感知對象的信息，通過(guò)對這些信息的協(xié)作式信息處理，獲得感知對象的準確信息，然后通過(guò)Ad hoc方式傳送給需要這些信息的用戶(hù)。

2 WSN的主要特點(diǎn)
作為一種新型網(wǎng)絡(luò )，相比傳統的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有如下特點(diǎn)：
1)大面積的空間分布 比如在軍事應用方面，可以將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )部署在戰場(chǎng)上跟蹤敵人的軍事行動(dòng)，智能化的終端可以被大量裝在宣傳品、子彈或炮彈殼中，在目標地點(diǎn)撤落下去，形成大面積的監視網(wǎng)絡(luò )。
2)能源受限制 網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)節點(diǎn)的電源是有限的，網(wǎng)絡(luò )大多工作在無(wú)人區或者對人體有傷害的惡劣環(huán)境中，幾乎不可能更換電源，這要求網(wǎng)絡(luò )功耗小，以延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的壽命。而且要盡最可能節省電源消耗。
3)網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)配置，自動(dòng)識別節點(diǎn) 包括自動(dòng)組網(wǎng)、對入網(wǎng)的終端進(jìn)行身份驗證泐止非法用戶(hù)入侵。相對于那些布置在預先指定地點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò )而言，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可以借鑒Ad hoc方式來(lái)配置，當然前提是要有一套合適的通信協(xié)議保證網(wǎng)絡(luò )在無(wú)人干預的情況下自動(dòng)運行。
4)網(wǎng)絡(luò )的自動(dòng)管理和高度協(xié)作性 在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，數據處理由節點(diǎn)自身完成，以數據為中心的特性是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的又一特點(diǎn)。每個(gè)節點(diǎn)僅知道自己鄰近節點(diǎn)的位置和標識，傳感器網(wǎng)絡(luò )通過(guò)相鄰節點(diǎn)之間的相互協(xié)作來(lái)進(jìn)行信號處理和通信，具有很強的協(xié)作性。
5)傳感器網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構變化快 傳感器網(wǎng)絡(luò )自身的特點(diǎn)使得傳感器網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構變化很快，這對網(wǎng)絡(luò )各種算法的有效性提出了挑戰。此外，如果節點(diǎn)具備移動(dòng)能力，也有可能帶來(lái)網(wǎng)絡(luò )的拓撲變化。

3 WSN節點(diǎn)的結構
傳感器節點(diǎn)一般由傳感、數據處理、無(wú)線(xiàn)通信和供電等4個(gè)模塊組成，如圖l所示。

傳感模塊包括傳感器和模數轉換模塊，負責檢測區域內信息的采集和數據轉換；數據處理模塊由嵌入式系統構成，包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統等，負責控制整個(gè)傳感器節點(diǎn)的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其他節點(diǎn)發(fā)來(lái)的數據：無(wú)線(xiàn)通信模塊由網(wǎng)絡(luò )、MAC、收發(fā)器等組成，負責與其他傳感器節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信、交換控制信息和收發(fā)采集數據：供電模塊為傳感器節點(diǎn)提供運行所需的能量，通常采用微型電池。

4 WSN的應用領(lǐng)域
1)軍事應用 WSN具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強和高容錯性的特點(diǎn)，因此非常適合在軍事上應用。利用WSN能夠實(shí)現對敵軍兵力和裝備的監控、戰場(chǎng)的實(shí)時(shí)監視、目標定位、戰場(chǎng)評估、核攻擊和生物化學(xué)攻擊的監測和搜索等功能。通過(guò)飛機或炮彈直接將傳感器節點(diǎn)播撒到敵方陣地，就能夠非常隱蔽且準確地收集戰場(chǎng)信息。
2)農業(yè)及環(huán)境應用 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的農業(yè)及環(huán)境應用包括：對影響農作物的環(huán)境條件的監控(精細農業(yè)監控)，對鳥(niǎo)類(lèi)、昆蟲(chóng)等小動(dòng)物運動(dòng)進(jìn)行追蹤，海洋、土壤、大氣成分的探測，森林防火監測，污染監控。降雨量監測，河水水位監測，洪水監測等。
3)醫療護理 隨著(zhù)室內網(wǎng)絡(luò )普遍化，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在醫療研究、護理領(lǐng)域也大展身手。主要的應用包括遠程健康管理、重癥病人或老齡人看護、生活支持設備、病理數據實(shí)時(shí)采集與管理、緊急救護等。
4)智能家居 智能家居系統的設計目標是將住宅中各種家居設備聯(lián)系起來(lái)，使它們能夠自動(dòng)運行，相互協(xié)作，為居住者提供盡可能多的便利和舒適。在家電和家具中嵌入傳感器節點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與Intemet連接在一起，將為人們提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環(huán)境。利用遠程監控系統，可完成對家電的遠程遙控。
5)智能交通應用 智能交通監測系統采用聲音、圖像、視頻、溫度、濕度等傳感器，節點(diǎn)部署于十字路口周?chē)?，部署于?chē)輛上的節點(diǎn)還包括GPS全球定位設備。匯聚節點(diǎn)可以安裝在路邊立柱、橫杠等交通設施上，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)可以集成在交叉路口的交通信號控制器內，專(zhuān)用傳感器終端節點(diǎn)可以填埋在路面下或者安裝在路邊，道路上的運動(dòng)車(chē)輛也可以安裝傳感器節點(diǎn)動(dòng)態(tài)加入傳感器網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)信號控制器的專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò )，將所采集到的數據發(fā)送到交管中心作進(jìn)一步處理。

5 結束語(yǔ)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )發(fā)展非常迅速，在世界許多國家的軍事、工業(yè)和學(xué)術(shù)領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注，已成為國際上無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )研究的熱點(diǎn)之一。從國外的研究現狀來(lái)看，大部分無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究仍處于理論研究和小規模試驗階段，距離實(shí)際應用尚存在一定距離。我國的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究仍處于起步階段。不論在理論研究還是商用領(lǐng)域，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究、開(kāi)發(fā)均存在巨大的空間，具有巨大的研究和應用前景。