孔　勇　李佳俊　喬曉瑜

摘要:以數(shù)據(jù)為中心的面向應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新型網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)決定了在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用很大機(jī)會(huì)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特別適用于設(shè)備成本較低、傳輸數(shù)據(jù)量較少、使用電池供電并且要求工作時(shí)間較長(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合。隨著關(guān)鍵問題的不斷解決,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)未來社會(huì)進(jìn)步將發(fā)揮巨大的作用。

關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò);傳感器節(jié)點(diǎn);應(yīng)用;低功耗

Abstract: Wireless sensor network (WSN) is a new data-centric and application-oriented network. Its characteristics bring plenty of application occasions in military and civil field. WSN is especially suitable to low cost equipment, less data transmission, battery-powered and long life cycle applications. With approaches of some key problems solving, it is playing an important role in the future social progress.

Key words: wireless sensor network; sensor node; applications; low power

從21世紀(jì)開始,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)引起了世界各國(guó)軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域,綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等。它是由部署在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息,并發(fā)送給觀察者。傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊以及傳感器模塊等功能單元。這些功能單元使得傳感器節(jié)點(diǎn)可以自發(fā)合作,從而組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集者和路由器[1-2]。

WSN和Ad hoc有相似之處,但同時(shí)也存在很大的差別。

無線自組網(wǎng)是一個(gè)由幾十到上百個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的、采用無線通信方式的、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的多跳的移動(dòng)性對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。其目的是通過動(dòng)態(tài)路由和移動(dòng)管理技術(shù)傳輸具有服務(wù)質(zhì)量要求的多媒體信息流,通常節(jié)點(diǎn)具有持續(xù)的能量供給[3]。

傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測(cè)、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),節(jié)點(diǎn)數(shù)目更為龐大,節(jié)點(diǎn)分布更為密集;由于環(huán)境影響和能量耗盡,節(jié)點(diǎn)更容易出現(xiàn)故障;環(huán)境干擾和節(jié)點(diǎn)故障亦造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化;通常情況下大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)是固定不動(dòng)的。另外,傳感器節(jié)點(diǎn)具有的能量、處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力等都十分有限。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供高服務(wù)質(zhì)量和高效帶寬利用,其次才考慮節(jié)約能源;因而傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是能源的高效利用,這也是傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最重要的區(qū)別之一。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究采用系統(tǒng)發(fā)展模式,融合了現(xiàn)代先進(jìn)的微電子技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)、系統(tǒng)芯片(SoC)設(shè)計(jì)技術(shù)、納米材料與技術(shù)、現(xiàn)代信息通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等,廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境、家庭等領(lǐng)域,必將成為未來信息傳輸中不可缺少的一部分[4-6]。

1 WSN的結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的基于任務(wù)的平臺(tái),其必不可少的3要素是傳感器、感知對(duì)象和觀察者。

傳感器對(duì)感知對(duì)象進(jìn)行感知,然后將感知結(jié)果發(fā)送給觀察者,如圖1所示。

從功能實(shí)現(xiàn)角度分析,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由嵌入式設(shè)備、傳感器和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。嵌入式設(shè)備作為分布式監(jiān)控和通信的載體;傳感器測(cè)試大千世界的信息,轉(zhuǎn)換為可操作信號(hào);網(wǎng)絡(luò)作為所有設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng),相互協(xié)作,完成復(fù)雜的任務(wù)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指在環(huán)境中布置的傳感器節(jié)點(diǎn)以無線通信的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)傳感區(qū)域內(nèi)部或附近,能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。

傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸,在傳輸過程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理,經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn),最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)作為控制中心,對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理,發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)供用戶瀏覽和處理。

2 WSN在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速布置、自組織性和容錯(cuò)能力使其不會(huì)因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)在惡意攻擊中的損壞而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰,快速布置、自組織和容錯(cuò)能力等特性使他們非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中,包括監(jiān)控我軍兵力,裝備和物資,監(jiān)視沖突區(qū),偵察敵方地形和布防、定位攻擊目標(biāo),評(píng)估損失,偵察和探測(cè)核、生物和化學(xué)攻擊[5]等軍事用途,受到了軍事發(fā)達(dá)國(guó)家的普遍重視。同時(shí),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)等很多民用領(lǐng)域也都擁有十分廣闊的應(yīng)用前景。特別適用于那些設(shè)備成本較低,傳輸數(shù)據(jù)量較少,使用電池供電并且要求工作時(shí)間較長(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合。

2.1 空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站的應(yīng)用

由于人們生活水平的提高,環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng),對(duì)環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)越來越受到當(dāng)今社會(huì)的重視?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測(cè)是環(huán)境監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要組成部分,監(jiān)測(cè)項(xiàng)目也由原來簡(jiǎn)單的SO2、NOx的監(jiān)測(cè)增加了很多,如CO、O3以及空氣中有毒有害的有機(jī)物等。但是,空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)一直受到設(shè)計(jì)成本昂貴、維護(hù)復(fù)雜、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性差以及監(jiān)測(cè)范圍的擴(kuò)大等因素的困擾。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)成本低、功耗小,適用于多個(gè)區(qū)域的多點(diǎn)檢測(cè),正適合于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)實(shí)施,由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般遠(yuǎn)離監(jiān)控中心,針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳輸距離短的缺點(diǎn),利用現(xiàn)有的通用分組無線電業(yè)務(wù)(GPRS)網(wǎng)絡(luò),發(fā)揮其覆蓋面廣的優(yōu)點(diǎn),使之遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸成為可能[7]。

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、空氣質(zhì)量傳感器(檢測(cè)SO2,NOx等)以及A/D轉(zhuǎn)換、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、GPRS模塊、微處理器等組成。監(jiān)測(cè)區(qū)域所部署的傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)每點(diǎn)的數(shù)據(jù),然后數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐級(jí)進(jìn)行傳輸,在傳輸過程中監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理,經(jīng)過多跳后匯集到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò),具有部署簡(jiǎn)單、便宜、無需派人現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。在環(huán)境方面的應(yīng)用包括:監(jiān)測(cè)大面積的海洋、森林、氣象和地理研究;監(jiān)測(cè)牲畜、家禽的環(huán)境狀況;監(jiān)控動(dòng)物棲息地等。

2.2 遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

隨著社會(huì)老齡化的加劇,解決長(zhǎng)期慢性病的監(jiān)護(hù)成為重要的社會(huì)問題。一些突發(fā)性疾病和家庭保健,如心血管疾病、老人的日常護(hù)理、孕婦、胎兒、嬰兒、幼兒的保健也需要長(zhǎng)期的家庭監(jiān)護(hù)。由于中國(guó)醫(yī)療資源緊缺,基于公用網(wǎng)絡(luò)的家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù),建立小區(qū)醫(yī)療網(wǎng)絡(luò),可以提高醫(yī)療服務(wù)水平,減輕病人負(fù)擔(dān)。

在人體身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點(diǎn),如心率和血壓監(jiān)測(cè)設(shè)備,利用傳感器網(wǎng)絡(luò),醫(yī)生就可以隨時(shí)了解被監(jiān)護(hù)者的情況,進(jìn)行病情的及時(shí)處理[8]。還可以利用傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)間地收集人的生理數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)在研制新藥品的過程中是非常有用的,而安裝在被監(jiān)測(cè)對(duì)象身上的微型傳感器也不會(huì)給人的正常生活帶來太多的不便。此外,在藥物管理等諸多方面,它也有新穎而獨(dú)特的應(yīng)用。人工視網(wǎng)膜是一項(xiàng)生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用項(xiàng)目。在SSIM計(jì)劃中,替代視網(wǎng)膜的芯片由100個(gè)微型傳感器組成,并植入人眼,目的是使得失明者或者視力極差者能夠回復(fù)到一個(gè)可以接受的視力水平。傳感器的無線通信滿足反饋控制的需要,有利于人們對(duì)圖像的識(shí)別和確認(rèn)。