吳秋璇,尹彥丹,付鴻川（重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,重慶 400065）

無(wú)線傳感器發(fā)展現(xiàn)狀及通過(guò)其在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用觀察到的特點(diǎn)與不足

吳秋璇,尹彥丹,付鴻川
（重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,重慶 400065）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN)是一種集成多方面技術(shù)為一體的新型智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),其具有大規(guī)模。自組織等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)控、軍事、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域，已然成為了當(dāng)下通信方面研究的熱點(diǎn)。但隨著研究及應(yīng)用的深入，其固有的問(wèn)題也暴露出來(lái)，亟待解決。本文立足于WSN發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域，選取無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用為例，提出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特點(diǎn)與不足。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)；定位技術(shù)；信息安全

0　引言

近年來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)吸引了學(xué)術(shù)界以及政府的眼球，已經(jīng)逐步成為在國(guó)防軍事、智能家居、建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)控等領(lǐng)域中最有競(jìng)爭(zhēng)力的應(yīng)用技術(shù)之一。

1　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀

90年代末，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS)、片上系統(tǒng)(SystemonChip,SoC)、無(wú)線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟普遍認(rèn)為，WSN的發(fā)展歷程分為以下三個(gè)階段：傳感器→無(wú)線傳感器→無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（大量微型、低成本、低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)）。自其誕生以來(lái)，可謂發(fā)展迅猛。該技術(shù)得到學(xué)術(shù)界、工業(yè)界乃至政府的廣泛關(guān)注。近幾年來(lái)，大量的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開(kāi)始投入到各個(gè)領(lǐng)域中進(jìn)行使用。因其可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理、分析的特點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)、軍事、智能農(nóng)業(yè)、文物保護(hù)、醫(yī)療護(hù)理以及空間探索等領(lǐng)域都有著潛在和廣泛的需求。

2　無(wú)線傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注程度越來(lái)越高，越來(lái)越多的專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)始對(duì)環(huán)境進(jìn)行研究，這意味著需要采集大量的環(huán)境數(shù)據(jù)，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，它可以跟蹤過(guò)昆蟲(chóng)和候鳥(niǎo)的遷徙；可以檢測(cè)海洋、大氣的成分，研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響；還可以檢測(cè)農(nóng)作物中的害蟲(chóng)，調(diào)查施肥情況。

2.1優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)

（1）優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)手段相比較，WSN對(duì)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)有著以下的幾項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：一，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組性，如同通過(guò)飛機(jī)播散傳感器至廣袤的原始森林，節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)知，節(jié)點(diǎn)間相鄰關(guān)系的不能預(yù)先設(shè)定，提供了快速部署網(wǎng)絡(luò)的可能；二，無(wú)線傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳送，可以在不增加功耗和成本的前提下將系統(tǒng)的性能提高一倍；三，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以部署惡劣的環(huán)境中或者在人類(lèi)不宜到達(dá)的區(qū)域，使得數(shù)據(jù)采集變得簡(jiǎn)單。

（2）特點(diǎn)。利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)及保護(hù)具有以下特點(diǎn)：1）監(jiān)測(cè)過(guò)程中，需要較大范圍安置傳感器以獲得大量的信息。2）鑒于無(wú)線傳感器的特性，在監(jiān)測(cè)的整體進(jìn)程中，無(wú)須鋪設(shè)大量電纜，系統(tǒng)運(yùn)行的費(fèi)用較低，且系統(tǒng)更新迅速。3）無(wú)線傳感器與計(jì)算機(jī)技術(shù)密不可分，因此無(wú)線傳感器中的節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，能夠?qū)⒋罅繑?shù)據(jù)儲(chǔ)存到后臺(tái)，方便研究人員進(jìn)行調(diào)用分析。4）鑒于無(wú)線傳感器的特性三，使得其能在無(wú)人環(huán)境、環(huán)境惡劣或遠(yuǎn)距離情況下采集和傳送信息，代替人力進(jìn)行操作，減少了人類(lèi)工作的工程量以及危險(xiǎn)性，從而在一定程度上保證系統(tǒng)工業(yè)級(jí)品質(zhì)安全可靠。5）在一些特定情況下，一些生物群種，如高原上的野生藏羚羊，對(duì)于外來(lái)因素非常敏感，因此人類(lèi)如果直接進(jìn)行人為的生態(tài)環(huán)境監(jiān)控反而對(duì)藏羚羊造成干擾，從而會(huì)破壞環(huán)境的完整性，影響種群的習(xí)性和分布，導(dǎo)致結(jié)果不夠準(zhǔn)確。但無(wú)線傳感器無(wú)生命體征，可以減少對(duì)生物物種的影響。

3　無(wú)線傳感器還面臨的問(wèn)題

無(wú)線傳感器有著極好的應(yīng)用前景，但是不得不提出的是，在其正常運(yùn)行并大量投入使用的前景之下，還面臨著如下一些問(wèn)題：（1）電源能量有限。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用電池供電，但是在很多工作環(huán)境下，如高溫、高壓或需要長(zhǎng)期工作的野外，當(dāng)然不能頻繁更換電池或者頻繁充電。因此，能量的如何持久補(bǔ)充或許是無(wú)線傳感器下一個(gè)待突破的瓶頸。（2）通信能力有限。在無(wú)線傳感器中，傳感器的節(jié)點(diǎn)的通信帶寬窄且變化頻繁，且通信半徑較短。在頻繁通信時(shí)，節(jié)點(diǎn)極易發(fā)生故障。在復(fù)雜的工作強(qiáng)度之下，傳感器會(huì)受到山石滾落、建筑物遮蔽等地形、外界因素及天氣因素的影響，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步失效。而節(jié)點(diǎn)的離線工作，將使得傳感器的通信能力大大降低，（3）計(jì)算能力有限。人類(lèi)應(yīng)用無(wú)線傳感器的最終目標(biāo)是對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和收集，研究人員期待通過(guò)無(wú)線傳感器收集大量的信息進(jìn)行研究。但是，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)中的設(shè)備處理能力和容量有限，使得采集到的大量信息并不能全部被完好保存，因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被有效應(yīng)用的重要前提便是如何研發(fā)并且使用大量具有有限計(jì)算能力和儲(chǔ)存能力的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作分布式信息處理。（4）安全管理存在問(wèn)題。一，無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力不高，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間難以建立關(guān)系。二。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于無(wú)線信道的時(shí)變性和節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)成員及其各成員之間的信任關(guān)系處于動(dòng)態(tài)變化之中，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的泄露便會(huì)危害整體網(wǎng)絡(luò)的安全。

4　展望

當(dāng)下而言，WSN是一種全新的信息獲取平臺(tái)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)各種檢測(cè)對(duì)象的信息，被譽(yù)21世紀(jì)最具影響的21項(xiàng)技術(shù)之一，為人類(lèi)未來(lái)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)的第一名。這讓我聯(lián)想到物聯(lián)網(wǎng)體系的感知層與網(wǎng)絡(luò)層，乍一想，這不就是物聯(lián)網(wǎng)感知層與網(wǎng)絡(luò)層的整體解決方案么？美國(guó)《商業(yè)周刊》與MIT技術(shù)評(píng)論分別將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為改變世界的10大技術(shù)之一。了解于此，內(nèi)心燃起了一團(tuán)火焰，因?yàn)橛X(jué)得這個(gè)將成為我們將以時(shí)代推動(dòng)者的身份參與到人類(lèi)21世紀(jì)的建設(shè)中。

[1]孫利民，李建中，陳渝，朱紅松.無(wú)線網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華出版社.2005:5-27.

[2]姚向華.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用[M].高等教育出版社,2012:4-27.

[3]盧崇，馬建倉(cāng)，王吉福.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的研究與實(shí)現(xiàn)[Z].中國(guó)電子網(wǎng)，2011.11-24.

[4]王出航,胡黃水.計(jì)算機(jī)應(yīng)用維護(hù)[Z].知網(wǎng)，2013.30(02).

[5]王學(xué).無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[D].山東師范大學(xué),2011.

[6]錢(qián)春麗，張興敢.用于礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].電子技術(shù)應(yīng)用，2006(09).