鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 周 璇

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點及應(yīng)用探析

鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 周 璇

【摘要】本篇概述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的定義以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程，著重分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，探討了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】傳感器；節(jié)點；自組織；應(yīng)用

目前檢測技術(shù)領(lǐng)域的熱點之一——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks， WSN） ，是通過無線通信的方式組成一個多調(diào)的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器控制節(jié)點組成，其作用是在協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息并發(fā)送給觀察者，是隨著無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、片上系統(tǒng)（System on Chip， SoC）技術(shù)的發(fā)展，而出現(xiàn)的新型的綜合性技術(shù)。不同于一般的通信網(wǎng)絡(luò)，WSN的任務(wù)不是通信，而是要監(jiān)視周圍環(huán)境。具有感知、計算及通信能力的一群微小節(jié)點構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點設(shè)置在要監(jiān)視的區(qū)域中，采集指定的環(huán)境參數(shù)，如溫度、振動、化學(xué)濃度等，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點供分析。目前，傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究重點不在各種具體的技術(shù)，而是應(yīng)用。要尋找最適合它的應(yīng)用，并建立實際的應(yīng)用示范系統(tǒng)。因其在戰(zhàn)場感知、反恐、工業(yè)制造自動化、分布式機器人、環(huán)境監(jiān)測、建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)測、自然災(zāi)害預(yù)防、醫(yī)療保健、智能家居、航空管制、交通監(jiān)控、空間探索等眾多領(lǐng)域有著廣泛的潛在用途，正在成為世界各國科學(xué)家研究的一個熱點。

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展基本可以劃分為四個階段：

1、20世紀70年代，出現(xiàn)第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特點主要是采用點對點傳輸，實現(xiàn)的功能為簡單的信息獲取。

2、第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)于80年代面世，它能夠獲取并綜合傳輸多種信息，在網(wǎng)絡(luò)銜接上采用了串/并接口與傳感器的終端相連接。

3、90年代后期的第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)，終端開始了采用智能傳感器，網(wǎng)絡(luò)采用的是現(xiàn)場總線連接傳感器終端。

4、至今，人們開始大規(guī)模研究與開發(fā)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是其特征，第四代的傳感器網(wǎng)絡(luò)融入了無線通信、分布信息處理、智能傳感 、嵌入式計算機、DSP和等技術(shù)，能夠感知、監(jiān)測和獲取各種監(jiān)測對象的信息，它們傳送到信息處理中心后，進行分門別類的處理，這種全新網(wǎng)絡(luò)集合了信息獲取、處理與通信等技術(shù)。

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，有著明顯的優(yōu)越性，其特點如下：

1、易部署：由于節(jié)點通信的無線特性，使其能夠簡單快速部署在空間的各個位置，減少了布線等環(huán)節(jié)。

2、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大：由于傳感器網(wǎng)絡(luò)通常部署于地面，受地面障礙物、植被等干擾，無線通信的距離一般較短、通信干擾大、鏈路質(zhì)量差、傳輸速率低?？梢姡總€傳感器節(jié)點的能力（資源）是非常有限的，單個傳感器節(jié)點的作用很小，然而，如果將大量這樣的節(jié)點以合理的方式組成網(wǎng)絡(luò)，并且將它們的輸出有機地關(guān)聯(lián)與融合，則整個網(wǎng)絡(luò)可提供遠高于單個節(jié)點的強大功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為我們提供了大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的支持，以ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為例，它可以支持高達65000多個傳感器節(jié)點，以協(xié)同完成某一工作。

3、自組織性：部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目的是監(jiān)視現(xiàn)場物理環(huán)境，在其中獲得用戶感興趣的信息，因此我們關(guān)心的是從網(wǎng)絡(luò)中獲取的信息而不是網(wǎng)絡(luò)本身。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某一節(jié)點損壞斷開連接或者有新的節(jié)點需要加入時，整個傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具備自己重新組織或者調(diào)整節(jié)點間的邏輯連接的功能。

4、廉價性：由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目龐大，因此需要在單個節(jié)點降低節(jié)點的成本。而成本的控制除了必需的硬件設(shè)計成本之外就是節(jié)點工作時的能源控制。

5、可靠性：很多情況下，需要監(jiān)測的對象由于區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點數(shù)目巨大，人工 “干預(yù)”每一個節(jié)點非常困難，網(wǎng)絡(luò)的維護難度也很大，有時甚至不可維護。況且傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性和通信保密性也十分重要，必須避免監(jiān)測數(shù)據(jù)被盜取和獲取干擾的監(jiān)測信息。所以，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有必要的魯棒性和容錯性。

三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用探析

隨著后PC和泛計算時代的來臨， WSN集傳感、元線通信與網(wǎng)絡(luò)、嵌入式計算、MEMS、分布式信息處理與數(shù)據(jù)融合等技術(shù)于一體，將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，因其在戰(zhàn)場感知、反恐、工業(yè)制造自動化、分布式機器人、環(huán)境監(jiān)測、建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)測、自然災(zāi)害預(yù)防、醫(yī)療保健、智能家居、航空管制、交通監(jiān)控、空間探索等眾多領(lǐng)域有著廣泛的潛在用途，正在成為世界各國科學(xué)家研究的一個熱點。

WSN主要在以下幾個方面得到應(yīng)用：

1、軍事領(lǐng)域應(yīng)用：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)源于軍事應(yīng)用。WSN特有的無需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可迅速展開、抗毀性強等特點，是軍隊在敵對區(qū)域中獲取情報的重要技術(shù)手段，其可以方便地監(jiān)控我軍布防的陣地是否有敵軍入侵，監(jiān)控敵方陣地和敵軍活動情況的方式也較為隱密。現(xiàn)代戰(zhàn)爭的主要特點之一是信息戰(zhàn)，而有關(guān)戰(zhàn)爭信息的及時可靠地獲取，以及能否快速反應(yīng)對整個戰(zhàn)局的影響至關(guān)重要。所以說，借助于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，向指揮部門提供及時準(zhǔn)確的信息，在很大程度上將增強國防軍事實力。

2、生態(tài)環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測：生態(tài)環(huán)境得到越來越多人的關(guān)注，在一些較為邊遠或偏僻野外地區(qū)、自然保護區(qū)，無法采用固定或預(yù)設(shè)的有線網(wǎng)絡(luò)等設(shè)施，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來進行信號采集與處理將可以解決問題。再者，在遭受水災(zāi)、地震、強熱帶風(fēng)暴等自然災(zāi)害后，固定的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施（如有線通信網(wǎng)絡(luò)、基站等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、衛(wèi)星通信地球站、微波接力站等）可能遭到毀壞甚至無法繼續(xù)正常工作。在此情況下，就可以依靠無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來快速布設(shè)的自組織網(wǎng)絡(luò)，來完成信息的獲取與通信。

3、在精確農(nóng)業(yè)方面：傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要依靠人力監(jiān)測作物的生長狀況。采用WSN后可將農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化為以信息和軟件為主體工具的生產(chǎn)模式，通過遠程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集包括土壤濕度、酸堿度（pH值）、溫度、空氣濕度和二氧化碳濃度等作物生長相關(guān)的信息，然后通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)接脩舻挠嬎銠C中進行相應(yīng)的分析處理，以供農(nóng)業(yè)工作人員進行相應(yīng)的決策和參考，甚至可以和自動控制設(shè)備相連接在溫室大棚（蔬菜大棚）等高價值農(nóng)業(yè)產(chǎn)品中可以直接實現(xiàn)灌溉、通風(fēng)、調(diào)節(jié)二氧化碳濃度等操作。

4、大型設(shè)備的關(guān)鍵監(jiān)控：在一些大型設(shè)備中，為了掌握設(shè)備的運行情況，常常需要對一些關(guān)鍵部件的技術(shù)參數(shù)進行監(jiān)控。尤其不便于安裝有線裝置的情況下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就可以成為有效的監(jiān)控手段。

5、醫(yī)療保健方面：我們在遠程醫(yī)療時，在病人身上安裝一些用于檢測身體機能的傳感器節(jié)點，便可以將檢測得到的信息匯總后，通過網(wǎng)絡(luò)傳送給醫(yī)生，從而得到及時有效的處理。

6、智能交通管理：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能管理系統(tǒng)，不僅可以使汽車按照一定的速度行駛、前后車距自動保持一定的安全距離，而且還可以提供有關(guān)道路堵塞的最新信息，推薦最佳出行線路、提醒駕駛員避免交通事故等。

7．智能家居：消費和家庭自動化市場是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一個潛力巨大的應(yīng)用方向。智能家居可以把包括電視機、錄像機、電腦、兒童玩具、游戲機、門禁系統(tǒng)、照明設(shè)備等家用設(shè)備連成網(wǎng)絡(luò)，建立基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居環(huán)境，大大改善家居網(wǎng)絡(luò)的自動化和智能化水平，提升人們的居住環(huán)境和舒適度，特別是對兒童、老人和殘疾人，有更貼心的幫助。

參考文獻

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