武警工程大學信息工程系 楊文帥 趙宏旭

基于無線傳感器網(wǎng)絡的信息獲取技術(shù)

武警工程大學信息工程系 楊文帥 趙宏旭

當今時代，信息化、科技化迅猛發(fā)展，加速了無線傳感器網(wǎng)絡的誕生。如何利用無線傳感器網(wǎng)絡獲取到人們需要的信息已成為當今形勢下的熱點問題。本文重點論述了無線傳感網(wǎng)絡的發(fā)展及應用，介紹了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并論述了無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展前景及趨勢。

無線傳感器網(wǎng)絡；信息獲??；協(xié)議

1 引言

當今時代，自動化技術(shù)飛速發(fā)展，多種通信模式的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡化智能傳感器應運而生。并且隨著科技的進步與發(fā)展，人們在更廣泛的領域提出傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡化需求。無線傳感器網(wǎng)絡由于展開快速、抗毀能力強、監(jiān)測精度高、覆蓋區(qū)域大等特點在航天、工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等方面產(chǎn)生了廣闊的應用前景。由此，人們對無線傳感器網(wǎng)絡的研究逐步深入，成為當前信息領域的研究熱點。

本文主要論述了無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展及應用，介紹了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，最終論述了無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展前景及趨勢。

2 無線傳感器網(wǎng)絡簡介

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks）是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡所有者。無線傳感器網(wǎng)絡的平面拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡的平面拓撲結(jié)構(gòu)

該圖直觀而又形象的體現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡的構(gòu)成要素以及各部分之間的聯(lián)系，對該示圖說明如下。（1）monitoring area：監(jiān)測區(qū)域。即無線傳感器網(wǎng)絡所面向的工作對象。（2）Cluster：簇頭。簇內(nèi)節(jié)點先將數(shù)據(jù)傳給簇頭，簇頭將數(shù)據(jù)融合之后再轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳或直接轉(zhuǎn)發(fā)給基站。（3）Nodes：傳感器節(jié)點。部署在監(jiān)測區(qū)域，通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他節(jié)點逐跳進行無線傳輸，經(jīng)過多跳后達到匯聚節(jié)點。（4）Sink node:匯聚節(jié)點。是一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，負責無線網(wǎng)絡的組建，再將傳感器節(jié)點無線傳輸進來的信息與數(shù)據(jù)通過串行通信接口（SCI）傳送至服務器端PC。（5）Head in cluster:簇頭節(jié)點。（6）Internet:網(wǎng)絡。利用網(wǎng)關(guān)或IP節(jié)點，屏蔽下層無線傳感器網(wǎng)絡，向遠端的Internet用戶提供實時的信息服務，并且實現(xiàn)互操作。

當然,上圖所示僅為無線傳感器網(wǎng)絡的簡要示意圖，在真實的無線傳感器網(wǎng)絡中，通常有成百上千數(shù)量的節(jié)點。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國無線傳感器網(wǎng)絡研究的開展幾乎與國外同時起步。在國內(nèi)，無線傳感器網(wǎng)絡領域的進展非常迅速，已經(jīng)在很多研究所和高校廣泛展開。其研究的熱點包括：設計小型化的節(jié)點設備、開發(fā)適合傳感器節(jié)點的嵌入式實時操作系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及各層協(xié)議、時間同步機制與算法、傳感器節(jié)點的自身定位算法和以其為基礎的外部目標定位算法等。特別是進入21世紀后，對無線傳感器網(wǎng)絡的核心問題有了更加新穎的解決方案，但是這個領域總體來說屬于起步階段，目前還有很多問題亟待解決。

3.2 國外研究現(xiàn)狀

美國方面，美國從上世紀九十年代起，就對集成的無線傳感器、無線嵌入式系統(tǒng)等展開研究。直到今天，美國很多大學都已經(jīng)開展了無線傳感器網(wǎng)絡的研究。加州大學伯克利分校研制的傳感器系統(tǒng)Mica、Mica2、Mica2Dot已被廣泛地應用于低能耗無線傳感器網(wǎng)絡的研究和開發(fā)；麻省理工學院致力于基礎知識的信號與處理技術(shù)；哈佛大學研究無線傳感器網(wǎng)絡的通信基礎理論等等。在無線傳感器網(wǎng)絡巨大優(yōu)勢的吸引下，日本、英國、意大利等國家結(jié)合自身實際也陸續(xù)開展了該領域的研究工作。

4 無線傳感器網(wǎng)絡應用

4.1 無線傳感器網(wǎng)絡在工業(yè)中的應用

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡在工業(yè)中的應用屢見不鮮。人們大都利用無線傳感器網(wǎng)絡，達到了自己的目的，使得無線傳感器網(wǎng)絡在工業(yè)界能夠發(fā)揮優(yōu)勢。周琦在文獻[2]中提出了一種能夠監(jiān)測低溫乙烯傳輸過程溫度的無線傳感器網(wǎng)絡。此網(wǎng)絡的核心是在低溫乙烯傳輸線路中，選擇適當位置設置溫度監(jiān)測點，利用無線傳感器網(wǎng)絡的優(yōu)點很好的解決了低溫乙烯傳輸過程的技術(shù)難題。

4.2 無線傳感器網(wǎng)絡在農(nóng)業(yè)中的應用

隨著時代的發(fā)展以及科技的進步，“精準農(nóng)業(yè)”模式逐步成為一種被各國都普遍認可的模式。發(fā)展精準農(nóng)業(yè)，不僅有利于農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的提升，在水資源等較為緊缺的條件下，還可以最大限度地實現(xiàn)節(jié)水，使得每一滴水都發(fā)揮其應有的作用。此外，還可以解放勞動力，使人們更加輕松，便于人們的生活。

4.3 無線傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)療衛(wèi)生界的應用

在醫(yī)療衛(wèi)生界，由于癥狀較重的患者需要實時護理，如果這項工作由手工完成，則會形成“既占用人力資源，監(jiān)測結(jié)果還可能誤差較大”的局面。而無線傳感器網(wǎng)絡能夠發(fā)揮巨大作用，并且已經(jīng)得到了比較廣泛的應用。通過運用無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)裝備，可以將患者的各項指標進行獲取、收集，而這些精度較高的數(shù)據(jù)更有利于醫(yī)生對患者病情的全方位掌控。

4.4 無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測中的應用

目前，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，人民生活水平較之前有了質(zhì)的飛躍。但是，在我國經(jīng)濟發(fā)展的同時，生態(tài)環(huán)境遭受了破壞。習主席站在時代的高度，立足長遠，提出了“兩山理論”。實現(xiàn)在經(jīng)濟發(fā)展的同時又能做到保護環(huán)境，還得靠技術(shù)革新。

而無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)能夠在環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮作用，并且可以實現(xiàn)無人值守的長期工作。通過運用此技術(shù)，人們可以實現(xiàn)對江河湖泊、草原森林以及其它要點部位的無死角監(jiān)測，為環(huán)境保護提供數(shù)據(jù)支持且得到了有關(guān)部門的實踐。

5 無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展前景

無線傳感器網(wǎng)絡作為21世紀最重要的技術(shù)，其發(fā)展已經(jīng)得到了諸多國家相關(guān)部門的高度重視，傳感器網(wǎng)絡已逐步在各個領域得到應用，前景十分光明。不可否認，科技發(fā)展、永無止境。傳感器網(wǎng)絡在如下諸多方面存在不足，而人們針對這些不足之處所做的改進，必將成為無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展方向。

5.1 網(wǎng)絡更加安全

無線傳感器網(wǎng)絡可以被看做為一個集數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)葹橐惑w的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸，除了要盡可能保證數(shù)據(jù)準確到達信宿外，還要考慮傳輸過程中信道的安全性。對于接收者而言，自己獲取的信息一旦被截獲，將會產(chǎn)生惡劣的影響。因此，必須利用網(wǎng)絡安全技術(shù)，對傳輸過程的安全性進行保障。

5.2 成本更加低廉

為了發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡的優(yōu)點，使其對人類生活帶來更大便利，最好的方法是將其普及至各個行業(yè)。而就無線傳感器網(wǎng)絡而言，其網(wǎng)絡節(jié)點往往數(shù)量極大，這就使得其成本極高，不利于其實用化。通過采取措施，降低其成本，是推動傳感器網(wǎng)絡走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵點。以此看來，無線傳感器網(wǎng)絡成本的低廉化將成為其發(fā)展的又一方向。

5.3 電源耐久性與節(jié)能

對于某些工作于特殊環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡裝備，例如部署在極端條件下用于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡而言，由于其電源難以更換、節(jié)點能耗大等導致無線傳感器網(wǎng)絡使用期太短。未來一段時間，此問題仍是無線傳感器網(wǎng)絡的重點問題。一是尋找更加耐久的電源裝置，使得供電模塊能夠提供更大容量的能量；二是對節(jié)點進行改進，使節(jié)點更加節(jié)能。做好上述兩點，便可保證無線傳感器網(wǎng)絡在一定電量下工作的耐久性。

6 結(jié)語

通過分析，論述了其在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測方面的重大應用，并得出了三點無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展方向?？傮w而言，本文為無線傳感器網(wǎng)絡的研究提供了基本的資料及思路。本文在論述其發(fā)展前景之時，考慮稍有不足，實際中其發(fā)展前景不止此三點。更加深入分析無線傳感器網(wǎng)絡，更加系統(tǒng)的論述其發(fā)展前景，也將成為作者以后的研究方向。

[1]劉君華等.智能傳感器系統(tǒng)[M].西安:西安電子科技大學出版社,2010,5:372-375.

[2]周琦.無線傳感器網(wǎng)絡在工業(yè)控制領域的發(fā)展和應用[J].石油化工自動化,2010,3:51-54.

[3]裴芳,張杰.無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展及其在精準農(nóng)業(yè)方面的應用[J].計算機光盤與軟件應用，2012.3:8-9.

[4]呂九一,陳楠.無線傳感器網(wǎng)絡的應用與發(fā)展[J].科技廣場,2011,3:52-54.

[5]程文.無線傳感器網(wǎng)絡的研究現(xiàn)狀與應用[J].網(wǎng)絡與信息工程,2016,6: 90-91.

[6]李峰.無線傳感器網(wǎng)絡的特點與發(fā)展趨勢[J].建筑技術(shù)與應用,2011,8: 18-23.