任志玲， 張廣全， 林 冬， 張鐘保， 趙 星

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)為隨著近距離、低功耗無線通信技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生，由一組傳感器節(jié)點在自組織的組網(wǎng)方式下構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，綜合了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、分布式信息系統(tǒng)技術(shù)、微電子技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和無線通信技術(shù)等多個學(xué)科[1]。WSNs由具有感知能力、計算能力以及通信能力的微型傳感器根據(jù)Ad-Hoc方式構(gòu)成,通過眾多節(jié)點間的分工協(xié)作，實時感知、監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域中的各種環(huán)境數(shù)據(jù)和被監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理，獲得準(zhǔn)確而詳盡的實時信息，最終傳送至用戶[2,3]。

由于WSNs為面向具體應(yīng)用型的網(wǎng)絡(luò)，在軍事、交通、醫(yī)療、環(huán)保、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、物流、家居等許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。許多中外學(xué)者對此進行了大量研究[4～10]。

本文綜述了WSNs的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)組成和主要特點，重點闡述了WSNs在各領(lǐng)域的主要應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀。

1 WSNs的體系結(jié)構(gòu)

WSNs系統(tǒng)由無線傳感器節(jié)點群、傳輸介質(zhì)、用戶端三部分組成。典型WSNs的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 WSNs體系結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點利用多跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式將需要發(fā)送的信息數(shù)據(jù)傳到用戶端，而節(jié)點主要通過人工處理以及飛行器散播等方式將節(jié)點布設(shè)于被檢測的區(qū)域內(nèi)，在感知區(qū)域內(nèi)，節(jié)點通常自主形成網(wǎng)絡(luò)，對目標(biāo)對象進行感知與監(jiān)測，進而向匯集節(jié)點傳播信息，以便將該區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至基站，基站通過與因特網(wǎng)或衛(wèi)星通信的有效結(jié)合，將信息傳送至用戶端。

2 WSNs的特點

與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)對比分析，WSNs具有集感知、處理、傳輸于一體，硬件資源有限，電源容量有限，無中心，自組織，多跳路由，動態(tài)拓?fù)?，?jié)點數(shù)量眾多，分布密集等特點，因此，在很多方面均具有廣闊的應(yīng)用價值。

3 WSNs的應(yīng)用

1)軍事領(lǐng)域應(yīng)用

WSNs的研究最早起源于軍事領(lǐng)域，戰(zhàn)場環(huán)境惡劣、瞬息萬變，致使收集敵軍情報具有一定的難度和危險性[11]。WSNs具有可快速部署、隱蔽性強、自組織和高容錯性的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對敵方地形、兵力布防以及裝備的偵察、實時監(jiān)視戰(zhàn)場形勢、準(zhǔn)確定位攻擊目標(biāo)、評估戰(zhàn)場、探測和偵察生化武器。此外，該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍火、士兵、裝備等方面可以進行準(zhǔn)確地敵我識別處理，避免出現(xiàn)誤傷情況。該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還可以對射擊目標(biāo)進行跟蹤，以便實現(xiàn)精確制導(dǎo)，準(zhǔn)確識別出是否存在核武器進攻，盡可能的減少損傷和死亡率。

2)環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用

為了對生態(tài)環(huán)境實施有效監(jiān)控，避免進一步的惡化，可將WSNs技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測中。無線傳感器技術(shù)可用于地理和氣象的研究、人為或自然的災(zāi)害、土壤空氣變化、家禽和牲畜的生存環(huán)境狀況監(jiān)測、大面積的地表檢測、跟蹤珍稀鳥類動物和昆蟲進行瀕危物種的研究等[12，13]。

3)醫(yī)療護理應(yīng)用

醫(yī)療護理領(lǐng)域中WSNs在遠(yuǎn)程健康監(jiān)控管理、看護、生活支持、重癥患者護理等方面的應(yīng)用比較廣泛[14]。利用WSNs設(shè)備，可以將信息收集于傳感器節(jié)點中，以便對患者的實際病情進行實時準(zhǔn)確的了解，并根據(jù)實際情況給予及時的應(yīng)急處理與救助。此外，通過WSNs可以幫助殘障人員實現(xiàn)生活自理，減輕醫(yī)護人員的工作負(fù)擔(dān)[15]。

4)建筑物狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用

利用WSNs監(jiān)控建筑物的安全狀態(tài)[16]。由于有些建筑物不斷修補，可能存在一些安全隱患，或許地殼偶爾的小震動不會帶來明顯的安全隱患，但可能會在大柱上產(chǎn)生潛在的裂痕，裂痕或許在下一次地殼震動中導(dǎo)致建筑物倒塌。傳統(tǒng)的檢測方法需將建筑物封閉數(shù)月，而采用WSNs使建筑物能自行檢測狀況，并將狀態(tài)信息傳遞給管理部門，以便按照隱患級別順序進行相應(yīng)的修復(fù)工作。

5)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用

通過此次對二灰碎石基層的施工質(zhì)量問題展開分析，得到二灰碎石基層的施工質(zhì)量主要受到原材料的質(zhì)量、配合比、施工工藝工序(拌合、攤鋪、碾壓)、養(yǎng)護等方面因素的影響，因此，在合理選擇材料的基礎(chǔ)上，應(yīng)該對施工工藝工序嚴(yán)格控制。同時施工現(xiàn)場對人員的管理也會間接影響二灰碎石基層的施工質(zhì)量，因此，同時還需對施工現(xiàn)場的人員展開科學(xué)的調(diào)配、責(zé)任到人，對加工機械工作效率、工作時間合理的安排，保證施工質(zhì)量。其次，加強監(jiān)督管理，只要科學(xué)的管理、良好的監(jiān)督，才能使二灰碎石基層的優(yōu)良性能發(fā)揮的名副其實，才能確保施工質(zhì)量達到最大化。

在大型農(nóng)田育苗和灌溉過程中，可以利用WSNs技術(shù)對農(nóng)業(yè)的研究進行有效控制，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)[17]。

6)空間探索應(yīng)用

在太空空間探索方面，通過借助于航天飛行器布撒的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實現(xiàn)對星球表面長時間的檢測，是一種經(jīng)濟并且可行的方案[18]?？臻g探索中特殊的環(huán)境也需要極高的自動化，因此，WSNs在空間探索方面具有很高的應(yīng)用價值。美國國家航空與航天局(NASA)的JPL(Jet Propulsion Laboratory)實驗室的“Sensor Web”計劃即為將來的火星探測進行技術(shù)準(zhǔn)備，并已在佛羅里達宇航中心的環(huán)境監(jiān)測項目中進行了測試和完善。

7)智能電網(wǎng)應(yīng)用

隨著電網(wǎng)智能化的快速發(fā)展，用戶對電力系統(tǒng)的要求也越來越高，未來電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展必須滿足不同用戶的多種需求，而且還要具備交互性和高安全性等特點[19,20]。WSNs技術(shù)是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，智能電網(wǎng)構(gòu)架中分布著輸電、變電、配電網(wǎng)絡(luò)，為了及時準(zhǔn)確地調(diào)整電力資源分配，以達到有效合理的利用電力資源的目的，必須及時對智能電網(wǎng)的電力參數(shù)進行感知，詳細(xì)了解電網(wǎng)運行狀態(tài)。利用WSNs對電力設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，能夠達到對電力故障的快速定位并及時排除故障的目的。

8)物流跟蹤應(yīng)用

9)智能家居應(yīng)用

智能家居的主要控制部分為由嵌入家具和家電中傳感器與執(zhí)行單元組成的無線網(wǎng)絡(luò)，WSNs智能控制空氣的溫度、濕度等，并檢查分析空氣成分，使住戶安心入住[22]。同時，智能家居中的WSNs可以根據(jù)住戶的要求合理地調(diào)整控制方案，加強緊急處理、危機救護等的急救控制，提供更加方便、舒適、具有人性化的智能家居環(huán)境，使控制更高效，便捷，還能為家庭的日常生活節(jié)約能耗，提高能源利用率。

10)其他應(yīng)用

WSNs可以用于核電站、石油和礦井生產(chǎn)的安全監(jiān)測。WSNs還可以用于監(jiān)測現(xiàn)場狀況、收集交通狀況、分析各種安全威脅等，并且在出現(xiàn)緊急突發(fā)情況時，WSNs可以為指揮中心提供重要的數(shù)據(jù)支持和信息參考作為制定應(yīng)急方案的依據(jù)。

4 發(fā)展趨勢

目前WSNs中的路由協(xié)議、MAC協(xié)議、拓?fù)淇刂?、定位技術(shù)、時間同步技術(shù)、安全技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、節(jié)能降耗等方面均已成為不斷改進和發(fā)展的熱點方向[23]。在工業(yè)4.0的大環(huán)境中，未來WSNs在各個方面會有更好的應(yīng)用和發(fā)展。

5 結(jié)束語

介紹了WSNs的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)組成和主要特點，闡述了WSNs在各領(lǐng)域的主要應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀。為進一步拓寬WSNs的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。在今后的WSNs的發(fā)展過程中，還需要對其技術(shù)與應(yīng)用進行細(xì)致研究，為WSNs的未來發(fā)展提供可靠保障。

[1] 崔 莉,鞠海玲,苗 勇,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進展[J].計算機研究與發(fā)展,2005,42(1):163-174.

[2] 李文鋒,符修文.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抗毀性[J].計算機學(xué)報,2015,38(3):625-647.

[3] Prateek Kumar,Priyanka Dayal.An efficient approach for relay node placement in wireless sensor networks[C]∥2015 International Conference on Soft Computing Techniques and Implementations(ICSCTI),2015:23-26.

[4] 李新慧,俞阿龍,潘 苗.基于CC2530的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(3):85-88.

[5] 黃 偉,宋良圖,武民民,等.面向農(nóng)業(yè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及相關(guān)問題[J].自動化與儀器儀表,2008(6):52-54.

[6] 龔鋼軍,孫 毅,蔡明明,等.面向智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與應(yīng)用方案研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2011,39(20):52-58.

[7] 馬寶羅,賈振紅,覃錫忠,等.改進免疫算法在無線網(wǎng)絡(luò)基站選址優(yōu)化中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(5):154-157.

[8] Vijula Grace K S,Kharim Silja,Sivasakthi P.Wireless sensor based control system in agriculture field[C]∥2015 Global Conference on Communication Technologies(GCCT),2015:823-828.

[9] 張豐偉,李英娜,彭慶軍,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力鐵塔山火監(jiān)測中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(9):158-160.

[10] 王陽光,尹項根,游大海.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智能電網(wǎng)的探討[J].電網(wǎng)技術(shù),2010,34(5):7-11.

[11] 胡曦明,董淑福,王曉東,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軍事應(yīng)用模式研究進展[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(3):1-3.

[12] 龔燕飛.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化與儀器儀表,2014(12):113-114.

[13] 楊樹森,周小佳,閻 斌.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2008,18(9):170-172.

[14] Gope P,Hwang T.BSN-care:A secure IoT-based modern healthcare system using body sensor network[J].IEEE Sensors Journal,2015,16(5):1.

[15] 馬碧春.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用展望[J].中國醫(yī)院管理,2006,26(10):73-74.

[16] Vo M T,Vo T T,Nghi T T,et al.Real time wireless sensor networks for building automation applications:A simulation study and practical implementation[C]∥International Conference on Control, Automation and Information Sciences,2013:2718-2725.

[17] 彭孝東,張鐵民,陳 瑜,等.無線傳感網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].農(nóng)機化研究,2011,33(8):245-248.

[18] Iovanovici A,Topirceanu A,Udrescu M,et al.Design space exploration for optimizing wireless sensor networks using social network analysis[C]∥Control and Computing,2014:815-820.

[19] 張 強,孫雨耕,楊 挺,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].中國電力,2010,43(6):31-36.

[20] 孫曉雅,李永倩,李 天.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(6):5-7.

[21] 張 濤,王成林.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在物流倉儲系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化,2016(1):148-152.

[22] Serna M A,Sreenan C J,Fedor S.A visual programming framework for wireless sensor networks in smart home application-s[C]∥IEEE Tenth International Conference on Intelligent Sensors,Sensor Networks and Information Processing,IEEE,2015:1-6.

[23] 尚興宏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].南京：南京理工大學(xué),2013.