無線傳感器網絡在國民經濟中的應用

孔　勇　李佳俊　喬曉瑜

摘要:以數據為中心的面向應用的無線傳感器網絡是一種新型網絡。其網絡的特點決定了在軍事和民用領域的應用很大機會。無線傳感器網絡特別適用于設備成本較低、傳輸數據量較少、使用電池供電并且要求工作時間較長的應用場合。隨著關鍵問題的不斷解決,無線傳感器網絡對未來社會進步將發(fā)揮巨大的作用。

關鍵詞:無線傳感器網絡;傳感器節(jié)點;應用;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世紀開始,無線傳感器網絡(WSN)引起了世界各國軍事部門、工業(yè)界和學術界的極大關注。無線傳感器網絡是由多學科高度交叉的新興前沿研究熱點領域,綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等。它是由部署在監(jiān)控區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成,通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統(tǒng),其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息,并發(fā)送給觀察者。傳感器節(jié)點具有數據處理模塊、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)點可以自發(fā)合作,從而組成一個網絡。每一個傳感器節(jié)點都是一個獨立的數據采集者和路由器[1-2]。

WSN和Ad hoc有相似之處,但同時也存在很大的差別。

無線自組網是一個由幾十到上百個節(jié)點組成的、采用無線通信方式的、動態(tài)組網的多跳的移動性對等網絡。其目的是通過動態(tài)路由和移動管理技術傳輸具有服務質量要求的多媒體信息流,通常節(jié)點具有持續(xù)的能量供給[3]。

傳感器網絡是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網絡系統(tǒng),節(jié)點數目更為龐大,節(jié)點分布更為密集;由于環(huán)境影響和能量耗盡,節(jié)點更容易出現(xiàn)故障;環(huán)境干擾和節(jié)點故障亦造成網絡拓撲結構的變化;通常情況下大多數傳感器節(jié)點是固定不動的。另外,傳感器節(jié)點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限。傳統(tǒng)無線網絡的設計目標是提供高服務質量和高效帶寬利用,其次才考慮節(jié)約能源;因而傳感器網絡的首要設計目標是能源的高效利用,這也是傳感器網絡和傳統(tǒng)網絡最重要的區(qū)別之一。

無線傳感器網絡的研究采用系統(tǒng)發(fā)展模式,融合了現(xiàn)代先進的微電子技術、微細加工技術、系統(tǒng)芯片(SoC)設計技術、納米材料與技術、現(xiàn)代信息通信技術、計算機網絡技術等,廣泛應用于軍事、工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境、家庭等領域,必將成為未來信息傳輸中不可缺少的一部分[4-6]。

1 WSN的結構

無線傳感器網絡是由大量的傳感器節(jié)點構成的基于任務的平臺,其必不可少的3要素是傳感器、感知對象和觀察者。

傳感器對感知對象進行感知,然后將感知結果發(fā)送給觀察者,如圖1所示。

從功能實現(xiàn)角度分析,無線傳感器網絡由嵌入式設備、傳感器和網絡構成。嵌入式設備作為分布式監(jiān)控和通信的載體;傳感器測試大千世界的信息,轉換為可操作信號;網絡作為所有設備構成的系統(tǒng),相互協(xié)作,完成復雜的任務。

無線傳感器網絡是指在環(huán)境中布置的傳感器節(jié)點以無線通信的方式構成網絡。通信結構如圖2所示。無線傳感器網絡系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測傳感區(qū)域內部或附近,能夠通過自組織方式構成網絡。

傳感器節(jié)點監(jiān)測的數據沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸,在傳輸過程中監(jiān)測數據可能被多個節(jié)點處理,經過多跳后路由到匯聚節(jié)點,最后通過互聯(lián)網或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點作為控制中心,對傳感器網絡進行配置和管理,發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數據供用戶瀏覽和處理。

2 WSN在國民經濟中的應用

無線傳感器網絡的快速布置、自組織性和容錯能力使其不會因為某些節(jié)點在惡意攻擊中的損壞而導致整個系統(tǒng)的崩潰,快速布置、自組織和容錯能力等特性使他們非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(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,評估損失,偵察和探測核、生物和化學攻擊[5]等軍事用途,受到了軍事發(fā)達國家的普遍重視。同時,無線傳感器網絡在工農業(yè)、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災等很多民用領域也都擁有十分廣闊的應用前景。特別適用于那些設備成本較低,傳輸數據量較少,使用電池供電并且要求工作時間較長的應用場合。

2.1 空氣質量監(jiān)測站的應用

由于人們生活水平的提高,環(huán)境保護意識的加強,對環(huán)境信息的監(jiān)測越來越受到當今社會的重視。空氣質量監(jiān)測是環(huán)境監(jiān)測的一個重要組成部分,監(jiān)測項目也由原來簡單的SO2、NOx的監(jiān)測增加了很多,如CO、O3以及空氣中有毒有害的有機物等。但是,空氣質量監(jiān)測站的設計一直受到設計成本昂貴、維護復雜、數據的實時性差以及監(jiān)測范圍的擴大等因素的困擾。

無線傳感器節(jié)點成本低、功耗小,適用于多個區(qū)域的多點檢測,正適合于空氣質量監(jiān)測站的設計實施,由于監(jiān)測點一般遠離監(jiān)控中心,針對傳感器網絡無線傳輸距離短的缺點,利用現(xiàn)有的通用分組無線電業(yè)務(GPRS)網絡,發(fā)揮其覆蓋面廣的優(yōu)點,使之遠距離數據傳輸成為可能[7]。

空氣質量監(jiān)測站由無線傳感器節(jié)點、空氣質量傳感器(檢測SO2,NOx等)以及A/D轉換、網關節(jié)點、GPRS模塊、微處理器等組成。監(jiān)測區(qū)域所部署的傳感器節(jié)點監(jiān)測每點的數據,然后數據沿著其他傳感器節(jié)點逐級進行傳輸,在傳輸過程中監(jiān)測的數據可能被多個節(jié)點處理,經過多跳后匯集到網關節(jié)點,再由網關節(jié)點將數據傳輸到控制中心。

應用于環(huán)境監(jiān)測的傳感器網絡,具有部署簡單、便宜、無需派人現(xiàn)場維護的優(yōu)點。在環(huán)境方面的應用包括:監(jiān)測大面積的海洋、森林、氣象和地理研究;監(jiān)測牲畜、家禽的環(huán)境狀況;監(jiān)控動物棲息地等。

2.2 遠程家庭監(jiān)護系統(tǒng)

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

在人體身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點,如心率和血壓監(jiān)測設備,利用傳感器網絡,醫(yī)生就可以隨時了解被監(jiān)護者的情況,進行病情的及時處理[8]。還可以利用傳感器網絡長時間地收集人的生理數據,這些數據在研制新藥品的過程中是非常有用的,而安裝在被監(jiān)測對象身上的微型傳感器也不會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,它也有新穎而獨特的應用。人工視網膜是一項生物醫(yī)學的應用項目。在SSIM計劃中,替代視網膜的芯片由100個微型傳感器組成,并植入人眼,目的是使得失明者或者視力極差者能夠回復到一個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,有利于人們對圖像的識別和確認。