無線傳感器網絡的工作原理與發展歷程

王順利　黃歡　夏長春

摘 要 無線傳感器網絡被認為是在二十一世紀最重要的技術之一，它將對未來人類的生活方式產生深遠的影響。無線通信技術的飛速發展，數字信號處理技術和傳感器技術的日益成熟對基于無線傳感器網絡的信息采集，處理與傳輸提供了技術支持。

關鍵詞 無線傳感器網絡 數據 信號處理 信息采集 信息融合

中圖分類號：TP21 文獻標識碼：A

1無線傳感器簡介

無線傳感器網絡中的每個傳感器具有一個或多個節點，例如聲學傳感器，紅外傳感器，磁性傳感器等。每個傳感器來監測自己的感知范圍對象，監測特定的行為，一般的監測分為兩種非實時方式，使用傳感器來采集數據，將采集到的數據傳送到最近的匯聚節點，隨后進入匯聚階段，從接近傳感器所采集到的數據進行分析和處理，然后將結果根據需要發送給基站，基站將最終結果傳送給派遣觀察員來監控裝置，當傳感器監測到敏感的事件發生時，就會立即會對監測對象采取連續密集的監測策略，并根據匯聚節點對監測結果預處理后立即發送給觀察者。實時監測結束后，實時監測的傳感器節點必須通過一個特殊的消息通知基站。再監測每個節點，通過特殊的網絡協議來實現一個給定局部區域的目標識別，定位與跟蹤。如圖1所示，是無線傳感器網絡的三種拓撲結構。

2無線傳感器網絡的優點

無線傳感器網絡是由大量傳感器節點來監控目標。傳感器節點由數據采集，信號處理和信號傳輸部分構成。傳感器節點可以通過平面內傳播的，可以在具體位置上發射火炮，不需要精確的傳感器節點部署，無需人員值守。由于傳感器節點可以部署在敵對地區，因此無線傳感器網絡必須具有良好的生存能力，生存能力不在單個傳感器節點中，這意味著如果當網絡中的一些節點損壞時，可以使用其他節點完成信息的采集，處理和傳輸，傳感器節點的冗余使得傳感器具有高生存性的網絡。自組織的無線傳感器網絡中的網絡協議和算法可以成功地完成工作。

由于無線傳感器網絡中的節點數是巨大，因此傳感器節點的成本必須盡可能低。同時，無線傳感器網絡的工作環境決定了傳感器節點必須體積小，功耗低，工作時間長。

3無線傳感器網絡的節點

對于不同的應用，傳感器節點也是稍有不同的，但主要部分是相同的。通常是由一個傳感器，處理單元，傳輸單元和電源部分構成。通過物理參數監測的目標決定了傳感器的選擇。處理單元主要完成網絡功能和簡單的數據處理。傳輸單元主要是用傳感器來收集數據。電源的功率傳感器節點是一個重要組成部分，無論重量或體積在無線通信設備中占據多大的比例，為了優化電源本身的功耗，還是應當盡可能地減少傳感器節點。

4無線傳感器網絡的工作原理

各種傳感器的信息可能有不同的功能，可以實時地處理信息，也可以非實時地處理信息，可以快速變化的，也可以是緩慢變化的，可以是模糊的，也可以是確定的，可以相互支持和互補，同時也可以互相競爭。多傳感器信息融合的原理是在充分利用多傳感器資源的基礎上，合理控制和使用這些傳感器的觀測信息，在空間或時間上冗余或互補信息，結合多個標準的傳感器，以獲得一致性的解釋和被測量對象的信息系統，以實現其比一個子集更好的性能。

多傳感器信息融合技術直在機器人研究領域里應用最為廣泛，因此與信息融合相比，一個更全面的、高水平的綜合處理復雜問題的模擬方式更受人歡迎。單傳感器信號處理只能仿照大腦處理信息一個較低水平，而多傳感器幾乎可以處理所有信息。多傳感器信息融合系統有效地利用傳感器資源，從而可以檢測到目標和環境的信息的最大增益。同時，多傳感器信息融合和經典信號處理方法的本質區別是：多傳感器信息融合過程的關鍵在于有更復雜的形式，而且基于不同的水平上。這些信息包括表示層數據層，特征級和決策級數據層。

5無線傳感器網絡的發展歷程

無線傳感器網絡起源于軍事領域，美國卡內基—梅隆大學曾經為了研究分布式傳感器網絡成立了一個工作組，致力于基于無線傳感器網絡的軍事監視系統的研究。但由于當時技術條件的限制，研究的應用范圍非常有限。在本世紀，隨著技術水平與應用規模的擴大，目前無線傳感器網絡的研究與開發已成為當前信息領域的熱點，越來越多的研究機構和公司增加了在這一領域的研究工作。這個研究領域也因此得到了美國政府資金的支持。對于無線傳感器網絡技術的研發，投資資金總額甚至達到了三千四百萬元。美國國防部對它的投資更大。美國國防高級研究計劃局在大學和科研機構中投資很多錢來支持無線傳感器網絡的研究。美國許多大學都開展了對傳感器網絡的研究。

參考文獻

[1] 馬祖長，孫怡寧，梅濤.？無線傳感器網絡綜述[J].通信學報.2004（04）.

[2] 任豐原，黃海寧，林闖.？無線傳感器網絡[J].軟件學報.2003（07）.