探討無線傳感器網絡技術的應用現狀

◆唐研豐 李 成 李成武

0 引言

無線傳感器網絡間的節點之間分工合作，在網絡分布區域對監測對象進行實時感知，通過數據的采集、存儲、處理和傳輸四個過程將數據信息傳送到指定地點，為用戶及時提供真實、準確的信息，給人們的生活和工作帶來了極大的便利。

1 無線傳感器網絡概述

無線傳感器網絡是一種分布式傳感網絡，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器。在無線傳感器網絡中，以無線作為通信方式，可隨時更改設備位置，還可以跟互聯網進行有線或無線方式的連接，網絡設置具有較高的靈活性。因此，無線傳感器網絡又被人們認為是一個通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡。作為一種新型的傳感網絡，無線傳感器網絡的發展基礎是片上系統、微機電系統、無線通信和低功耗嵌入式技術，此外，還有傳感器技術、能量收集技術、嵌入式操作系統技術、多跳自組織網絡的路由協議等關鍵性技術，在這些技術的影響下，無線傳感器網絡進步飛快。無線傳感器網絡系統由三個節點組成，即傳感器節點、管理節點和匯聚節點，具有大規模、自組織、動態性、可靠性、集成化、以數據為中心的特點，采用協作方式執行任務，包括協作式采集、存儲、處理及傳輸信息。與傳統的傳感器網絡相比，無線傳感器網絡在以下幾個方面表現出了突出的優勢：無人值守；可以進行音頻、圖像、視頻等多媒體信息的采集；可以感知到豐富的信息，實現細粒度、高精準的監控；在一般情況下，具有較強的方向性；等等。

2 無線傳感器網絡技術的應用現狀

目前，無線傳感器網絡已經被廣泛于環境監控、智能交通、軍事、醫療衛生、建筑、農業等多個領域。除此之外，無線傳感器網絡還被應用到井礦、核電廠等危險的工作環境中，用以監測工作環境的安全性。同時，相關人員正在對無線傳感器網絡在工廠中的應用進行研究，主要是針對由無線傳感器網絡組成的監控系統進行測試，一旦成功，就可以實現對工廠運行過程的動態監控，及時發現工廠在運用過程中出現的問題，提高運行效益，并延長設備的使用壽命，降低檢測設備的成本。

2.1 環境監控

隨著社會經濟的快速發展，人們所面臨的環境問題也更加復雜，而在環境問題受到社會普遍關注的情況下，非常有必要采取先進的科學技術手段為解決環境問題提供幫助，無線傳感器網絡技術則為環境問題的解決做出了突出貢獻。利用無線傳感器網絡采集更多的環境數據，為隨機性的研究數據獲取提供便利，還能夠克服傳統數據采集方式的弊端，避免給環境再次造成危害。無線傳感器網絡可通過傳感器節點的部署，研究環境變化對農作物的影響，還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，監測出海洋、森林、大氣、土壤、火山等各種自然環境的狀況，為自然災害的預防提供真實準確的數據。比如，英特爾研究實驗室研究人員曾借此技術讀出緬因州“大鴨島”上的氣候，用來評價一種海燕巢的條件。

2.2 農業

無線傳感器節點在農業中也得到了普遍應用，主要體現在以下幾個方面：在大型氣調冷藏庫中，可以測量溫度、濕度以及氣體濃度等，為果蔬貯藏提供有利的環境，延長果蔬的貯藏時間，同時可以增強果蔬的保鮮效果：在溫室環境里，可以測量溫度、土壤濕度、光照等，從而得到相關數據，獲得農作物生長的最佳條件，為農作物的生長創造更加適宜的環境；可以對牲畜家禽和農作物的生長狀況進行長期監控，提高農業效益。此外，無線傳感器在精細能農業中的應用也受到了相關人員的高度重視，比如，檢測農作物中的害蟲、判斷土壤的酸堿性、施肥狀況等。

2.3 軍事

無線傳感器網絡的優點非常多，比如隨機分布、密集型、抗毀、容錯等，可以被應用到軍事領域之中，在惡劣的戰場環境中，可以用來監控兵力、物資、裝備和偵察敵情，還可以對生物化學攻擊進行判斷，完成戰場環境參數的監測等。比如自主反應控制，可以對武器實現自動化控制，傳感器將根據提前設定的條件參數，作出自我判斷控制。美國國防部遠景計劃研究局已經投資幾千萬美元，幫助大學進行“智能塵埃”傳感器技術的研究。

2.4 醫療衛生

傳感器節點的尺寸較小，可以對病人的血壓和心率進行監測，及時、準確地向醫生傳遞相關的數據，幫助醫生了解病人的病情，在病人出現緊急情況的時候，可以采取緊急搶救措施。此外，還可以將傳感器節點部署在人體內，提高了對人體心跳、血壓和熱能進行控制的準確性，實現自主反應，為解決人們的健康問題提供了更加便捷的途徑，是未來醫療領域的發展方向。比如英特爾以無線傳感器網絡為基礎，推出了家庭護理技術，這項技術是為了應對CAST的一個環節而開發的，主要是在家中的一些道具和設備中嵌入半導體傳感器，為老齡人士、阿爾茨海默式病患者及殘障人士提供生活幫助，減輕護理人員的負擔。

2.5 建筑

無線通信方式使無線傳感器節點間的數據傳輸方式，因此，可以在一些珍貴的古老建筑內部署傳感器節點，這些傳感器節點具備測量光照、溫度、濕度和壓力的功能，能夠實現對古建筑的監測，為古建筑的保護工作作出突出貢獻。此外，在裝飾施工的過程中，針對智能家居，可以將傳感器節點部署在空調系統和照明系統中，在探測到環境的變化信息之后，將此信息傳輸給家電控制系統，由家電控制系統對數據進行適當處理，再將控制信號發送給各種電器產品，為人們提供更加舒適的居住環境。

3 無線傳感器網絡展望

無線傳感器以其特有的優勢被廣泛應用到多個領域當中，使各領域實現了飛躍性的發展，但無線傳感器網絡在某些方面仍然不完善的地方，只有這些問題得到解決，才能促進無線傳感器網絡的進一步發展。主要體現在以下三個方面：無線傳感器缺乏統一的技術標準和系統架構，由于無線傳感器的產品類型眾多，在技術方面存在較大差異，許多通信方式和接口缺乏兼容性，導致無線傳感器無法向產業化和標準化的進程發展，因此，要想進一步擴大無線傳感器網絡的應用范圍，首先就要建立統一的技術標準和系統構架；無線傳感器的節點耗能高，且當節點電能耗盡時就會失效，自動突出網絡。因此，如何實現節能、提高節點的生命周期將成為接下來無線傳感器網絡研究的重點方向；無線傳感器網絡的節點通信范圍較小，且容易受到微波干擾和自然環境的影響，網絡穩定性較差，促進無線傳感器網絡的廣泛應用需提高網絡的穩定性。

4 結束語

綜上所述，無線傳感器網絡已經在諸多領域得到了廣泛應用，其發展前景十分廣闊，相關人員應當針對無線網絡傳感器在應用時出現的問題進行改進，尤其是要建立統一的技術標準和系統結構，為無線傳感器網絡的大規模應用奠定基礎，促使無線傳感器網絡為各行各業的發展做出更大的貢獻。