無線傳感器網絡的特點及應用探析

鎮江船艇學院 周 璇

無線傳感器網絡的特點及應用探析

鎮江船艇學院 周 璇

【摘要】本篇概述了無線傳感器網絡（WSN）的定義以及無線傳感器網絡的發展歷程，著重分析了無線傳感器網絡的特點，探討了無線傳感器網絡的相關應用。

【關鍵詞】傳感器；節點；自組織；應用

目前檢測技術領域的熱點之一——無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks， WSN） ，是通過無線通信的方式組成一個多調的自組織的網絡系統，它由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器控制節點組成，其作用是在協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息并發送給觀察者，是隨著無線通信技術、傳感器技術、片上系統（System on Chip， SoC）技術的發展，而出現的新型的綜合性技術。不同于一般的通信網絡，WSN的任務不是通信，而是要監視周圍環境。具有感知、計算及通信能力的一群微小節點構成了無線傳感器網絡，這些節點設置在要監視的區域中，采集指定的環境參數，如溫度、振動、化學濃度等，并將數據發送到匯聚節點供分析。目前，傳感器網絡的研究重點不在各種具體的技術，而是應用。要尋找最適合它的應用，并建立實際的應用示范系統。因其在戰場感知、反恐、工業制造自動化、分布式機器人、環境監測、建筑物結構監測、自然災害預防、醫療保健、智能家居、航空管制、交通監控、空間探索等眾多領域有著廣泛的潛在用途，正在成為世界各國科學家研究的一個熱點。

一、無線傳感器網絡的發展歷程

無線傳感器網絡的發展基本可以劃分為四個階段：

1、20世紀70年代，出現第一代傳感器網絡，其特點主要是采用點對點傳輸，實現的功能為簡單的信息獲取。

2、第二代傳感器網絡于80年代面世，它能夠獲取并綜合傳輸多種信息，在網絡銜接上采用了串/并接口與傳感器的終端相連接。

3、90年代后期的第三代傳感器網絡，終端開始了采用智能傳感器，網絡采用的是現場總線連接傳感器終端。

4、至今，人們開始大規模研究與開發。無線傳感器網絡是其特征，第四代的傳感器網絡融入了無線通信、分布信息處理、智能傳感 、嵌入式計算機、DSP和等技術，能夠感知、監測和獲取各種監測對象的信息，它們傳送到信息處理中心后，進行分門別類的處理，這種全新網絡集合了信息獲取、處理與通信等技術。

二、無線傳感器網絡的特征

無線傳感器網絡與傳統傳感器網絡相比，有著明顯的優越性，其特點如下：

1、易部署：由于節點通信的無線特性，使其能夠簡單快速部署在空間的各個位置，減少了布線等環節。

2、網絡規模大：由于傳感器網絡通常部署于地面，受地面障礙物、植被等干擾，無線通信的距離一般較短、通信干擾大、鏈路質量差、傳輸速率低。可見，每個傳感器節點的能力（資源）是非常有限的，單個傳感器節點的作用很小，然而，如果將大量這樣的節點以合理的方式組成網絡，并且將它們的輸出有機地關聯與融合，則整個網絡可提供遠高于單個節點的強大功能。無線傳感器網絡為我們提供了大規模網絡的支持，以ZigBee無線傳感器網絡為例，它可以支持高達65000多個傳感器節點，以協同完成某一工作。

3、自組織性：部署無線傳感器網絡的目的是監視現場物理環境，在其中獲得用戶感興趣的信息，因此我們關心的是從網絡中獲取的信息而不是網絡本身。當網絡中的某一節點損壞斷開連接或者有新的節點需要加入時，整個傳感器網絡必須具備自己重新組織或者調整節點間的邏輯連接的功能。

4、廉價性：由于網絡節點數目龐大，因此需要在單個節點降低節點的成本。而成本的控制除了必需的硬件設計成本之外就是節點工作時的能源控制。

5、可靠性：很多情況下，需要監測的對象由于區域環境的限制以及傳感器節點數目巨大，人工 “干預”每一個節點非常困難，網絡的維護難度也很大，有時甚至不可維護。況且傳感器網絡的安全性和通信保密性也十分重要，必須避免監測數據被盜取和獲取干擾的監測信息。所以，傳感器網絡的軟硬件必須具有必要的魯棒性和容錯性。

三、無線傳感器網絡的應用探析

隨著后PC和泛計算時代的來臨， WSN集傳感、元線通信與網絡、嵌入式計算、MEMS、分布式信息處理與數據融合等技術于一體，將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，因其在戰場感知、反恐、工業制造自動化、分布式機器人、環境監測、建筑物結構監測、自然災害預防、醫療保健、智能家居、航空管制、交通監控、空間探索等眾多領域有著廣泛的潛在用途，正在成為世界各國科學家研究的一個熱點。

WSN主要在以下幾個方面得到應用：

1、軍事領域應用：無線傳感器網絡源于軍事應用。WSN特有的無需架設網絡設施、可迅速展開、抗毀性強等特點，是軍隊在敵對區域中獲取情報的重要技術手段，其可以方便地監控我軍布防的陣地是否有敵軍入侵，監控敵方陣地和敵軍活動情況的方式也較為隱密。現代戰爭的主要特點之一是信息戰，而有關戰爭信息的及時可靠地獲取，以及能否快速反應對整個戰局的影響至關重要。所以說，借助于無線傳感器網絡，向指揮部門提供及時準確的信息，在很大程度上將增強國防軍事實力。

2、生態環境與災害監測：生態環境得到越來越多人的關注，在一些較為邊遠或偏僻野外地區、自然保護區，無法采用固定或預設的有線網絡等設施，采用無線傳感器網絡來進行信號采集與處理將可以解決問題。再者，在遭受水災、地震、強熱帶風暴等自然災害后，固定的通信網絡設施（如有線通信網絡、基站等網絡設施、衛星通信地球站、微波接力站等）可能遭到毀壞甚至無法繼續正常工作。在此情況下，就可以依靠無線傳感器網絡來快速布設的自組織網絡，來完成信息的獲取與通信。

3、在精確農業方面：傳統農業主要依靠人力監測作物的生長狀況。采用WSN后可將農業轉化為以信息和軟件為主體工具的生產模式，通過遠程無線傳感器網絡收集包括土壤濕度、酸堿度（pH值）、溫度、空氣濕度和二氧化碳濃度等作物生長相關的信息，然后通過網關傳輸到用戶的計算機中進行相應的分析處理，以供農業工作人員進行相應的決策和參考，甚至可以和自動控制設備相連接在溫室大棚（蔬菜大棚）等高價值農業產品中可以直接實現灌溉、通風、調節二氧化碳濃度等操作。

4、大型設備的關鍵監控：在一些大型設備中，為了掌握設備的運行情況，常常需要對一些關鍵部件的技術參數進行監控。尤其不便于安裝有線裝置的情況下，無線傳感器網絡就可以成為有效的監控手段。

5、醫療保健方面：我們在遠程醫療時，在病人身上安裝一些用于檢測身體機能的傳感器節點，便可以將檢測得到的信息匯總后，通過網絡傳送給醫生，從而得到及時有效的處理。

6、智能交通管理：基于無線傳感器網絡的智能管理系統，不僅可以使汽車按照一定的速度行駛、前后車距自動保持一定的安全距離，而且還可以提供有關道路堵塞的最新信息，推薦最佳出行線路、提醒駕駛員避免交通事故等。

7．智能家居：消費和家庭自動化市場是無線傳感器網絡一個潛力巨大的應用方向。智能家居可以把包括電視機、錄像機、電腦、兒童玩具、游戲機、門禁系統、照明設備等家用設備連成網絡，建立基于無線傳感器網絡的智能家居環境，大大改善家居網絡的自動化和智能化水平，提升人們的居住環境和舒適度，特別是對兒童、老人和殘疾人，有更貼心的幫助。

參考文獻

［1］王衛兵等.傳感器技術及其應用實例［M］.北京∶機械工業出版社，2013，5.

［2］洪峰等.無線傳感器網絡應用系統最新進展綜述［J］.計算機研究與發展，2010，（10）.