無線傳感器網絡的特點和應用

文/潘玉蘭 劉廣聰

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是一組傳感器節點以自組織的方式構成的無線網絡，這些傳感器節點由處理器、存儲器、接收器、感知單元、電池組成，使得傳感器節點具有感知、計算和通信能力。因此無線傳感器網絡借助于網絡中形式多樣化的傳感器協助地實時感知和采集周邊環境中眾多的信息，并對這些信息進行處理以使人們在任何時候、絕大多數地點和多種環境條件下獲取大量詳實而可靠的信息。

1 無線傳感器網絡的特點

相比于其他傳統的無線通信網絡，本章的無線傳感器網絡(WSN)有著其自身顯著的特點，其主要特點如下所示。

1.1 大規模

在日常應用領域中，比如大面積森林防火監測，為了獲取精確的森林監測信息，在森林監測區域會投入大量傳感器節點，可能數量達到成千上萬，甚至更多。傳感器網絡大規模分為兩種：第一種就是在監測面積空間比較大的監測領域，需要部署大量的傳感器節點；第二種就是在監測面積空間比較小的監測領域，需要密集部署傳感器節點。

1.2 自組織性

在無線傳感器網絡中，通常傳感器節點是隨機放置在沒有任何基礎結構的地方，每一個傳感器節點的位置事先是不清楚的，節點之間的鄰居相互關系也是預先不知道的。例如使用飛機從天空隨機拋灑出成千上萬的傳感器到大面積森林，或隨機部署人為不可達或險惡監測區域，這就需要無線傳感器節點具有自組織的能力，能夠自動配置和管理。通常其實現的方法是通過網絡協議和拓撲控制機制自動形成轉發監測數據的多跳無線網絡系統。

1.3 動態性

通常無線傳感器網絡的網絡拓撲隨著如下因素改變，比如由于傳感器節點電能耗盡所造成傳感器節點失效；由于其他新的傳感器節點的加入；由于外界環境條件變化導致無線通信鏈路寬帶變化等。這就需要無線傳感器網絡適應這樣的隨機變化，系統應該是具有動態可重構性。

1.4 可靠性

WSN特別適用于人工不宜到達或險惡區域，傳感器節點通常是隨機部署的，節點可能會暴露在環境中，會受到自然環境和人為、動物的破壞，為了能夠精確監測環境，并提供實時有效的監測數據，這就需要傳感器節點不易損壞，能更好適應惡劣環境。

2 無線傳感器網絡的關鍵技術

2.1 網絡拓撲控制

在WSN中良好的網絡拓撲結構能降低節點能耗進而延長網絡生命周期，因此網絡拓撲控制技術是WSN的關鍵技術之一。

2.2 網絡路由技術

路由協議從影響單個節點能耗到直接影響整個網絡生命周期，因此，路由協議成為WSN研究熱點。文獻[2]提出了利用遺傳算法和概率轉發的路由協議，提高了網絡生存時間。

2.3 定位技術

WSN最基本的功能之一就是能夠確定傳感器節點所在的位置以及事件發生的具體位置，定位技術是WSN中最重要的技術之一，是值得研究的。文獻[3]從無線攝像傳感器網絡中目標定位的角度，分析覆蓋問題，提出一種方向定位傳感模式。

2.4 時間同步技術

在WSN中，節點通常是協助共同完成任務的，所以時間同步顯得很重要，成本高且能耗高的傳統網絡時間同步的方法不能適用在WSN中，因此，研究精確的時間同步算法也是研究熱點。

3 無線傳感器網絡的主要應用

無線傳感器網絡作為當前信息領域中的研究熱點之一，其能夠在特殊環境下實現信息的采集、處理和發送。無線傳感器網絡是一種新型的數據采集、數據處理技術，其在現實生活中有著廣泛的應用，主要應用在下面幾個領域。

3.1 軍事領域

在軍事領域，由于無線傳感器網絡隨機分布、部署密集的特點，使其能夠更好地適應惡劣的戰爭環境。利用WSN可以實現入侵偵測和識別，從而達到軍事目標跟蹤和偵察的目的；利用WSN能夠實時監測敵方區域內的兵力和裝備、實時監控戰場狀況、定位目標、監測核攻擊或者化學攻擊等；同時利用WSN可以進行國土邊境實時監控和國土安全實時監控，這足以說明WSN在軍事領域上起到極大的作用。

3.2 環境監測

WSN在環境監測中不僅僅停留在人們常常關注的環境問題上的監測，其可以廣泛用在各個方面環境上的監測，比如生態環境監測、生物群研究、洪水、氣象和地理研究、火災監測、輔助農業生產、基礎設施狀態監測等等，為各個方面環境監測實時提供數據，在野外地區或者不宜人工監測的險惡地區，我們的WSN就起到了重要作用。例如，在監測地震、泥石流、滑坡等自然災害，WSN可以在無人工值守的情況下進行實時數據采集、處理、傳輸，為生態環境的研究和保護提供了實時的數據材料。

3.3 醫療健康

近幾年來，WSN在醫療健康護理和醫療系統方面已經有很多的應用，例如，監測人體的各種生理數據，監控跟蹤醫院中醫生和患者的行動，以及監測醫院的藥物管理等。給住院患者身上安裝特殊用途的傳感器，例如心率和血壓監測設備，醫生和護士就可以實時監控和了解到病人的病情，在發現緊急突發異常情況，可以迅速對病人進行搶救。當然安裝在病人身上的傳感器體積小，不會對病人造成什么影響。羅徹斯特大學的科學家利用無線傳感器網絡創建了“智能醫療房間”，通過使用微塵來測量居住者的重要特征(血壓、脈搏和呼吸)、睡姿以及每天24小時的活動狀態，將所收集的數據應用在將來的醫療研究上。通過無線傳感器網絡，使得醫療界的健康護理變得越來越簡便，同時也提高了護理質量。

3.4 智能家居

智能家居是利用物聯網技術將居住環境中的照明系統、空調系統、電冰箱系統、安防系統和其他家用電器等設備連接起來實現智能化和自動化管理。在家用電器中植入傳感器節點，通過互聯網技術和無線網絡技術結合形成了智能家居遠程控制，也可以實現遠程監控。目前智能家居已經越來越流行，因為就在于它給人們的生活帶來了極大便利，提高了人們的生活質量，這也得益于無線傳感器網絡技術的應用，才使得智能家居更智能化，更自動化。

4 結束語

通過對無線傳感器網絡的研究與分析，研究者們對其有著更深刻的理解和認識。WSN目前已應用前景非常廣，在眾多領域中有著科研價值及實用價值，具有良好的發展前景。