無線傳感器網絡研究現狀與應用

苗沛然

（沈陽化工大學，遼寧 沈陽 110000）

0 引 言

近年來，計算機的操作系統的研發主要從人的普適性角度來設計和改善，普適化的計算機系統讓計算機更適應人的生活和操作習慣，讓人的實際生活中都離不開計算機。在計算機網絡環境中，無線傳感器網絡技術就是其中一項非常重要的應用，該技術已經成為當前世界計算機研究領域中一項新興前沿科技研究熱點。

1 無線傳感器網絡的研究現狀

互聯網的誕生改變了人們交流的方式，而傳感器網絡則改變了人與自然的交互方式。傳感器網絡是當前計算機科學領域一項新興技術，具有非常可觀的應用價值，而無線傳感器技術則是集成了傳感器技術、無線通信技術以及微處理技術的高新技術，目前世界各國格外注重這方面技術的研究，各國科學工作者提出了有關于無線傳感器網絡的各種研究課題。

Motel V、Crossbow等是一些專門研究傳感器網絡的高科技公司，他們專注于研究無線傳感器網絡，并生產出一系列無線傳感器硬件產品。這些產品為各大研究機構研究無線傳感器網絡提供了硬件條件，方便研究無線組網技術、傳感信息融合技術、低能耗無線傳感技術、時間與定位同步技術等。雖然國際上已經研發出一些無線傳感器網絡的仿真工具，如TOSSIM、OPNET等技術，但是在一些關鍵技術的實現上仍然存在限制，這迫使科學家不得不投入更多精力研究仿真工具，這也帶動了世界各國計算機科學家門投入到該項目的理論模型創建和仿真工具研究當中。

我國開始無線傳感器網絡的研究起步較晚，近年來才提上日程，被列為“十五”規劃中重點研究的科學項目之一，并順利進入國家自然科學基金委員會與微軟亞洲研究聯合創建的項目，我國中科院、清華大學、北京交通大學等重點高校投入到該項目的研究中心，致力于無線傳感器網絡集中的無線通信協議、時間與定位同步、網絡管理、質量安全、無線數據信息融合、低能耗與高安全性的應用關鍵技術的突破性研究，未來我國將會投入更多精力在該技術的理論和實踐應用中。

2 無線傳感器網絡組成結構

2.1 網絡體系結構

無線傳感器網絡的體系結構的節點是多跳式轉發模式，多個節點經過因特網和衛星通信網絡將節點信息匯集，在傳感器區域內經過多跳轉發模式，把傳感信息再傳送給用戶，在整個系統架構中傳輸介質是因特網和衛星通信，而節點群、匯集節點以及網絡用戶端組成了整個體系結構，如圖1所示。節點是通過飛行器散播、火箭彈射或者人工埋置的方式隨意散播在傳感器監測區域內的。在整個網絡體系結構中傳感網絡是中心，感知區域中的節點通過無線組網的方式開展連接通信，每個傳感器節點都發揮起路由器的作用，并具備定位、恢復連接以及自主動態搜索的功能。傳感器區域內的節點通過自動搜索可用信息，并將信息進行處理和初步融合再傳輸給用戶，在傳感器區域中相鄰接點通過接力的方式將信息傳回基站，基站又通過因特網或衛星將信息傳回給用戶[1]。

圖1 無線傳感器網絡體系結構

2.2 網絡節點結構

在無線傳感器網絡中節點是至關重要的核心基本元素，其節點結構如圖2所示，主要包含傳感器、A/D轉換器、數據處理與控制模塊、無線通信收發器模塊、電池和能量轉換模塊。其中傳感器主要用于搜索、感知以及獲取信息，A/D轉換器能夠將傳感器捕捉到的物理信息轉化為數字信息，數據與控制模塊對整個傳感器節點傳送過來的信息進行處理，無線通信收發器模塊復雜將信息與其他傳感器進行交互收發。電池和能量轉換模塊主要負責傳感器正常工作所需的電能[2]。

圖2 無線傳感器網絡節點結構

3 無線傳感器網絡的應用

3.1 在軍事器材中的運用

在戶外一些惡劣的環境下，無線傳感器具有低能耗、短小精悍、高性能、耐用、自組織能力強的優勢，為軍事偵察提供了非常大的便利。通過飛機和特種炮彈等技術將無線傳感器進行空中撒播，能夠對偵察區域進行大面積的信息收集，還能夠獲取大量人們不便達到和觀察區域的信息，在收集微觀數據方面具有重要作用，尤其是在兵力部署監控、地形地質探查、火力監控等方面優勢更明顯。

3.2 在生態環境中與現代農業的運用

除了軍事領域外，無線傳感器網絡在生態環境與現代農業也有非常廣泛的應用。例如，生態環境監測方面，無線傳感器網絡能夠敏銳感知并捕捉到自然界氣象變化，監測森林火災、洪水、氣象災害等信息。在現代農業上，無線傳感器網絡可以幫助監測地質土壤變化、空氣濕度變化、農業設施分布、地表物種跟蹤等。我國是一個地大物博、幅員遼闊的國家，在生態環境監測和現代農業生產方面非常需要無線傳感器網絡的幫助。因為無線傳感器網絡能夠協助監測我國生態環境問題，幫助監測現代農業農作物的生長情況，實現高產優產。

3.3 在智慧醫療方面的運用

無線傳感器具有快速采集信息并通過互聯網傳遞到用戶端的優勢，將該技術運用在醫療護理中，能夠在患者身上安裝一種具有檢測患者身體狀況的傳感器節點裝置。當患者出現心率、血壓等異常時，該傳感器節點裝置就能夠發出報警并將信號傳遞給醫療機構，醫療結構在遠端獲取到患者的異常情況，及時前往救治。目前，在前端醫療科技研究中心已經研發出相應的無線傳感器設備，如SSIM和芬蘭人研發的可穿戴式的無線傳感器醫療設備。

3.4 在智能文物建筑方面的應用

在古文物建筑保護方面，無線傳感器網絡設備能夠通過檢測古老建筑物的溫濕度、壓力、加速度等信息實時掌握建筑物的狀態，有效對建筑文物進行實時檢測保護。在博物館安保系統中，無線傳感器可用于保護文物品質與安全。

4 結 論

近年來，隨著普適計算機的理念逐漸深入人心，無線傳感器網絡與計算機的融合運用越來越緊密。我國對于無線傳感器網絡的認識與研究越來越深入，但是針對該技術的研究仍然存在諸多基礎性理論和技術難點待突破，如傳感器覆蓋范圍與部署、網絡協議的統一標準等。未來無線傳感器網絡技術將會是世界計算機研究領域中一項新興前沿科技研究熱點，該技術的應用前景將會不斷擴展，帶動全世界計算機科技的發展。