無線傳感器網絡及其應用技術分析

摘要：無線傳感器網絡通過無線通信技術把不同的傳感器節點進行組織與結合，傳感器節點的單元包括：數據采集單元、數據傳輸單元、數據處理單元以及能量供應單元。無線網絡傳感器包括微控制器、存儲器、通信裝置、傳感器等組件，通過跟外界物理環境交互，通過無線傳感器網絡將收集到的信息傳送給其它的計算設備，在物理環境中大量地分布了這些傳感器，從而組織成了一個無線傳感器網絡，在現實生活中配置了許多的這種網絡，應用領域非常廣泛，如軍事領域的應用、農業領域的應用、工業領域的應用、生態環境的監測、智能交通方面的應用、智能家居領域的應用等。

關鍵詞：無線傳感器、分布式傳感網絡、智能交通、智能家居

1.1 無線傳感器網絡簡介

無線傳感器網絡屬于分布式傳感網絡，它的傳感器可以感知和檢查外部世界，可以通過無線方式通信，網絡設置靈活，位置可以隨時更改，還可以跟互聯網進行有線或無線方式的連接，形成的一個多跳自組織網絡。無線傳感器網絡主要由三大部分組成，即：節點、傳感網絡和用戶。其中，節點一般是覆蓋在一定的范圍，這個范圍應該能滿足監測的要求;最主要的是傳感網絡，它通過固定的渠道將所有的節點信息收集起來，并對這些信息進行分析計算，然后將結果匯總到基站，再通過衛星通信傳輸到指定的地點，這樣就實現無線傳感。

無線傳感器網絡通過無線通信技術把不同的傳感器節點進行組織與結合，傳感器節點的單元包括：數據采集單元、數據傳輸單元、數據處理單元以及能量供應單元。其中數據采集單元能采集監測區域內的信息并加以轉換，如環境的溫度與濕度等;數據傳輸單元包括無線通信和交流信息以及發送接收那些采集進來的數據信息;數據處理單元能處理全部節點的路由協議和管理任務以及定位裝置等;能量供應單元則常常選擇微型電池的構成形式。無線傳感器網絡當中的節點分為兩種，一個是匯聚節點，一個是傳感器節點。匯聚節點能夠在傳感器節點當中將錯誤的報告數據剔除，并與相關的報告相結合將數據加以融合，對發生的事件進行判斷，并對收集到的數據進行處理。

1.2 無線傳感器網絡的功能

傳感器網絡具有數據的采集、處理和傳輸三種功能，是信息技術的三大支柱之一。無線傳感器網絡是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，以協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感知對象的信息，并最終把這些信息發送給網絡的所有者。

無線傳感器網絡包括眾多類型的傳感器，可探測各種信息，包括地震、電磁、噪聲、光強度、溫度、濕度、壓力、土壤成分等自然環境中各種的現象。應用領域包括：軍事、航空、工業、商業、防爆、救災、家居、醫療等領域。

1.3 無線傳感器的功能模塊

無線傳感器的種類包含以下模塊：

感知模塊：主要由熱敏元件、濕敏元件、光敏元件、氣敏元件、色敏元件、力敏元件、磁敏元件、聲敏元件和味敏元件等敏感元件組成，對被監控目標的一些參數進行記錄。

信息處理模塊：它是由嵌入式系統構成，通過采集存儲感知模塊的數據以及其他節點發過來的數據，協調傳感器節點各部分的工作，同時控制電源工作模式，實現節能。

無線通信模塊：它通過無線信道以及傳輸網絡將處理器輸出的數據傳送給其他節點。

能量供應模塊：將能量提供給其他三個模塊。

1.4 無線傳感器網絡的特點

自組織方式組網：傳感器節點的組網不需要任何固定的網絡設施，僅通過分布式網絡協議就能形成自組織網絡，通過自動調整從而適應節點的移動、加入和退出。

無中心結構：該網絡是一個對等式網絡，所有傳感器節點地位對等。節點可以隨時加入和離開網絡，不會影響整個網絡的運行。

網絡有動態拓撲：由于電池能量耗盡或者故障的原因，傳感器節點可能會從網絡中退出，或者是按照某種程序的設定，傳感器節點從網絡中退出;網絡外的傳感器節點也可以隨時加入網絡中。

高冗余：當傳感器節點出現故障時，應采用節點周圍的其他傳感器節點代替該傳感器節點繼續工作，因此傳感器網絡的節點配置得比較多，冗余程度高。

資源及功能有限：考慮到價格、體積和攜帶能源等方面的因素，無線傳感器節點的計算能力、數據處理能力及其存儲空間都是非常有限的，導致了無線傳感器網絡的協議層次內容不能過于復雜。

電源續航能力較小：網絡節點需要電池提供電源，但電池的續航能力比較小，并且在應用過程中難以更換電池。一旦節點電池電能用完，這個節點就會失去作用，為了防止這種情況就要考慮節能的問題。

1.5 無線傳感器網絡的應用

無線傳感器網絡主要在以下領域應用比較廣泛：

1）軍事領域的應用

在軍事領域，無線傳感器網絡適合于惡劣的戰場環境，具有密集型、隨機分布的特點。實現敵軍的兵力和裝備的監測、實時戰場狀況的監視，也能夠實現目標的定位、敵軍攻擊的監測等。

2）在農業生產領域的應用

無線傳感器網絡也適合于農業方面的生產和科學研究。像現在農村普遍存在的大棚種植蔬菜，可使用無線傳感器網絡來監測室內及土壤的溫度、濕度、光照強度，了解經濟作物生長規律等。建成一個農業環境自動監測系統，采集農業環境的風、光、水、電、熱和農藥等的數據，并進行環境控制，實現農業集約化生產，提高農業生產的科學種植。

3）在智能交通中的應用

交通信息的采集和傳輸是智能交通系統的一個重要方面，無線傳感器網絡可以為其提供一種有效手段，來對道路各個方向的車流量、車速等信息進行監測，并計算出最佳方案，同時給執行子系統輸出控制信號，對車輛的通行起引導和控制的作用，達到預設目標。

4）在智能家居中的應用

智能家居通過無線傳感器網絡與互聯網的連接，將家中的各種設備配置傳感器節點，從全部連接在一起，可實現對家電的遠程遙控、防盜報警、環境監測等。

5）在工業領域的應用

在工業領域，有很多危險的工作環境，如煤礦、石油鉆井、核電廠等領域存在危險的工作崗位，在這些地方可以布置傳感器節點，對工作環境的安全狀況進行隨時監測，保證這類工作崗位人員的安全。同時，還可以使用傳感器節點代替部分工作人員到危險的環境中去執行任務，這樣大大地降低了危險程度，也對險情的反應精度和速度有了很大的提高。

6）在生態環境監測和預報中的應用

無線傳感器網絡還可應用在環境監測和預報方面，對土壤空氣情況、農作物灌溉情況進行監測，也可對家畜和家禽的環境和遷移狀況進行監測，甚至對大面積的地表監測等，實現氣象和地理研究、洪水監測等。通過數種傳感器可以使用無線傳感器網絡來監測降雨的雨量、河流的水位和土壤的含水量，從而可以預測出山洪爆發等自然災害。

7）在實時跟蹤時定位的應用

在實際的應用中，經常會遇到實時跟蹤對移動的物體進行定位的問題。隨著無線傳感技術的成本的降低，可以將無線傳感技術應用于個體身上來進行定位，也可在車輛上安裝無線傳感器，然后將車輛的位置信息通過無線傳感網絡進行傳輸，再經過中轉站對信息進行處理而后發送出去，這樣就能夠隨時掌握車輛的位置信息，實現汽車的導航功能。另外，還可以采用無線傳感技術對一些隨身攜帶的物品進行定位，例如可以使用無線傳感技術對老年人和兒童進行實時定位，避免發生意外事故。

參考文獻：

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作者簡介 陳曉東 男 講師 碩士 主要研究方向 物聯網技術

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