無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用研究

孫殿東，朱 悅

（河北工業(yè)大學(xué) 信 息工程學(xué)院，天津 3 00401）

微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線通信和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，推動(dòng)了低成本、低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）的發(fā)展。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究具有很廣泛的應(yīng)用前景：軍事偵察、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)應(yīng)用等。傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究是很有必要的。這里主要介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，及在一些領(lǐng)域的應(yīng)用情況，并對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)未來(lái)的發(fā)展情況進(jìn)行了展望。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一組傳感器以Ad hoc方式組成的有線或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、收集和處理傳感器網(wǎng)絡(luò)所覆蓋地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并傳遞給觀察者[1]。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)集中了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，能協(xié)作地感知、監(jiān)測(cè)和收集各種環(huán)境下所感知對(duì)象的信息，通過(guò)對(duì)這些信息的協(xié)作式信息處理，獲得感知對(duì)象的準(zhǔn)確信息，然后通過(guò)Ad hoc方式傳送給需要這些信息的用戶。

2 WSN的主要特點(diǎn)

作為一種新型網(wǎng)絡(luò)，相比傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)[2]：

1）大面積的空間分布比如在軍事應(yīng)用方面，可以將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在戰(zhàn)場(chǎng)上跟蹤敵人的軍事行動(dòng)，智能化的終端可以被大量裝在宣傳品、子彈或炮彈殼中，在目標(biāo)地點(diǎn)撒落下去，形成大面積的監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)。

2）能源受限制網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電源是有限的，網(wǎng)絡(luò)大多工作在無(wú)人區(qū)或者對(duì)人體有傷害的惡劣環(huán)境中，幾乎不可能更換電源，這要求網(wǎng)絡(luò)功耗小，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命，而且要盡最可能節(jié)省電源消耗。

3）網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)配置，自動(dòng)識(shí)別節(jié)點(diǎn)包括自動(dòng)組網(wǎng)、對(duì)入網(wǎng)的終端進(jìn)行身份驗(yàn)證、防止非法用戶入侵。相對(duì)于那些布置在預(yù)先指定地點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以借鑒Ad hoc方式來(lái)配置，當(dāng)然前提是要有一套合適的通信協(xié)議保證網(wǎng)絡(luò)在無(wú)人干預(yù)的情況下自動(dòng)運(yùn)行。

4）網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)管理和高度協(xié)作性在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)處理由節(jié)點(diǎn)自身完成，以數(shù)據(jù)為中心的特性是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的又一特點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅知道自己鄰近節(jié)點(diǎn)的位置和標(biāo)識(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的相互協(xié)作來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理和通信，具有很強(qiáng)的協(xié)作性。

5）傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化很快，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)各種算法的有效性提出了挑戰(zhàn)。此外，如果節(jié)點(diǎn)具備移動(dòng)能力，也有可能帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓?/p>

3 WSN節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感、數(shù)據(jù)處理、無(wú)線通信和供電等4個(gè)模塊組成，如圖1所示。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)

傳感模塊包括傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，負(fù)責(zé)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理模塊由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等，負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；無(wú)線通信模塊由網(wǎng)絡(luò)、MAC、收發(fā)器等組成，負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信、交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；供電模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。

4 WSN的應(yīng)用領(lǐng)域

1）軍事應(yīng)用WSN具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強(qiáng)和高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，因此非常適合在軍事上應(yīng)用。利用WSN能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)敵軍兵力和裝備的監(jiān)控、戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、目標(biāo)定位、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估、核攻擊和生物化學(xué)攻擊的監(jiān)測(cè)和搜索等功能[3]。通過(guò)飛機(jī)或炮彈直接將傳感器節(jié)點(diǎn)播撒到敵方陣地，就能夠非常隱蔽且準(zhǔn)確地收集戰(zhàn)場(chǎng)信息。

2）農(nóng)業(yè)及環(huán)境應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)及環(huán)境應(yīng)用包括：對(duì)影響農(nóng)作物的環(huán)境條件的監(jiān)控（精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)控），對(duì)鳥(niǎo)類、昆蟲(chóng)等小動(dòng)物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行追蹤，海洋、土壤、大氣成分的探測(cè)，森林防火監(jiān)測(cè)，污染監(jiān)控，降雨量監(jiān)測(cè)，河水水位監(jiān)測(cè)，洪水監(jiān)測(cè)等。

3）醫(yī)療護(hù)理隨著室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)普遍化，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療研究、護(hù)理領(lǐng)域也大展身手。主要的應(yīng)用包括遠(yuǎn)程健康管理、重癥病人或老齡人看護(hù)、生活支持設(shè)備、病理數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與管理、緊急救護(hù)等[4]。

4）智能家居智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將住宅中各種家居設(shè)備聯(lián)系起來(lái)，使它們能夠自動(dòng)運(yùn)行，相互協(xié)作，為居住者提供盡可能多的便利和舒適。在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與Internet連接在一起，將為人們提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環(huán)境。利用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可完成對(duì)家電的遠(yuǎn)程遙控[5-6]。

5）智能交通應(yīng)用智能交通監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用聲音、圖像、視頻、溫度、濕度等傳感器，節(jié)點(diǎn)部署于十字路口周圍，部署于車輛上的節(jié)點(diǎn)還包括GPS全球定位設(shè)備。匯聚節(jié)點(diǎn)可以安裝在路邊立柱、橫杠等交通設(shè)施上，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以集成在交叉路口的交通信號(hào)控制器內(nèi)，專用傳感器終端節(jié)點(diǎn)可以填埋在路面下或者安裝在路邊，道路上的運(yùn)動(dòng)車輛也可以安裝傳感器節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)加入傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)信號(hào)控制器的專有網(wǎng)絡(luò)，將所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到交管中心作進(jìn)一步處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展非常迅速，在世界許多國(guó)家的軍事、工業(yè)和學(xué)術(shù)領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注，已成為國(guó)際上無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)之一。從國(guó)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，大部分無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究仍處于理論研究和小規(guī)模試驗(yàn)階段，距離實(shí)際應(yīng)用尚存在一定距離。我國(guó)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究仍處于起步階段。不論在理論研究還是商用領(lǐng)域，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究、開(kāi)發(fā)均存在巨大的空間，具有巨大的研究和應(yīng)用前景。

[1]孫利民，李建中，陳渝，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]宋文.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3]杜曉明，陳巖.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，26（1）：41-43.

[4]鄺自力.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006（22）：30-33.

[5]于海斌.智能無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[6]丁飛，張西良，胡永光，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，9（25）：175-176.