無線傳感器系統(tǒng)的建設(shè)及應(yīng)用要點

石玉香

引言：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域的大量具有通信、監(jiān)測及計算能力的微型傳感器節(jié)點通過自組織構(gòu)成的“智能”測控網(wǎng)絡(luò)。目前，由于無線傳感器的低能耗、能實現(xiàn)同步控制、自動化高等特點，在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、智能交通、建筑物監(jiān)測、空間探索等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用價值。本文主要結(jié)合無線傳感器的構(gòu)成及分類，針對無線傳感器的建設(shè)和應(yīng)用展開具體的闡述。

一、無線傳感器的構(gòu)成

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本架構(gòu)包括三部分，第一部分是無線收發(fā)芯片，其職責(zé)是將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為高頻無線信號傳送出去和將接收到的高頻無線信號恢復(fù)成數(shù)字信息。就無線傳感器收發(fā)芯片而言，為了一個無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和路由器功能的實現(xiàn)，可以采用多芯片的方案。

第二部分是運行于單片機或者無線單片機的內(nèi)部嵌入式軟件，也稱軟件協(xié)議棧。網(wǎng)絡(luò)堆棧主要有兩個職責(zé)，第一網(wǎng)絡(luò)堆棧具有自組織、自恢復(fù)的能力，可以處理節(jié)點間的聯(lián)捷通訊因質(zhì)量和環(huán)境因素干擾無法正常進行通信的現(xiàn)象；第二個職能是具有很強的算法能力，可以確保信息數(shù)據(jù)準(zhǔn)確搞笑的通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诠?jié)點之間傳輸，確保信息的實時性的要求。

第三部分為應(yīng)用軟件，這部分主要是各種開發(fā)用的軟件代碼，通過計算機語言進行編寫、開發(fā)，調(diào)用軟件協(xié)議棧的功能。

二、無線傳感器系統(tǒng)的特點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有以下特點：①自組織性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點可以進行自動組網(wǎng)，節(jié)點相互之間可以進行通訊工作。②路由多跳性：通信具體、節(jié)能和功率控制等因素有時候會對節(jié)點進行限制，使節(jié)點無法正常進行通信，這時就需要通過其他節(jié)點來完成信息數(shù)據(jù)的傳輸，所以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸路由具有多跳性。③網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)性：無線傳感器在一些特殊的應(yīng)用中是移動的，節(jié)點會因能量或故障等一些因素停止工作，這時的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚蜁l(fā)生變化。④節(jié)點有限性：主要受到技術(shù)的要求和有限的能量，導(dǎo)致了節(jié)點資源的有限性。

三、傳感器系統(tǒng)建設(shè)要點

（一）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾?/p>

對于無線傳感器系統(tǒng)來說，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是自組織的，建設(shè)的目的是在滿足網(wǎng)絡(luò)的連通度和覆蓋度的情況下，選擇路由路徑，建立一個能夠高效轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點功率控制這兩種形式，層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)利用分簇機制控制，節(jié)點功率控制則是通過控制節(jié)點完成總的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾怼?/p>

（二）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

對于傳感器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來說，主要功能是對信息傳遞的路徑進行控制，目前的建設(shè)重點主要是MAC層和網(wǎng)絡(luò)層。在設(shè)計MAC協(xié)議時，首先要考慮到MAC層的可拓展性以及能不能節(jié)省能量，通過MAC層的合理設(shè)計，達到控制節(jié)點的工作模式和通信過程的要求，從而降低系統(tǒng)的損耗，延長節(jié)點使用的時間。

（三）網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)

傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)，主要的控制方法有兩種：維護路由器的安全和完善安全協(xié)議的建設(shè)。首先，找出節(jié)點和真實值之間的關(guān)系，然后在真實值的基礎(chǔ)上生成路由，能夠保證路由器建設(shè)的質(zhì)量。其次，在設(shè)計合理的安全協(xié)議時，可以先假設(shè)基站的工作條件正常，在這種情況下滿足合適的存儲容量和計算速度，基站的功率能夠達到加密的功率需求，在這個基礎(chǔ)上設(shè)計出的安全協(xié)議才能滿足傳感器運行的需要。

（四）定位技術(shù)

定位技術(shù)指的是針對傳感器上的每一個節(jié)點進行準(zhǔn)確的定位設(shè)計，一般采用的方法是分布定位和集中定位，常用的定位技術(shù)是以距離為中心的定位和與距離無關(guān)的定位。以距離為中心的定位對于硬件的要求高，精度也比較好，與距離無關(guān)的定位受到環(huán)境的影響比較大，所以應(yīng)該根據(jù)傳感器的具體要求進行選擇和設(shè)計。

（五）數(shù)據(jù)融合

傳感器的內(nèi)容和計算能力通常是有限的，在這種情況下，在收集數(shù)據(jù)的時候要進行有效的數(shù)據(jù)融合，刪除無用的信息，節(jié)省容量。對于數(shù)據(jù)融合，可以在多個層次中進行，首先在應(yīng)用層應(yīng)該利用分布式的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對于數(shù)據(jù)進行實時篩選，其次在網(wǎng)絡(luò)層運用路由協(xié)議與數(shù)據(jù)融合相結(jié)合的方法，最后對于MAC層來說，可以減少頭部開銷。

（六）時間的同步設(shè)計

在傳感器的運用過程中，例如基于TDMA的MAC協(xié)議的監(jiān)測和運行，基本的要求是節(jié)點之間的問題保持同步。首先，節(jié)點通過自己記錄時間，然后反饋到第三方進行校正，所以，時間精度的大小主要的影響因素是這段校正時間的長度。

四、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)狀

傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用與具體的應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān)，因此針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域，存在性能不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（一）在軍事領(lǐng)域方面的應(yīng)用

在軍事領(lǐng)域方面的應(yīng)用，可以利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對敵我區(qū)域進行實時監(jiān)控，監(jiān)控敵軍兵力、裝備等，對戰(zhàn)場情況有個全面的把握，監(jiān)測導(dǎo)彈軌跡，定位目標(biāo)進行攻擊等。

（二）在環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境檢測方面的應(yīng)用，能夠做到傳統(tǒng)的系統(tǒng)無法完成的任務(wù)。對動植物的活動、生長環(huán)境進行檢測，使其更好地進行生長發(fā)育；對生化和農(nóng)業(yè)的監(jiān)測，可以掌控其進度；還可以提前對森林火災(zāi)和洪水等災(zāi)難進行檢測。

（三）對建筑結(jié)構(gòu)方面的監(jiān)測

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實時監(jiān)控建筑物的情況，一旦發(fā)現(xiàn)建筑物的健康出現(xiàn)問題，可以及時解決，彌補了傳統(tǒng)監(jiān)控線路易老化、損壞和布線復(fù)雜的弊端，而且成本還很低廉。

（四）在醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用

無線傳感器在醫(yī)療方面的應(yīng)用，主要是讓人隨身佩戴相應(yīng)的傳感器節(jié)點，可通過人體的提問、肌肉收縮、體內(nèi)電流的相關(guān)數(shù)據(jù)，對人體的健康狀況進行非常直觀的監(jiān)測。目前有針對老年人設(shè)計的，監(jiān)測老年人的身體狀況的無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以除了對老年人的健康狀況進行檢測外，還可以做到在其發(fā)病時準(zhǔn)確報告其地理位置和身體情況的功能。

（五）在智能交通方面的應(yīng)用

無線傳感器在交通監(jiān)測方面的應(yīng)用，將節(jié)點布置在主要街道附近，對聲音、視頻、溫度等因素進行實時的監(jiān)控，還可在車上放置相應(yīng)的GPS全球定位設(shè)備的節(jié)點。在整個交通檢測系統(tǒng)中，要將重點放在數(shù)據(jù)的安全傳輸。整合。網(wǎng)絡(luò)的安全上面。

結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)雖然現(xiàn)在還沒有在國內(nèi)實現(xiàn)真正的普及開來，但是很多公司一直投入相當(dāng)多的精力去研究，相信隨著人們生活水平的不斷提高、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和通行成本的不斷降低，在不久的將來可以實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的登門入戶。

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（作者單位：北京航天試驗技術(shù)研究所）