無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)管窺

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)人們的生產(chǎn)及生活的許多領(lǐng)域有著重要的影響。文章主要介紹了有關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些概念，分析了傳感器網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)內(nèi)容，并對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：無線；傳感器網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP212.9；TN929.5

隨著傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、通信技術(shù)及嵌入式計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，具備通信能力、計(jì)算能力、感知能力的微型傳感器開始廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。因此，應(yīng)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)的研究，對(duì)其進(jìn)行不斷完善。

1 相關(guān)概念

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集成了微機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和傳感器三大技術(shù)，是以數(shù)據(jù)處理為中心的系統(tǒng)，其通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的感知對(duì)象信息進(jìn)行感知、采集、處理，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給觀察者。其是由傳感器節(jié)點(diǎn)通過應(yīng)用無線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的信息技術(shù)的領(lǐng)域，其在民用、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用前景都非常的廣泛。無線傳感器節(jié)點(diǎn)的組成有計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、傳感子系統(tǒng)和能量供應(yīng)子系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)是通過微控制器和微處理器構(gòu)成的，其主要負(fù)責(zé)對(duì)傳感器進(jìn)行控制、對(duì)傳感數(shù)據(jù)的算法與執(zhí)行通信協(xié)議進(jìn)行相關(guān)的處理。而短距離的無線通信的無線收發(fā)電路主要由通信子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。而激勵(lì)裝置及傳感器共同構(gòu)成傳感子系統(tǒng)。能量供應(yīng)子系統(tǒng)主要由交直流轉(zhuǎn)換器及電池組成。

一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)一般由很多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，且節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用不同，其組成部分也各有很多差別。傳感單元包括很多傳感功能的D/A、A/D轉(zhuǎn)換模塊，并根據(jù)所需監(jiān)測(cè)的對(duì)象的具體情況來判斷使用單一或多功能的傳感器。處理單元主要是通過存儲(chǔ)器、嵌入式CPU、嵌入式操作系統(tǒng)等共同將嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成成立起來。傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)是互聯(lián)網(wǎng)、sink節(jié)點(diǎn)、分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、用戶界面等。為獲取第一手信息，會(huì)密集的投放傳感器節(jié)點(diǎn)在待監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)。Sink節(jié)點(diǎn)其本身可進(jìn)行充電，儲(chǔ)備了很多能量，相當(dāng)于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。能夠讓信息平臺(tái)和位于較遠(yuǎn)處節(jié)點(diǎn)所收集到的信息之間進(jìn)行信息的傳輸或交換，如互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星。而用戶界面是處理監(jiān)測(cè)信息的平臺(tái)，通過用戶界面能夠更加便捷的掌握及處理從監(jiān)測(cè)區(qū)域獲得的信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)的生成及其工作方式是先將通過使用機(jī)械方法、飛行器空投方法等隨機(jī)散播傳感器節(jié)點(diǎn)并將其布置到待監(jiān)測(cè)的區(qū)域。之后傳感器節(jié)點(diǎn)將會(huì)保持在自檢啟動(dòng)的喚醒狀態(tài)。所有的傳感器通過發(fā)出信號(hào)，監(jiān)控并記錄周圍傳感器節(jié)點(diǎn)相應(yīng)對(duì)外的工作的情況。節(jié)點(diǎn)通過對(duì)所監(jiān)測(cè)到的別的傳感器節(jié)點(diǎn)的狀況的分析，并通過組網(wǎng)算法形成網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，則要通過路由算法對(duì)合適路徑進(jìn)行選擇來實(shí)現(xiàn)。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)內(nèi)容

2.1 安全性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全方面主要包括安全路由及安全協(xié)議。通常，很多節(jié)點(diǎn)都會(huì)密集分布在相同的區(qū)域內(nèi)，而最終要到達(dá)目的地則需要通過很多的節(jié)點(diǎn)消息的傳導(dǎo)。傳感器具有動(dòng)態(tài)性，且是多跳結(jié)構(gòu)，需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備路由功能。且傳感器節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)潛在的路由，極易遭受入侵，進(jìn)而造成整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全受到威脅。網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議將關(guān)鍵的路由服務(wù)提供給了整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用性與安全性也受到安全的路由算法很大的影響。安全路由協(xié)議通過使用身份認(rèn)證、認(rèn)證廣播以及雙向連接認(rèn)證等機(jī)制，能夠增強(qiáng)路由的安全性，使網(wǎng)絡(luò)對(duì)外部攻擊的抵御能力得到有效地提高。在安全保障方面有安全組播和密鑰管理兩種方式。安全組播是指可能在敵對(duì)環(huán)境中設(shè)置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，需在其里形成基于源端認(rèn)證的安全組播以避免供給者將偽造的信息注入網(wǎng)絡(luò)中。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量問題。傳感器的節(jié)點(diǎn)需要對(duì)待監(jiān)測(cè)區(qū)域獲得的消息進(jìn)行分析及數(shù)據(jù)處理等，且其分布的數(shù)量多范圍大，而其一般通過電池進(jìn)行供電，可用電量有限。且為數(shù)量龐大的節(jié)點(diǎn)更換電池很困難。因此，在不影響節(jié)點(diǎn)功能的基礎(chǔ)上，節(jié)約其電池能量也成為其軟硬件設(shè)計(jì)的核心問題。因此，在很多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，因傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的事件具有偶發(fā)性，不需要所有的單元都工作，可通過使用休眠模式，使節(jié)點(diǎn)能夠自適應(yīng)進(jìn)行喚醒與休眠，進(jìn)而達(dá)到節(jié)省能量的目的。還可將所有的功耗單元進(jìn)行相應(yīng)的有機(jī)組合，使眾多的傳感器節(jié)點(diǎn)形成多種不同的狀態(tài)，讓其根據(jù)具體情況在不同狀態(tài)之間進(jìn)行切換，節(jié)省其需耗損的能源。

2.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及網(wǎng)狀與星形相互混合的方式。而關(guān)于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)種類的使用決定也需要進(jìn)行多方面的考慮。如需要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x，傳輸?shù)念l率，節(jié)點(diǎn)的變化水平等多重因素。在很多節(jié)點(diǎn)間能夠發(fā)生網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的業(yè)務(wù)流能，且各節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路能夠被直接的建立起來。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的健壯性很強(qiáng)，因節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間都連接有多條鏈路，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)失敗時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)重新配置此節(jié)點(diǎn)周圍的所有節(jié)點(diǎn)，重新保持各節(jié)點(diǎn)之間的連接。但因所有節(jié)點(diǎn)都長期處于正常工作的狀態(tài)，能量的消耗也就更為嚴(yán)重，處理的負(fù)擔(dān)也較大。節(jié)點(diǎn)與基站間發(fā)生星形結(jié)構(gòu)的業(yè)務(wù)流。星形結(jié)構(gòu)所需要的能量少，但受到直傳距離的限制。網(wǎng)狀與星形的混合方式具備網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的自修復(fù)和擴(kuò)展功能，還具有星形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單低耗的優(yōu)點(diǎn)。在中繼器或路由器的周圍進(jìn)行一些星形方式設(shè)置節(jié)點(diǎn)，并通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，這樣就能在一定程度上擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用

3.1 在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，其低成本、自組織性、密集性、隨機(jī)分布、強(qiáng)大的容錯(cuò)能力及抗毀性等特性都是軍方所需要的。一般將大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過特種炮彈發(fā)射或飛機(jī)撒播等方法集中撒播到人員很難到達(dá)的觀察區(qū)域。分析監(jiān)測(cè)區(qū)域的目標(biāo)的距離、目標(biāo)的目的地及速度等，可通過被動(dòng)傳感器如聲學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)以及電氣等類型的傳感器及主動(dòng)傳感器來完成。一般情況下，傳感器只需穩(wěn)定工作數(shù)周，不用嚴(yán)格要求其功耗。但若在未知環(huán)境如需要克服氣候、壓力、溫度等方面的惡劣環(huán)境。以及為防止其被發(fā)現(xiàn)及摧毀，傳感器本身也應(yīng)盡量小型化。應(yīng)優(yōu)先考慮傳感器適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力及小型化的要求。

3.2 在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境方面的應(yīng)用也很廣泛。其可以對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，也可用于野外火災(zāi)的檢測(cè)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用廣泛。國外發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)部分農(nóng)田的土壤濕度、光照強(qiáng)度等進(jìn)行適時(shí)的檢測(cè)，來確定如何耕作土壤。環(huán)境方面的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署所需要的成本低、操作也相對(duì)簡(jiǎn)單、不需要進(jìn)行農(nóng)田的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)、長期不需要進(jìn)行電池的更換。而節(jié)點(diǎn)的密集布置，能夠?qū)⑽⒂^的環(huán)境因素檢測(cè)出來，這為環(huán)境的監(jiān)測(cè)研究提供了新的路徑

3.3 在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。在醫(yī)療領(lǐng)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也十分廣泛。通過將一些體溫、血壓等微型無線傳感器安裝在病人的身上，并通過其住宅內(nèi)的傳感器網(wǎng)關(guān)，醫(yī)生能夠遠(yuǎn)程了解病人的身體健康狀況。將血壓及脈搏監(jiān)測(cè)設(shè)備等具有特殊功能的傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在住院病人的身上，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)，病人的病情可以及時(shí)反饋到醫(yī)生的手中，并作出及時(shí)有效的處理。還可利用傳感器網(wǎng)絡(luò)收集從病人身上累積到的長期的生理數(shù)據(jù)來進(jìn)行相關(guān)的新藥品的研制。除此之外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在藥物管理等方面也能發(fā)揮其特殊優(yōu)勢(shì)，將節(jié)點(diǎn)與藥品的類別相互對(duì)應(yīng)放置，通過連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)后將所開藥品辨認(rèn)出來，防止拿錯(cuò)藥或開錯(cuò)藥的情況發(fā)生。

綜上所述，傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)新興的包含著多學(xué)科的技術(shù)。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景的不斷擴(kuò)大，其將受到越來越的研究和關(guān)注。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的領(lǐng)域也將更加廣泛，必將對(duì)人們的生產(chǎn)及生活產(chǎn)生重大的影響。

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作者簡(jiǎn)介：郝煊光（1978.06-），男，吉林遼源人，畢業(yè)于中央廣播電視大學(xué)遼源分校計(jì)算機(jī)專業(yè)，本科，助理通信工程師，研究方向：數(shù)據(jù)通信。

作者單位：中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司遼源市分公司，吉林遼源 136200