探討無線傳感器網(wǎng)絡技術的應用現(xiàn)狀

◆唐研豐 李 成 李成武

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡間的節(jié)點之間分工合作，在網(wǎng)絡分布區(qū)域對監(jiān)測對象進行實時感知，通過數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理和傳輸四個過程將數(shù)據(jù)信息傳送到指定地點，為用戶及時提供真實、準確的信息，給人們的生活和工作帶來了極大的便利。

1 無線傳感器網(wǎng)絡概述

無線傳感器網(wǎng)絡是一種分布式傳感網(wǎng)絡，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器。在無線傳感器網(wǎng)絡中，以無線作為通信方式，可隨時更改設備位置，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進行有線或無線方式的連接，網(wǎng)絡設置具有較高的靈活性。因此，無線傳感器網(wǎng)絡又被人們認為是一個通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡。作為一種新型的傳感網(wǎng)絡，無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展基礎是片上系統(tǒng)、微機電系統(tǒng)、無線通信和低功耗嵌入式技術，此外，還有傳感器技術、能量收集技術、嵌入式操作系統(tǒng)技術、多跳自組織網(wǎng)絡的路由協(xié)議等關鍵性技術，在這些技術的影響下，無線傳感器網(wǎng)絡進步飛快。無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)由三個節(jié)點組成，即傳感器節(jié)點、管理節(jié)點和匯聚節(jié)點，具有大規(guī)模、自組織、動態(tài)性、可靠性、集成化、以數(shù)據(jù)為中心的特點，采用協(xié)作方式執(zhí)行任務，包括協(xié)作式采集、存儲、處理及傳輸信息。與傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡相比，無線傳感器網(wǎng)絡在以下幾個方面表現(xiàn)出了突出的優(yōu)勢：無人值守；可以進行音頻、圖像、視頻等多媒體信息的采集；可以感知到豐富的信息，實現(xiàn)細粒度、高精準的監(jiān)控；在一般情況下，具有較強的方向性；等等。

2 無線傳感器網(wǎng)絡技術的應用現(xiàn)狀

目前，無線傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)被廣泛于環(huán)境監(jiān)控、智能交通、軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑、農(nóng)業(yè)等多個領域。除此之外，無線傳感器網(wǎng)絡還被應用到井礦、核電廠等危險的工作環(huán)境中，用以監(jiān)測工作環(huán)境的安全性。同時，相關人員正在對無線傳感器網(wǎng)絡在工廠中的應用進行研究，主要是針對由無線傳感器網(wǎng)絡組成的監(jiān)控系統(tǒng)進行測試，一旦成功，就可以實現(xiàn)對工廠運行過程的動態(tài)監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)工廠在運用過程中出現(xiàn)的問題，提高運行效益，并延長設備的使用壽命，降低檢測設備的成本。

2.1 環(huán)境監(jiān)控

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們所面臨的環(huán)境問題也更加復雜，而在環(huán)境問題受到社會普遍關注的情況下，非常有必要采取先進的科學技術手段為解決環(huán)境問題提供幫助，無線傳感器網(wǎng)絡技術則為環(huán)境問題的解決做出了突出貢獻。利用無線傳感器網(wǎng)絡采集更多的環(huán)境數(shù)據(jù)，為隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供便利，還能夠克服傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式的弊端，避免給環(huán)境再次造成危害。無線傳感器網(wǎng)絡可通過傳感器節(jié)點的部署，研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響，還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，監(jiān)測出海洋、森林、大氣、土壤、火山等各種自然環(huán)境的狀況，為自然災害的預防提供真實準確的數(shù)據(jù)。比如，英特爾研究實驗室研究人員曾借此技術讀出緬因州“大鴨島”上的氣候，用來評價一種海燕巢的條件。

2.2 農(nóng)業(yè)

無線傳感器節(jié)點在農(nóng)業(yè)中也得到了普遍應用，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：在大型氣調冷藏庫中，可以測量溫度、濕度以及氣體濃度等，為果蔬貯藏提供有利的環(huán)境，延長果蔬的貯藏時間，同時可以增強果蔬的保鮮效果：在溫室環(huán)境里，可以測量溫度、土壤濕度、光照等，從而得到相關數(shù)據(jù)，獲得農(nóng)作物生長的最佳條件，為農(nóng)作物的生長創(chuàng)造更加適宜的環(huán)境；可以對牲畜家禽和農(nóng)作物的生長狀況進行長期監(jiān)控，提高農(nóng)業(yè)效益。此外，無線傳感器在精細能農(nóng)業(yè)中的應用也受到了相關人員的高度重視，比如，檢測農(nóng)作物中的害蟲、判斷土壤的酸堿性、施肥狀況等。

2.3 軍事

無線傳感器網(wǎng)絡的優(yōu)點非常多，比如隨機分布、密集型、抗毀、容錯等，可以被應用到軍事領域之中，在惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，可以用來監(jiān)控兵力、物資、裝備和偵察敵情，還可以對生物化學攻擊進行判斷，完成戰(zhàn)場環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測等。比如自主反應控制，可以對武器實現(xiàn)自動化控制，傳感器將根據(jù)提前設定的條件參數(shù)，作出自我判斷控制。美國國防部遠景計劃研究局已經(jīng)投資幾千萬美元，幫助大學進行“智能塵?！眰鞲衅骷夹g的研究。

2.4 醫(yī)療衛(wèi)生

傳感器節(jié)點的尺寸較小，可以對病人的血壓和心率進行監(jiān)測，及時、準確地向醫(yī)生傳遞相關的數(shù)據(jù)，幫助醫(yī)生了解病人的病情，在病人出現(xiàn)緊急情況的時候，可以采取緊急搶救措施。此外，還可以將傳感器節(jié)點部署在人體內，提高了對人體心跳、血壓和熱能進行控制的準確性，實現(xiàn)自主反應，為解決人們的健康問題提供了更加便捷的途徑，是未來醫(yī)療領域的發(fā)展方向。比如英特爾以無線傳感器網(wǎng)絡為基礎，推出了家庭護理技術，這項技術是為了應對CAST的一個環(huán)節(jié)而開發(fā)的，主要是在家中的一些道具和設備中嵌入半導體傳感器，為老齡人士、阿爾茨海默式病患者及殘障人士提供生活幫助，減輕護理人員的負擔。

2.5 建筑

無線通信方式使無線傳感器節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸方式，因此，可以在一些珍貴的古老建筑內部署傳感器節(jié)點，這些傳感器節(jié)點具備測量光照、溫度、濕度和壓力的功能，能夠實現(xiàn)對古建筑的監(jiān)測，為古建筑的保護工作作出突出貢獻。此外，在裝飾施工的過程中，針對智能家居，可以將傳感器節(jié)點部署在空調系統(tǒng)和照明系統(tǒng)中，在探測到環(huán)境的變化信息之后，將此信息傳輸給家電控制系統(tǒng)，由家電控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行適當處理，再將控制信號發(fā)送給各種電器產(chǎn)品，為人們提供更加舒適的居住環(huán)境。

3 無線傳感器網(wǎng)絡展望

無線傳感器以其特有的優(yōu)勢被廣泛應用到多個領域當中，使各領域實現(xiàn)了飛躍性的發(fā)展，但無線傳感器網(wǎng)絡在某些方面仍然不完善的地方，只有這些問題得到解決，才能促進無線傳感器網(wǎng)絡的進一步發(fā)展。主要體現(xiàn)在以下三個方面：無線傳感器缺乏統(tǒng)一的技術標準和系統(tǒng)架構，由于無線傳感器的產(chǎn)品類型眾多，在技術方面存在較大差異，許多通信方式和接口缺乏兼容性，導致無線傳感器無法向產(chǎn)業(yè)化和標準化的進程發(fā)展，因此，要想進一步擴大無線傳感器網(wǎng)絡的應用范圍，首先就要建立統(tǒng)一的技術標準和系統(tǒng)構架；無線傳感器的節(jié)點耗能高，且當節(jié)點電能耗盡時就會失效，自動突出網(wǎng)絡。因此，如何實現(xiàn)節(jié)能、提高節(jié)點的生命周期將成為接下來無線傳感器網(wǎng)絡研究的重點方向；無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點通信范圍較小，且容易受到微波干擾和自然環(huán)境的影響，網(wǎng)絡穩(wěn)定性較差，促進無線傳感器網(wǎng)絡的廣泛應用需提高網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。

4 結束語

綜上所述，無線傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)在諸多領域得到了廣泛應用，其發(fā)展前景十分廣闊，相關人員應當針對無線網(wǎng)絡傳感器在應用時出現(xiàn)的問題進行改進，尤其是要建立統(tǒng)一的技術標準和系統(tǒng)結構，為無線傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模應用奠定基礎，促使無線傳感器網(wǎng)絡為各行各業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻。