電子信息技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用與發(fā)展

周睿禹

摘 要：隨著時(shí)代的發(fā)展，如今無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其自組織，無中心，適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)滲入到人們生產(chǎn)、生活的方方面面。通過分析其無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集到的數(shù)據(jù)，可以提高生產(chǎn)效率、監(jiān)測(cè)交通狀況、看護(hù)病人；但其也存在續(xù)航不足、性能不強(qiáng)等問題。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理性能逐步提升，續(xù)航時(shí)間逐漸增加，智能化程度日益提高。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；電子信息技術(shù)；智能傳感器

中圖分類號(hào)：TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）01-0052-02

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)地協(xié)作地監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測(cè)對(duì)象信息，提供海量的詳細(xì)測(cè)量數(shù)據(jù)，如燈光、溫度、濕度、噪音等，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，發(fā)送給觀察者。在軍事偵察、生物棲息、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，無限傳感器網(wǎng)絡(luò)有著廣泛的應(yīng)用前景[1]。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器通過無線方式通信，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，可以跟互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，通過無線通信方式形成一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。其核心是傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，一般由數(shù)據(jù)采集模塊、處理控制模據(jù)欸、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成。

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模非常大。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋很大的地理區(qū)域；另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)部署很密集，在面積較小的空間內(nèi)，密集部署了大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織，自維護(hù)。傳感節(jié)點(diǎn)可以隨機(jī)分布并自行組成網(wǎng)絡(luò)，形成大面積的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。由于環(huán)境等條件的改變，傳感器的數(shù)量會(huì)有增減，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆S時(shí)間動(dòng)態(tài)改變，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具備維護(hù)動(dòng)態(tài)路由的能力。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無中心。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)的位置都是平等的沒有預(yù)先制定的中心，是通過預(yù)先設(shè)定的算法來相互協(xié)調(diào)。由于具有無中心的特點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不會(huì)因?yàn)閱蝹€(gè)節(jié)點(diǎn)的脫離而受到損害。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，能源消耗最大的過程是通信過程，受到能源有效性的限制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由應(yīng)該在保證數(shù)據(jù)傳輸與穩(wěn)定性前提下盡量減少通信量。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作性強(qiáng)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力有限，為了采集監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作需要大量的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，信號(hào)協(xié)同和信號(hào)處理。這種方式可以有效克服處理和存儲(chǔ)能力不足的缺點(diǎn)，共同完成復(fù)雜任務(wù)的執(zhí)行。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

1.2.1 軍事領(lǐng)域

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型，隨機(jī)分布，部署快速，可自組織，隱蔽性強(qiáng)且容錯(cuò)性高等諸多特點(diǎn)，使其非常適合用于復(fù)雜惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。在軍事領(lǐng)域的主要應(yīng)用包括戰(zhàn)場(chǎng)敵情偵察，警戒地域監(jiān)視和預(yù)警，監(jiān)控?cái)澄译p方物資、兵力部署情況，判斷敵軍進(jìn)攻動(dòng)向，戰(zhàn)場(chǎng)毀傷效能評(píng)估等。

1.2.2 醫(yī)療應(yīng)用

醫(yī)療是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以提供對(duì)醫(yī)院的藥物控制和藥品管理，輔助醫(yī)生診斷和監(jiān)控病人的狀態(tài)，跟蹤病人的狀態(tài)，監(jiān)控醫(yī)生、護(hù)士的服務(wù)，還可以遠(yuǎn)程監(jiān)視特殊人群的健康狀態(tài)，提供遠(yuǎn)程治療等諸多服務(wù)。

通過部署在患者家中的傳感器網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋患者的活動(dòng)區(qū)域，患者身上的可穿戴設(shè)備可以提供必要的生理指標(biāo)，通過這些節(jié)點(diǎn)可以對(duì)患者的重要身體指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此類傳感器系統(tǒng)可以在本地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后傳輸至醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)。

1.2.3 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以有效地降低傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中的人力消耗以及對(duì)農(nóng)田環(huán)境的影響，并獲取精確的環(huán)境和作物信息。通過傳感器獲取的氣候數(shù)據(jù)，可以分析得到農(nóng)作物產(chǎn)量與日照、溫度、濕度的關(guān)系，并對(duì)灌溉等措施作相應(yīng)調(diào)整。

1.2.4 環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用

海洋、冰川、火山和原始森林等地區(qū)自然條件艱苦，人跡罕至。無線傳感器部署簡(jiǎn)單易行，以無人值守的方式長(zhǎng)期工作，且在各種不同的環(huán)境中都具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。此外，通過傳感器收集數(shù)據(jù)還可以避免數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞[2]。

1.2.5 工業(yè)應(yīng)用

在工業(yè)環(huán)境中，大范圍使用傳感器可以實(shí)施生產(chǎn)過程當(dāng)中的安全監(jiān)測(cè)，也能對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，增加產(chǎn)量、降低能耗、提高競(jìng)爭(zhēng)力。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的問題

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)部分通過電池提供能量，為了延長(zhǎng)傳感器使用壽命，能耗控制特別重要，如何在保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能前提下控制能耗成為了一個(gè)重要問題。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布密集，數(shù)據(jù)有顯著的冗余性，對(duì)于采集到的海量數(shù)據(jù)信息量需要利用數(shù)據(jù)聚集，融合。同時(shí)，在目標(biāo)跟蹤、識(shí)別等新型使用場(chǎng)景下，傳感器需要更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。目前受限于功耗和體積，傳感器數(shù)據(jù)處理模塊性能較差，數(shù)據(jù)處理能力不足。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仍然具有安全性問題。無線信道、有限的能量，分布式控制都使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易受到攻擊。被動(dòng)竊聽、主動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)是這些攻擊的常見方式。因其具有大量數(shù)據(jù)，安全性是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的部分。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信同樣重要。在復(fù)雜的環(huán)境中，信號(hào)容易被障礙物或其他電子信號(hào)干擾。在傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)以及傳感器與上層網(wǎng)關(guān)通信過程中，如何保證傳輸?shù)乃俾室约胺€(wěn)定性是一個(gè)亟待解決的問題。

2.1 電子信息技術(shù)的發(fā)展

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心的采集、傳輸、處理的各個(gè)過程，電子信息技術(shù)都發(fā)揮了巨大的作用。

2.1.1 無線通信技術(shù)

通信技術(shù)發(fā)展迅速，4G、wifi、zigbee等通信技術(shù)的發(fā)展使無線傳感器數(shù)據(jù)傳輸速度有了大幅度提升。多種通信技術(shù)融合使用，擴(kuò)大了傳感器的覆蓋范圍，并使其能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。

4G有很高的數(shù)據(jù)吞吐量、更低時(shí)延、更低的建設(shè)和維護(hù)成本、更高的鑒權(quán)能力和安全能力，使用4G網(wǎng)絡(luò)通信可以利用運(yùn)營(yíng)商的基礎(chǔ)設(shè)置覆蓋到更加廣闊的范圍。同時(shí)4G安全性能好、時(shí)延低，對(duì)下一代功能更加強(qiáng)大的傳感器網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。

ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，底層是采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體訪問層與物理層。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，采用ZigBee能以極低的功耗保持各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連接。對(duì)于數(shù)據(jù)量較小的傳感器，ZigBee能很好的完成傳輸任務(wù)。

藍(lán)牙的發(fā)展也為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了更多的通信方式。同時(shí)，第五代藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展，使其傳輸距離達(dá)到300米，理論傳輸速度達(dá)到24Mbps，并且其原生支持室內(nèi)定位，為傳感器組網(wǎng)提供了更大范圍、更多功能的通信支持。

2.1.2 傳感器智能化

智能傳感器就是具有信息處理功能的傳感器，其帶有微處理機(jī)，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。相比一般傳感器，智能式傳感器有如下顯著特點(diǎn)：

（1）提高了傳感器的精度。智能式傳感器具有信息處理功能，通過軟件不僅可修正各種確定性系統(tǒng)誤差，而且還可適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償隨機(jī)誤差、降低噪聲，大大提高了傳感器精度。

（2）提高了傳感器的可靠性。集成傳感器系統(tǒng)小型化，消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)某些不可靠因素，改善整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性能；同時(shí)它還有診斷、?；春蛿?shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，具有良好的穩(wěn)定性。

（3）提高了傳感器的性能價(jià)格比。在相同精度的需求下，多功能智能式傳感器與單一功能的普通傳感器相比，性能價(jià)格比明顯提高，尤其是在采用較便宜的單片機(jī)后更為明顯。

（4）促成了傳感器多功能化。智能式傳感器可以實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)綜合測(cè)量，通過編程擴(kuò)大測(cè)量與使用范圍；有一定的自適應(yīng)能力，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象或條件的改變，相應(yīng)地改變量程反輸出數(shù)據(jù)的形式；具有多種數(shù)據(jù)輸出形式，適配各種應(yīng)用系統(tǒng)。

2.2 傳感器協(xié)議的發(fā)展

無線傳感協(xié)議的完善，提高了數(shù)據(jù)通信，傳感器網(wǎng)關(guān)，傳感器控制的安全性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)自組協(xié)議可以使傳感器自適應(yīng)地組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，并在網(wǎng)絡(luò)傳輸中有效減少數(shù)據(jù)傳輸量，提高系統(tǒng)的效率，降低整體能耗。

李玉海等提出了SCPDA協(xié)議[3]，該協(xié)議通過在傳感器結(jié)點(diǎn)中加入混肴數(shù)據(jù)對(duì)，并將數(shù)據(jù)分組后隨機(jī)分發(fā)給其鄰居，從而達(dá)到保護(hù)數(shù)據(jù)的目的。該協(xié)議主要分為三個(gè)階段：劃分簇階段、數(shù)據(jù)混肴階段、數(shù)據(jù)聚集階段。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，該協(xié)議比已知的安全協(xié)議更加高效節(jié)能。

樊志平等提出了EECA協(xié)議[4]，該協(xié)議是基于能量效率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)快速分簇算法，其將重新選舉簇頭轉(zhuǎn)化為局部出發(fā)行為，將時(shí)間復(fù)雜度降低至O（1），使其與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模無關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面其具有良好的負(fù)載平衡性能，可以有效減少能量消耗。

3 結(jié)語

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)持續(xù)進(jìn)步，在生活的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在不同的環(huán)境中自組織地建立網(wǎng)絡(luò)，覆蓋觀測(cè)區(qū)域，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，這不僅節(jié)省了大量人力物力，而且推動(dòng)了農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè)的智能化。隨著電子信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更加智能化，能耗更低，數(shù)據(jù)傳輸能力更強(qiáng)。

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