無線傳感器網絡技術特點與運用

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無線傳感器網絡是由大量分布廣泛的、能夠進行簡單計算的微小傳感器節點，以無線通訊的方式，同時能夠自行組織起網絡的系統，是能夠在不斷變化的環境中自主完成指定任務的智能系統。隨著無線通信、嵌入式計算技術、傳感器技術、微機電技術的不斷發展，無線傳感器網絡改變了人類與自然界的交互方式，在軍事、環境監測、空間探索、反恐防暴、災難援救、醫療衛生、智能家居等方面展現出了巨大的應用價值。

1無線傳感器網絡的結構

1.1網絡結構。無線傳感器網絡通常由傳感器節點、匯集節點和管理節點組成。通過在需要監測的區域內散布大量傳感器來探測溫度、濕度、壓力、光照強度、介質濃度等環境數據，并且每個傳感器之間以自組織的形式拓展成網絡。傳感器將探測到的環境數據以特定的方式匯集到某個節點或多個節點，最終所有數據都經過衛星、互聯網或者移動通信網絡傳送給管理節點。1.2節點結構。傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成，如下圖所示。傳感器模塊的功能是監測區域內的信息，將信息進行采集并轉換成特定格式的數據；處理器模塊的功能是處理好相關數據的采集和存儲，包括自身采集的數據和其他節點傳來的數據；無線通信模塊的功能是與其他傳感器節點進行無線通信，交換信息和數據；能量供應模塊的功能是為傳感器節點供能，而供能介質通常采用微型電池。

2無線傳感器網絡的特點

2.1分布式和網絡自組。在無線傳感器網絡中并沒有原先設置中心節點，所有的節點都擁有相同的權限，各節點之間都是通過分布式算法來協調，可以在無人操作的情況下自動將所有節點組織到一起，自動地進行網絡配置和管理，通過相應的協議和算法自動形成一個具有收發大量環境數據的無線網絡。為了應對環境的復雜性，無線傳感器網絡可以隨時加入或者切除一部分節點，網絡不會因此而失效或者崩潰。2.2規模大密度高。無線傳感器網絡通常由成千上萬個傳感器節點組成，覆蓋區域大，節點密集，以盡可能獲得更為精確、完整的數據，如森林火災監護和環境監測等。同時，也正因為無線傳感器網絡的規模大，密度高，網絡中存在大量的冗余節點，從而使得能夠從不同的角度獲得盡可能多的數據，挺高了監測的精度，也降低了對單個傳感器節點的精度要求，所以無線傳感器網絡的造價相對便宜。2.3網絡拓撲動態變化。無線傳感器網絡的拓撲結構通常是不斷變化的，節點的移動、故障，節點能源的耗盡，新節點的加入，無線信道的不穩定等都有可能造成網絡拓撲結構的變化，變化的時間點和方式都很難預測。這就要求無線傳感器網絡具有自組織和動態調整的能力，可通過各種組網技術，對各節點進行動態的管理，最大程度的利用節點資源。2.4以數據為中心。無線傳感器網絡通常是為了完成某些任務為創建的。用戶關心的是監測區域內的信息，而不是某個傳感器節點上的數據。用戶在使用傳感器網絡時，是將需要查詢的信息發給網絡，而不是發給某個節點，然后傳感器網絡收集相關數據后整合成信息匯報給用戶。與以連接為中心的傳統網絡相比，無線傳感器網絡是以數據為中心的，各節點要有能聚合數據，對數據進行緩存和壓縮的功能。2.5資源受限。由于無線傳感器網絡通常用于一些特殊場所和領域，傳感器往往在價格、體積和功耗上受到限制，單個節點的計算能力、存儲空間、續航能力相對較弱，無法做大規模的存儲和計算。所以在網絡創建過程中，如何降低網絡的功耗，最大化網絡的生存周期是無線傳感器網絡要面臨的一大挑戰。

3無線傳感器網絡的應用領域

3.1軍事應用。軍事應用是無線傳感器網絡技術最先應用的領域。早在1978年，美國軍方就委托卡耐基-梅隆大學研究分布式傳感器網絡，以滿足軍方對軍用偵察系統的需求。由于無線傳感器網絡具有快速部署、可自組織、高容錯率等優點，是軍隊在戰場上進行無線通信的首選技術，目前已成為軍事C4ISRT系統不可缺少的一部分。C4ISRT系統的目標是利用先進的高科技技術，為未來的現代化戰爭設計一個集命令、控制、通信、計算、智能、監視、偵察和定位于一體的戰場指揮系統，受到了軍事發達國家的普遍重視。打仗時，指揮員往往需要及時準確地知道部隊和敵方的相關信息情況。前期鋪設的傳感器可以采集前方的信息，匯聚相關信息后發送給指揮所，形成戰場上所需的數據供指揮員調用來完成決策。由于無線傳感器網絡密度大、成本低、隱蔽性高，同時具有自組織和高的容錯率，所以即使被敵人破壞掉部分節點也不會對系統造成太大影響。與傳統無線通信技術相比，傳感器網絡非常適合于惡劣的戰場環境，能安全有效地實現戰場監控、地形探測與布防、目標探測和定位等功能。3.2環境監測。隨著我國人民生活水平的不斷提高，人們對環境的關注度也在日益增加。而在環境監控方面，無線傳感器網絡將取代原有的低效的監測手段，特別是大規模的野外環境監測中顯示出了很大的應用潛力。無線傳感器網絡可以用于監測農作物灌溉情況、土壤空氣變更情況、病蟲害預報、牲畜和家禽的環境狀況、大面積的地表監測、行星探測、氣象和地理研究、洪水監測和珍稀鳥類等瀕臨危機種群的跟蹤研究等。無線傳感器網絡在預防森林火災中得到廣泛的應用，通常是將可以長期工作的傳感器部署在容易發生火災的森林中，通過實時監測森林的狀態，可以準確、及時的預報森林的火災可能性。在室內環境監考方面，無線傳感器網絡廣泛應用于供暖、通風和空調系統，傳感器被放置在大樓內不同房間的不同位置，實時、精確地采集大樓內各處的環境參數，為大樓內的環境控制提供決策信息。3.3醫療應用。無線傳感器網絡在醫療上的應用主要是在醫療系統和健康護理兩個方面，包括人體各種生理數據的監測、跟蹤和監考醫院內醫生和患者的行動、醫院藥物管理及遠程醫療等。通過在患者需要進行監測的部位植入微型傳感器節點，來獲得患者的心率、血壓、心電等生理參數的實時數據，并將監測到的信息匯總發送給監護中心進行反饋；另外，還可以利用無線傳感器網絡對患者的生理數據進行長期的收集和觀察，對了解患者的健康狀況以及診斷疾病都很有幫助；將基于無線傳感器網絡下的醫療、健康護理體系與居家環境相結合，能更為有效地降低大眾就醫的費用，提升就醫的便利性，為未來的遠程醫療和監護提供了無限可能。3.4工農商業應用。無線傳感器網絡在工業上的應用主要有安全監控、工業生產、距離定位幾個方面。安全監控方面，廣泛應用于一些有毒氣體或者具有放射性危險的場所，如煤礦、石油鉆井、核電廠等工作場所的數據監測，傳感器節點可以代替人在危險的地方采集現場數據，將數據匯總到控制室進行處理。工業生產方面，由于從原本的有線傳感器網絡變成了無線傳感器網絡，節省了大量的控制電纜，特別是對于大的監控系統，不僅節省下了電纜費用，而且能夠實現多點的實時監控，實現高度的工業智能化和自動化。無線傳感器網絡在農業上的應用主要是通過將傳感器布置在農田中，實時的監測農田中的溫濕度數據，從而精確計算出需要的灌溉量和施肥量，甚至可以控制灌溉設備來保持農田時刻處于適宜的狀態，從而完成農業的自動化。無線傳感器網絡在商業上的典型應用是物流供應鏈的管理，傳感器網絡可以幫助定位貨品信息，包括存放位置、貨品狀態和銷售情況等，實現大型車間和倉庫的智能化、自動化管理。3.5智能家居。無線傳感器網絡在智能家居中的應用是近幾年比較熱門的方面，包括華為、小米、百度、聯想、格力等互聯網企業、制造業企業都早已開始在智能家居上進行布局。通過將無線傳感器和執行機構嵌入各種家具和家電中，可以實現家具家電的自動控制，如果將無線傳感器網絡與廣域網相連接的話，則可以實現遠程的監視和操作，甚至可以在手機上對其進行操作，比如回家前打開空調、啟動電飯煲或者讓掃地機器人開始工作等。無線傳感器與家具的融合使得人們能夠擁有更加舒適的體驗，能夠實現許多人性化的功能。

4結束語

無線傳感器網絡是一個分布式的自組織網絡，規模大，密度高，網絡結構可動態變化，以有用數據為最終目的，在各行各業都擁有廣闊的前景。除了在軍事、工業、農業、醫療上廣泛應用外，近些年在物聯網和智能家居上的應用也是發展迅速的。本為主要討論了無線傳感器網絡的特點和目前的應用情況，相關的關鍵技術會隨著應用領域的不同而有所差別，這些技術也是未來我國工程師和技術人員需要努力方向。

參考文獻

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［3］向模軍，鄒承俊.無線傳感器網絡在農業應用中的特點和前景［J］.中國沼氣，2018，36（4）：54-60.

作者:龍俊 單位:長江工程職業技術學院