吳秋璇,尹彥丹,付鴻川（重慶郵電大學自動化學院,重慶 400065）

無線傳感器發(fā)展現(xiàn)狀及通過其在環(huán)境監(jiān)測領域應用觀察到的特點與不足

吳秋璇,尹彥丹,付鴻川
（重慶郵電大學自動化學院,重慶 400065）

無線傳感器網(wǎng)絡（WSN)是一種集成多方面技術(shù)為一體的新型智能監(jiān)控網(wǎng)絡,其具有大規(guī)模。自組織等特點,廣泛應用于環(huán)境監(jiān)控、軍事、醫(yī)療衛(wèi)生等領域，已然成為了當下通信方面研究的熱點。但隨著研究及應用的深入，其固有的問題也暴露出來，亟待解決。本文立足于WSN發(fā)展現(xiàn)狀及應用領域，選取無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測方面的應用為例，提出了無線傳感器網(wǎng)絡應用的特點與不足。

無線傳感器網(wǎng)絡；環(huán)境監(jiān)測與保護；定位技術(shù)；信息安全

0　引言

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)吸引了學術(shù)界以及政府的眼球，已經(jīng)逐步成為在國防軍事、智能家居、建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)控等領域中最有競爭力的應用技術(shù)之一。

1　無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展現(xiàn)狀

90年代末，無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）隨著微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS)、片上系統(tǒng)(SystemonChip,SoC)、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展應運而生。中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟普遍認為，WSN的發(fā)展歷程分為以下三個階段：傳感器→無線傳感器→無線傳感器網(wǎng)絡（大量微型、低成本、低功耗的傳感器節(jié)點組成的多跳無線網(wǎng)絡）。自其誕生以來，可謂發(fā)展迅猛。該技術(shù)得到學術(shù)界、工業(yè)界乃至政府的廣泛關注。近幾年來，大量的無線傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)開始投入到各個領域中進行使用。因其可以在任何時間任何地點對監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)進行收集、處理、分析的特點，在環(huán)境監(jiān)測與保護、軍事、智能農(nóng)業(yè)、文物保護、醫(yī)療護理以及空間探索等領域都有著潛在和廣泛的需求。

2　無線傳感器在環(huán)境監(jiān)測領域的應用

隨著人們對環(huán)境問題的關注程度越來越高，越來越多的專家學者開始對環(huán)境進行研究，這意味著需要采集大量的環(huán)境數(shù)據(jù)，而無線傳感器網(wǎng)絡的出現(xiàn)為隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，它可以跟蹤過昆蟲和候鳥的遷徙；可以檢測海洋、大氣的成分，研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響；還可以檢測農(nóng)作物中的害蟲，調(diào)查施肥情況。

2.1優(yōu)勢及特點

（1）優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測手段相比較，WSN對環(huán)境進行檢測有著以下的幾項優(yōu)勢：一，無線傳感器網(wǎng)絡具有自組性，如同通過飛機播散傳感器至廣袤的原始森林，節(jié)點的位置不能預知，節(jié)點間相鄰關系的不能預先設定，提供了快速部署網(wǎng)絡的可能；二，無線傳感器采集的數(shù)據(jù)通過中間節(jié)點進行傳送，可以在不增加功耗和成本的前提下將系統(tǒng)的性能提高一倍；三，無線傳感器網(wǎng)絡可以部署惡劣的環(huán)境中或者在人類不宜到達的區(qū)域，使得數(shù)據(jù)采集變得簡單。

（2）特點。利用無線傳感器網(wǎng)絡對環(huán)境進行監(jiān)測及保護具有以下特點：1）監(jiān)測過程中，需要較大范圍安置傳感器以獲得大量的信息。2）鑒于無線傳感器的特性，在監(jiān)測的整體進程中，無須鋪設大量電纜，系統(tǒng)運行的費用較低，且系統(tǒng)更新迅速。3）無線傳感器與計算機技術(shù)密不可分，因此無線傳感器中的節(jié)點具有數(shù)據(jù)存儲能力，能夠?qū)⒋罅繑?shù)據(jù)儲存到后臺，方便研究人員進行調(diào)用分析。4）鑒于無線傳感器的特性三，使得其能在無人環(huán)境、環(huán)境惡劣或遠距離情況下采集和傳送信息，代替人力進行操作，減少了人類工作的工程量以及危險性，從而在一定程度上保證系統(tǒng)工業(yè)級品質(zhì)安全可靠。5）在一些特定情況下，一些生物群種，如高原上的野生藏羚羊，對于外來因素非常敏感，因此人類如果直接進行人為的生態(tài)環(huán)境監(jiān)控反而對藏羚羊造成干擾，從而會破壞環(huán)境的完整性，影響種群的習性和分布，導致結(jié)果不夠準確。但無線傳感器無生命體征，可以減少對生物物種的影響。

3　無線傳感器還面臨的問題

無線傳感器有著極好的應用前景，但是不得不提出的是，在其正常運行并大量投入使用的前景之下，還面臨著如下一些問題：（1）電源能量有限。一般來說，無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點采用電池供電，但是在很多工作環(huán)境下，如高溫、高壓或需要長期工作的野外，當然不能頻繁更換電池或者頻繁充電。因此，能量的如何持久補充或許是無線傳感器下一個待突破的瓶頸。（2）通信能力有限。在無線傳感器中，傳感器的節(jié)點的通信帶寬窄且變化頻繁，且通信半徑較短。在頻繁通信時，節(jié)點極易發(fā)生故障。在復雜的工作強度之下，傳感器會受到山石滾落、建筑物遮蔽等地形、外界因素及天氣因素的影響，從而導致節(jié)點脫離網(wǎng)絡，進一步失效。而節(jié)點的離線工作，將使得傳感器的通信能力大大降低，（3）計算能力有限。人類應用無線傳感器的最終目標是對監(jiān)測環(huán)境進行數(shù)據(jù)采樣和收集，研究人員期待通過無線傳感器收集大量的信息進行研究。但是，無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點中的設備處理能力和容量有限，使得采集到的大量信息并不能全部被完好保存，因此，無線傳感器網(wǎng)絡被有效應用的重要前提便是如何研發(fā)并且使用大量具有有限計算能力和儲存能力的節(jié)點進行協(xié)作分布式信息處理。（4）安全管理存在問題。一，無線傳感器的節(jié)點計算能力不高，節(jié)點與節(jié)點之間難以建立關系。二。在無線傳感器網(wǎng)絡中，由于無線信道的時變性和節(jié)點的移動性，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡成員及其各成員之間的信任關系處于動態(tài)變化之中，單個節(jié)點的泄露便會危害整體網(wǎng)絡的安全。

4　展望

當下而言，WSN是一種全新的信息獲取平臺，能實時監(jiān)測和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內(nèi)各種檢測對象的信息，被譽21世紀最具影響的21項技術(shù)之一，為人類未來生活產(chǎn)生深遠影響的十大新興技術(shù)的第一名。這讓我聯(lián)想到物聯(lián)網(wǎng)體系的感知層與網(wǎng)絡層，乍一想，這不就是物聯(lián)網(wǎng)感知層與網(wǎng)絡層的整體解決方案么？美國《商業(yè)周刊》與MIT技術(shù)評論分別將無線傳感器網(wǎng)絡列為改變世界的10大技術(shù)之一。了解于此，內(nèi)心燃起了一團火焰，因為覺得這個將成為我們將以時代推動者的身份參與到人類21世紀的建設中。

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