武警工程大學(xué)信息工程系 楊文帥 趙宏旭

基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息獲取技術(shù)

武警工程大學(xué)信息工程系 楊文帥 趙宏旭

當(dāng)今時(shí)代，信息化、科技化迅猛發(fā)展，加速了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的誕生。如何利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取到人們需要的信息已成為當(dāng)今形勢(shì)下的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文重點(diǎn)論述了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及應(yīng)用，介紹了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并論述了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景及趨勢(shì)。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；信息獲?。粎f(xié)議

1 引言

當(dāng)今時(shí)代，自動(dòng)化技術(shù)飛速發(fā)展，多種通信模式的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器應(yīng)運(yùn)而生。并且隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，人們?cè)诟鼜V泛的領(lǐng)域提出傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化需求。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由于展開(kāi)快速、抗毀能力強(qiáng)、監(jiān)測(cè)精度高、覆蓋區(qū)域大等特點(diǎn)在航天、工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面產(chǎn)生了廣闊的應(yīng)用前景。由此，人們對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究逐步深入，成為當(dāng)前信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

本文主要論述了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及應(yīng)用，介紹了國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，最終論述了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景及趨勢(shì)。

2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks）是由大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)所有者。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該圖直觀而又形象的體現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成要素以及各部分之間的聯(lián)系，對(duì)該示圖說(shuō)明如下。（1）monitoring area：監(jiān)測(cè)區(qū)域。即無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)所面向的工作對(duì)象。（2）Cluster：簇頭。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)先將數(shù)據(jù)傳給簇頭，簇頭將數(shù)據(jù)融合之后再轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳或直接轉(zhuǎn)發(fā)給基站。（3）Nodes：傳感器節(jié)點(diǎn)。部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域，通過(guò)自組織方式構(gòu)成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他節(jié)點(diǎn)逐跳進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，經(jīng)過(guò)多跳后達(dá)到匯聚節(jié)點(diǎn)。（4）Sink node:匯聚節(jié)點(diǎn)。是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建，再將傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)傳輸進(jìn)來(lái)的信息與數(shù)據(jù)通過(guò)串行通信接口（SCI）傳送至服務(wù)器端PC。（5）Head in cluster:簇頭節(jié)點(diǎn)。（6）Internet:網(wǎng)絡(luò)。利用網(wǎng)關(guān)或IP節(jié)點(diǎn)，屏蔽下層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，向遠(yuǎn)端的Internet用戶(hù)提供實(shí)時(shí)的信息服務(wù)，并且實(shí)現(xiàn)互操作。

當(dāng)然,上圖所示僅為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)要示意圖，在真實(shí)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通常有成百上千數(shù)量的節(jié)點(diǎn)。

3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的開(kāi)展幾乎與國(guó)外同時(shí)起步。在國(guó)內(nèi)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的進(jìn)展非常迅速，已經(jīng)在很多研究所和高校廣泛展開(kāi)。其研究的熱點(diǎn)包括：設(shè)計(jì)小型化的節(jié)點(diǎn)設(shè)備、開(kāi)發(fā)適合傳感器節(jié)點(diǎn)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及各層協(xié)議、時(shí)間同步機(jī)制與算法、傳感器節(jié)點(diǎn)的自身定位算法和以其為基礎(chǔ)的外部目標(biāo)定位算法等。特別是進(jìn)入21世紀(jì)后，對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問(wèn)題有了更加新穎的解決方案，但是這個(gè)領(lǐng)域總體來(lái)說(shuō)屬于起步階段，目前還有很多問(wèn)題亟待解決。

3.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)方面，美國(guó)從上世紀(jì)九十年代起，就對(duì)集成的無(wú)線(xiàn)傳感器、無(wú)線(xiàn)嵌入式系統(tǒng)等展開(kāi)研究。直到今天，美國(guó)很多大學(xué)都已經(jīng)開(kāi)展了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。加州大學(xué)伯克利分校研制的傳感器系統(tǒng)Mica、Mica2、Mica2Dot已被廣泛地應(yīng)用于低能耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開(kāi)發(fā)；麻省理工學(xué)院致力于基礎(chǔ)知識(shí)的信號(hào)與處理技術(shù)；哈佛大學(xué)研究無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信基礎(chǔ)理論等等。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)巨大優(yōu)勢(shì)的吸引下，日本、英國(guó)、意大利等國(guó)家結(jié)合自身實(shí)際也陸續(xù)開(kāi)展了該領(lǐng)域的研究工作。

4 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

4.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)中的應(yīng)用

近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)中的應(yīng)用屢見(jiàn)不鮮。人們大都利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到了自己的目的，使得無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)界能夠發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。周琦在文獻(xiàn)[2]中提出了一種能夠監(jiān)測(cè)低溫乙烯傳輸過(guò)程溫度的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)的核心是在低溫乙烯傳輸線(xiàn)路中，選擇適當(dāng)位置設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)很好的解決了低溫乙烯傳輸過(guò)程的技術(shù)難題。

4.2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

隨著時(shí)代的發(fā)展以及科技的進(jìn)步，“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”模式逐步成為一種被各國(guó)都普遍認(rèn)可的模式。發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，不僅有利于農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的提升，在水資源等較為緊缺的條件下，還可以最大限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)水，使得每一滴水都發(fā)揮其應(yīng)有的作用。此外，還可以解放勞動(dòng)力，使人們更加輕松，便于人們的生活。

4.3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療衛(wèi)生界的應(yīng)用

在醫(yī)療衛(wèi)生界，由于癥狀較重的患者需要實(shí)時(shí)護(hù)理，如果這項(xiàng)工作由手工完成，則會(huì)形成“既占用人力資源，監(jiān)測(cè)結(jié)果還可能誤差較大”的局面。而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠發(fā)揮巨大作用，并且已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用。通過(guò)運(yùn)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)裝備，可以將患者的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行獲取、收集，而這些精度較高的數(shù)據(jù)更有利于醫(yī)生對(duì)患者病情的全方位掌控。

4.4 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人民生活水平較之前有了質(zhì)的飛躍。但是，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，生態(tài)環(huán)境遭受了破壞。習(xí)主席站在時(shí)代的高度，立足長(zhǎng)遠(yuǎn)，提出了“兩山理論”。實(shí)現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)又能做到保護(hù)環(huán)境，還得靠技術(shù)革新。

而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠在環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮作用，并且可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的長(zhǎng)期工作。通過(guò)運(yùn)用此技術(shù)，人們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)江河湖泊、草原森林以及其它要點(diǎn)部位的無(wú)死角監(jiān)測(cè)，為環(huán)境保護(hù)提供數(shù)據(jù)支持且得到了有關(guān)部門(mén)的實(shí)踐。

5 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)作為21世紀(jì)最重要的技術(shù)，其發(fā)展已經(jīng)得到了諸多國(guó)家相關(guān)部門(mén)的高度重視，傳感器網(wǎng)絡(luò)已逐步在各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，前景十分光明。不可否認(rèn)，科技發(fā)展、永無(wú)止境。傳感器網(wǎng)絡(luò)在如下諸多方面存在不足，而人們針對(duì)這些不足之處所做的改進(jìn)，必將成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。

5.1 網(wǎng)絡(luò)更加安全

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以被看做為一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)葹橐惑w的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸，除了要盡可能保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確到達(dá)信宿外，還要考慮傳輸過(guò)程中信道的安全性。對(duì)于接收者而言，自己獲取的信息一旦被截獲，將會(huì)產(chǎn)生惡劣的影響。因此，必須利用網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，對(duì)傳輸過(guò)程的安全性進(jìn)行保障。

5.2 成本更加低廉

為了發(fā)揮無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，使其對(duì)人類(lèi)生活帶來(lái)更大便利，最好的方法是將其普及至各個(gè)行業(yè)。而就無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)往往數(shù)量極大，這就使得其成本極高，不利于其實(shí)用化。通過(guò)采取措施，降低其成本，是推動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵點(diǎn)。以此看來(lái)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)成本的低廉化將成為其發(fā)展的又一方向。

5.3 電源耐久性與節(jié)能

對(duì)于某些工作于特殊環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)裝備，例如部署在極端條件下用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，由于其電源難以更換、節(jié)點(diǎn)能耗大等導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)使用期太短。未來(lái)一段時(shí)間，此問(wèn)題仍是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)問(wèn)題。一是尋找更加耐久的電源裝置，使得供電模塊能夠提供更大容量的能量；二是對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，使節(jié)點(diǎn)更加節(jié)能。做好上述兩點(diǎn)，便可保證無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在一定電量下工作的耐久性。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析，論述了其在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的重大應(yīng)用，并得出了三點(diǎn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向?？傮w而言，本文為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究提供了基本的資料及思路。本文在論述其發(fā)展前景之時(shí)，考慮稍有不足，實(shí)際中其發(fā)展前景不止此三點(diǎn)。更加深入分析無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，更加系統(tǒng)的論述其發(fā)展前景，也將成為作者以后的研究方向。

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