無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用綜述*

任志玲， 張廣全， 林 冬， 張鐘保， 趙 星

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)為隨著近距離、低功耗無線通信技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生，由一組傳感器節(jié)點(diǎn)在自組織的組網(wǎng)方式下構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，綜合了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、分布式信息系統(tǒng)技術(shù)、微電子技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和無線通信技術(shù)等多個學(xué)科[1]。WSNs由具有感知能力、計(jì)算能力以及通信能力的微型傳感器根據(jù)Ad-Hoc方式構(gòu)成,通過眾多節(jié)點(diǎn)間的分工協(xié)作，實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域中的各種環(huán)境數(shù)據(jù)和被監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得準(zhǔn)確而詳盡的實(shí)時(shí)信息，最終傳送至用戶[2,3]。

由于WSNs為面向具體應(yīng)用型的網(wǎng)絡(luò)，在軍事、交通、醫(yī)療、環(huán)保、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、物流、家居等許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。許多中外學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究[4～10]。

本文綜述了WSNs的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)組成和主要特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了WSNs在各領(lǐng)域的主要應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀。

1 WSNs的體系結(jié)構(gòu)

WSNs系統(tǒng)由無線傳感器節(jié)點(diǎn)群、傳輸介質(zhì)、用戶端三部分組成。典型WSNs的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 WSNs體系結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)利用多跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式將需要發(fā)送的信息數(shù)據(jù)傳到用戶端，而節(jié)點(diǎn)主要通過人工處理以及飛行器散播等方式將節(jié)點(diǎn)布設(shè)于被檢測的區(qū)域內(nèi)，在感知區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)通常自主形成網(wǎng)絡(luò)，對目標(biāo)對象進(jìn)行感知與監(jiān)測，進(jìn)而向匯集節(jié)點(diǎn)傳播信息，以便將該區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至基站，基站通過與因特網(wǎng)或衛(wèi)星通信的有效結(jié)合，將信息傳送至用戶端。

2 WSNs的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)對比分析，WSNs具有集感知、處理、傳輸于一體，硬件資源有限，電源容量有限，無中心，自組織，多跳路由，動態(tài)拓?fù)?，?jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集等特點(diǎn)，因此，在很多方面均具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

3 WSNs的應(yīng)用

1)軍事領(lǐng)域應(yīng)用

WSNs的研究最早起源于軍事領(lǐng)域，戰(zhàn)場環(huán)境惡劣、瞬息萬變，致使收集敵軍情報(bào)具有一定的難度和危險(xiǎn)性[11]。WSNs具有可快速部署、隱蔽性強(qiáng)、自組織和高容錯性的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對敵方地形、兵力布防以及裝備的偵察、實(shí)時(shí)監(jiān)視戰(zhàn)場形勢、準(zhǔn)確定位攻擊目標(biāo)、評估戰(zhàn)場、探測和偵察生化武器。此外，該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍火、士兵、裝備等方面可以進(jìn)行準(zhǔn)確地?cái)澄易R別處理，避免出現(xiàn)誤傷情況。該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還可以對射擊目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，以便實(shí)現(xiàn)精確制導(dǎo)，準(zhǔn)確識別出是否存在核武器進(jìn)攻，盡可能的減少損傷和死亡率。

2)環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用

為了對生態(tài)環(huán)境實(shí)施有效監(jiān)控，避免進(jìn)一步的惡化，可將WSNs技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測中。無線傳感器技術(shù)可用于地理和氣象的研究、人為或自然的災(zāi)害、土壤空氣變化、家禽和牲畜的生存環(huán)境狀況監(jiān)測、大面積的地表檢測、跟蹤珍稀鳥類動物和昆蟲進(jìn)行瀕危物種的研究等[12，13]。

3)醫(yī)療護(hù)理應(yīng)用

醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域中WSNs在遠(yuǎn)程健康監(jiān)控管理、看護(hù)、生活支持、重癥患者護(hù)理等方面的應(yīng)用比較廣泛[14]。利用WSNs設(shè)備，可以將信息收集于傳感器節(jié)點(diǎn)中，以便對患者的實(shí)際病情進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的了解，并根據(jù)實(shí)際情況給予及時(shí)的應(yīng)急處理與救助。此外，通過WSNs可以幫助殘障人員實(shí)現(xiàn)生活自理，減輕醫(yī)護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)[15]。

4)建筑物狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用

利用WSNs監(jiān)控建筑物的安全狀態(tài)[16]。由于有些建筑物不斷修補(bǔ)，可能存在一些安全隱患，或許地殼偶爾的小震動不會帶來明顯的安全隱患，但可能會在大柱上產(chǎn)生潛在的裂痕，裂痕或許在下一次地殼震動中導(dǎo)致建筑物倒塌。傳統(tǒng)的檢測方法需將建筑物封閉數(shù)月，而采用WSNs使建筑物能自行檢測狀況，并將狀態(tài)信息傳遞給管理部門，以便按照隱患級別順序進(jìn)行相應(yīng)的修復(fù)工作。

5)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用

通過此次對二灰碎石基層的施工質(zhì)量問題展開分析，得到二灰碎石基層的施工質(zhì)量主要受到原材料的質(zhì)量、配合比、施工工藝工序(拌合、攤鋪、碾壓)、養(yǎng)護(hù)等方面因素的影響，因此，在合理選擇材料的基礎(chǔ)上，應(yīng)該對施工工藝工序嚴(yán)格控制。同時(shí)施工現(xiàn)場對人員的管理也會間接影響二灰碎石基層的施工質(zhì)量，因此，同時(shí)還需對施工現(xiàn)場的人員展開科學(xué)的調(diào)配、責(zé)任到人，對加工機(jī)械工作效率、工作時(shí)間合理的安排，保證施工質(zhì)量。其次，加強(qiáng)監(jiān)督管理，只要科學(xué)的管理、良好的監(jiān)督，才能使二灰碎石基層的優(yōu)良性能發(fā)揮的名副其實(shí)，才能確保施工質(zhì)量達(dá)到最大化。

在大型農(nóng)田育苗和灌溉過程中，可以利用WSNs技術(shù)對農(nóng)業(yè)的研究進(jìn)行有效控制，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)[17]。

6)空間探索應(yīng)用

在太空空間探索方面，通過借助于航天飛行器布撒的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對星球表面長時(shí)間的檢測，是一種經(jīng)濟(jì)并且可行的方案[18]?？臻g探索中特殊的環(huán)境也需要極高的自動化，因此，WSNs在空間探索方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值。美國國家航空與航天局(NASA)的JPL(Jet Propulsion Laboratory)實(shí)驗(yàn)室的“Sensor Web”計(jì)劃即為將來的火星探測進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備，并已在佛羅里達(dá)宇航中心的環(huán)境監(jiān)測項(xiàng)目中進(jìn)行了測試和完善。

7)智能電網(wǎng)應(yīng)用

隨著電網(wǎng)智能化的快速發(fā)展，用戶對電力系統(tǒng)的要求也越來越高，未來電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展必須滿足不同用戶的多種需求，而且還要具備交互性和高安全性等特點(diǎn)[19,20]。WSNs技術(shù)是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，智能電網(wǎng)構(gòu)架中分布著輸電、變電、配電網(wǎng)絡(luò)，為了及時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)整電力資源分配，以達(dá)到有效合理的利用電力資源的目的，必須及時(shí)對智能電網(wǎng)的電力參數(shù)進(jìn)行感知，詳細(xì)了解電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。利用WSNs對電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠達(dá)到對電力故障的快速定位并及時(shí)排除故障的目的。

8)物流跟蹤應(yīng)用

9)智能家居應(yīng)用

智能家居的主要控制部分為由嵌入家具和家電中傳感器與執(zhí)行單元組成的無線網(wǎng)絡(luò)，WSNs智能控制空氣的溫度、濕度等，并檢查分析空氣成分，使住戶安心入住[22]。同時(shí)，智能家居中的WSNs可以根據(jù)住戶的要求合理地調(diào)整控制方案，加強(qiáng)緊急處理、危機(jī)救護(hù)等的急救控制，提供更加方便、舒適、具有人性化的智能家居環(huán)境，使控制更高效，便捷，還能為家庭的日常生活節(jié)約能耗，提高能源利用率。

10)其他應(yīng)用

WSNs可以用于核電站、石油和礦井生產(chǎn)的安全監(jiān)測。WSNs還可以用于監(jiān)測現(xiàn)場狀況、收集交通狀況、分析各種安全威脅等，并且在出現(xiàn)緊急突發(fā)情況時(shí)，WSNs可以為指揮中心提供重要的數(shù)據(jù)支持和信息參考作為制定應(yīng)急方案的依據(jù)。

4 發(fā)展趨勢

目前WSNs中的路由協(xié)議、MAC協(xié)議、拓?fù)淇刂?、定位技術(shù)、時(shí)間同步技術(shù)、安全技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、節(jié)能降耗等方面均已成為不斷改進(jìn)和發(fā)展的熱點(diǎn)方向[23]。在工業(yè)4.0的大環(huán)境中，未來WSNs在各個方面會有更好的應(yīng)用和發(fā)展。

5 結(jié)束語

介紹了WSNs的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)組成和主要特點(diǎn)，闡述了WSNs在各領(lǐng)域的主要應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀。為進(jìn)一步拓寬WSNs的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。在今后的WSNs的發(fā)展過程中，還需要對其技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)行細(xì)致研究，為WSNs的未來發(fā)展提供可靠保障。

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