無線傳感器網(wǎng)絡綜述

吳瑞睿 劉潔琳

摘 要：近年來，隨著現(xiàn)代傳感器技術、嵌入式技術和通信技術的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡成為目前網(wǎng)絡技術的研究熱點。在深入研究無線傳感器網(wǎng)絡的過程中，發(fā)現(xiàn)其在軍事、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、交通和家庭應用等方面有極大的應用價值。文章首先對無線傳感器網(wǎng)絡的定義和特點進行介紹，其次列舉了無線傳感器網(wǎng)絡的應用方向，然后簡要說明了其關鍵技術，最后分析了目前無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展現(xiàn)狀及亟需解決的問題。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；應用；關鍵技術

中圖分類號：TP212.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）14-0065-02

Abstract： In recent years， with the rapid development of modern sensor technology， embedded technology and communication technology， wireless sensor network has become the research hotspot of network technology. In the process of in-depth study of wireless sensor networks， it is found to have great application value in military， agriculture， medical， transportation and family applications. This paper first introduces the definition and characteristics of wireless sensor networks， then enumerates the application direction of wireless sensor networks， and briefly describes its key technologies. Finally， the current development of wireless sensor networks and the problems that need to be solved are analyzed.

Keywords： wireless sensor network； application； key technology

引言

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量傳感器節(jié)點組成的一種自組織網(wǎng)絡，這些傳感器節(jié)點不僅能感知網(wǎng)絡內(nèi)的環(huán)境信息，還具有簡單的計算能力，同時可以將感知和計算后的相關信息在網(wǎng)絡中進行傳輸，具有一定的通信能力。傳感器節(jié)點是WSN中最重要的節(jié)點，它是整個WSN的基礎，具有感知數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)的功能。傳感器節(jié)點負責感知網(wǎng)絡內(nèi)的環(huán)境信息，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)并通過匯聚節(jié)點上報給用戶節(jié)點。

與其他無線通信網(wǎng)絡相比，WSN有其自身顯著的特點。

大規(guī)模性：傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模性分為兩種含義，一種是在某些很大面積的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署傳感器節(jié)點，如森林、山地等區(qū)域為了監(jiān)控火災或進行其他環(huán)境監(jiān)測活動；另一種是在面積有限的區(qū)域內(nèi)部署大密度的傳感器節(jié)點。

自組織性：WSN是一種分布式自組織的無線網(wǎng)絡，它沒有中心控制管理，是由對等節(jié)點構成的網(wǎng)絡。這種分布式結構可以更好的適應網(wǎng)絡的變化，在網(wǎng)絡發(fā)生變化時可以自動進行配置和管理，靈活性和實用性較強。

路由多跳性：由于WSN的監(jiān)測范圍很大，傳感器節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸距離會很遠，所以WSN中多采用多跳路由轉發(fā)的方式，使每個節(jié)點都具有路由轉發(fā)功能，這樣可以減少節(jié)點發(fā)送功率，降低網(wǎng)絡能耗。

健壯性：WSN經(jīng)常應用于山地、森林等環(huán)境惡劣的野外區(qū)域，在這種環(huán)境中，傳感器節(jié)點的維護工作較難實現(xiàn)，所以需要網(wǎng)絡具有一定的健壯性，當某些節(jié)點因為環(huán)境干擾或電池耗完不能正常工作時，網(wǎng)絡內(nèi)其他節(jié)點間可以自動調節(jié)以保證WSN的正常工作。

1 無線傳感器網(wǎng)絡應用

作為信息技術三大支柱之一，WSN以其低成本、低功耗、高適用性等特點在工業(yè)市場上已經(jīng)得到廣泛的應用。其主要應用領域集中在以下幾個方面。

1.1 軍事偵察

WSN能滿足多種軍事場景下信息獲取的實時性和準確性，它可以感知戰(zhàn)場態(tài)勢。在軍事應用中，大量傳感器節(jié)點通過飛行器被拋灑在戰(zhàn)場區(qū)域并形成自組網(wǎng)，網(wǎng)絡內(nèi)各個節(jié)點感知戰(zhàn)場信息并收集、傳輸這些數(shù)據(jù)信息為作戰(zhàn)部隊提供情報。由于WSN具有密集型、隨機分布的特點，使其在監(jiān)控友軍兵力、裝備物資、彈藥調配和戰(zhàn)爭損傷評估；監(jiān)視戰(zhàn)區(qū)情況、偵查敵方軍力和目標跟蹤；探測和偵查生物化學攻擊等方面起到很大作用。

美國是第一個進行WSN研究的，從越南戰(zhàn)爭中開始研究用于發(fā)現(xiàn)越南物資運輸車隊的“熱帶樹”傳感器開始，美國在WSN研究方面投入了大量的人力、物力和資金，并成功將其應用到了軍事領域。此外，WSN還可以應用于國土安全和國土邊境監(jiān)視等方面。

1.2 環(huán)境監(jiān)測

隨著人們對環(huán)境問題的關注，環(huán)境監(jiān)測成為無線傳感器網(wǎng)絡的重要應用領域之一。目前社會的發(fā)展和大自然的變化，傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測手段已經(jīng)不能滿足人類的需求，使用傳感器節(jié)點對室內(nèi)外環(huán)境的采集、分析和監(jiān)控顯得尤為重要。

由于傳感器網(wǎng)絡自身的特點，其為野外環(huán)境的監(jiān)控工作提供了便捷。通過WSN收集震動和次聲波信息可以對火山爆發(fā)進行監(jiān)測，提前發(fā)出預警；WSN還可以應用于動物跟蹤、候鳥遷徙，通過觀察動物的行為習慣進行種群研究；在植物上部署無線傳感器網(wǎng)絡能監(jiān)控樹木生成情況，收集光合作用等信息，給植物研究提供相關依據(jù)；在無人值守地區(qū)拋灑傳感器節(jié)點可以進行無間斷監(jiān)測，彌補監(jiān)測盲區(qū)獲取更全面的環(huán)境數(shù)據(jù)。

隨著科學技術的大力發(fā)展，對室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)控也是很有必要的。無線傳感器系統(tǒng)的部署，不僅可以監(jiān)測室內(nèi)實時的溫度、濕度和空氣質量以改善室內(nèi)環(huán)境。

1.3 智能家居

智能家居是將居住環(huán)境中的安防系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、空調系統(tǒng)和其他家用電器等設備通過物聯(lián)網(wǎng)技術連接起來實現(xiàn)自動化和智能化管理。在家用電器中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)結合的方式可以實現(xiàn)對家電的遠程控制，同時也可以實時監(jiān)控家庭安全情況，使人們的生活更舒適、更便捷。

微軟的“未來之家”是最先進的智能家居的代表，它融合了門禁系統(tǒng)不僅能對家庭環(huán)境進行監(jiān)測還能通過觸摸檢測主人的身體狀況并進行相應健康提示等。復旦大學、電子科技大學等單位也研制出一項基于WSN的智能樓宇系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)終端對家庭狀況進行實施監(jiān)測。

1.4 醫(yī)療健康

目前，WSN在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護理方面有很多應用。在住院的患者身上安裝可以監(jiān)測心率或血壓的傳感器節(jié)點，可以使醫(yī)生及時了解被監(jiān)控病人的身體狀況和活動情況，當發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)時以最快速度對其進行搶救；基于傳感器網(wǎng)絡的看護系統(tǒng)可以實時檢測老人的健康問題，感知老人的各項活動，記錄老人的狀態(tài)，為老人的安全健康提供保障，同時也可以減輕看護人員的負擔，提高護理質量。

2 無線傳感器網(wǎng)絡關鍵技術

2.1 拓撲控制

拓撲控制技術的主要功能是數(shù)據(jù)轉發(fā)，同時通過控制功率或鄰居節(jié)點來實現(xiàn)網(wǎng)絡的覆蓋度和連通度。良好的網(wǎng)絡拓撲能夠提高路由效率、降低網(wǎng)絡能耗，以延長網(wǎng)絡生存周期。拓撲控制作為WSN中的核心問題，能夠為數(shù)據(jù)融合、路由協(xié)議以及目標定位等提供技術支撐。

目前已有的拓撲控制算法分為節(jié)點功率控制和層次型拓撲控制兩類。功率控制是通過調整傳感器節(jié)點的發(fā)送功率，在滿足網(wǎng)絡覆蓋率和連通性的前提下，盡可能減少節(jié)點發(fā)送功率。當每個節(jié)點的功率發(fā)生變化時，網(wǎng)絡的拓撲結構也會發(fā)生變化，同時降低節(jié)點間的干擾，最終使網(wǎng)絡達到最佳連通性。層次型拓撲控制利用分簇機制，讓形成簇頭節(jié)點，每個簇頭節(jié)點成為一個骨干網(wǎng)將網(wǎng)絡劃分成多個簇，其他非骨干網(wǎng)節(jié)點可以暫時停止通信以降低網(wǎng)絡能耗，只允許骨干網(wǎng)進行數(shù)據(jù)轉發(fā)。

2.2 路由協(xié)議

在無線傳感器網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡連接需要根據(jù)實際情況，需聯(lián)合合適且特定的算法還有系統(tǒng)軟件建立的實時動態(tài)的連接，并不是采用一種事先安排好的連接方式。網(wǎng)絡帶寬、處理功耗等一些網(wǎng)路實時方面的影響因素是網(wǎng)絡運行時必然要考慮的因素，因此，當網(wǎng)絡出現(xiàn)意外時，網(wǎng)絡根據(jù)實際情況能夠實時地進行重構或是更新網(wǎng)絡系統(tǒng)等操作。節(jié)點之間通信連接的可靠性是有限的，有時陰影衰落也是影響網(wǎng)絡連接的因素之一，所以在設計滿足網(wǎng)絡需求的路由軟件時要仔細考慮通信的可靠性問題。

2.3 數(shù)據(jù)融合

在WSN中，通過數(shù)據(jù)融合技術可以對傳感器節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)進行融合處理，去除冗余信息，節(jié)省網(wǎng)絡能量，延長網(wǎng)絡生命周期。此外，利用數(shù)據(jù)融合技術可以對網(wǎng)絡內(nèi)感知到的多份數(shù)據(jù)進行分析和綜合處理以提高信息的準確度。然而，數(shù)據(jù)融合技術在進行數(shù)據(jù)處理時，會增加網(wǎng)絡運行時間，造成網(wǎng)絡的時間延遲。

2.4 時間同步

時間同步是需要協(xié)同工作的傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的一個關鍵機制。在WSN中，節(jié)點間通常需要相互協(xié)作才能完成感知和監(jiān)測功能，此時要求各個節(jié)點之間保持同樣的時鐘。目前已有的時間同步協(xié)議有RBS（參考廣播同步）、Tiny/mini-Sync（微小/迷你同步）以及TPSN（Timing-sync協(xié)議的傳感器網(wǎng)絡）。

2.5 定位技術

在WSN的實際應用中，用戶不僅關注傳感器節(jié)點在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的感知數(shù)據(jù)，也希望獲取這些節(jié)點的位置信息。因此，定位技術作為WSN中的關鍵技術具有十分重要的地位。

在WSN中傳感器節(jié)點的定位方式分為兩種：基于測距的定位和基于非測距的定位技術?；跍y距的定位是通過測量節(jié)點間的距離和方向角度來確定待定位節(jié)點的坐標，此方法對節(jié)點硬件要求較高，能達到精確定位；基于非測距的定位是通過網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點間的連通性來獲取待定位節(jié)點的最終坐標的，由于無需測量節(jié)點間的距離使得對節(jié)點的硬件要求較低，降低了網(wǎng)絡的成本，但是定位精度不高。

3 結束語

通過對WSN的深入研究，人們對其的認識越來越深刻，與此同時在相關技術方面也取得了很大的進展，使WSN得到廣泛應用。WSN是目前國內(nèi)外各個領域專業(yè)的研究熱點，它將成為未來社會應用廣泛的網(wǎng)絡，具有很好的研究價值和發(fā)展前景。

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