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淺談無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用與發(fā)展
摘要:本文簡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義、組成及特點(diǎn)，并結(jié)合其特點(diǎn)介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在各行各業(yè)廣泛的應(yīng)用價(jià)值和未來發(fā)展前景以及目前存在的技術(shù)問題。
關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；組成；應(yīng)用；發(fā)展
科技發(fā)展的腳步越來越快，人類已經(jīng)置身于信息時(shí)代。而作為信息獲取最重要和最基本的技術(shù)——傳感器技術(shù)，也得到了極大的發(fā)展。傳感器信息獲取技術(shù)已經(jīng)從過去的單一化漸漸向集成化、微型化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，并將會(huì)帶來一場信息革命。具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN, wireless sensor networks）綜合了傳感器技術(shù)、嵌人式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。
由于WSN的巨大應(yīng)用價(jià)值，它已經(jīng)引起了世界許多國家的軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，被廣泛地應(yīng)用于軍事，工業(yè)過程控制、國家安全、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等多種領(lǐng)域，是當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)。
一、發(fā)展概述
早在上世紀(jì)70年代，就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)雛形，我們把它歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還具有了獲取多種信息信號的綜合處理能力，并通過與傳感控制器的相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。而從上世紀(jì)末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運(yùn)用，并使用無線技術(shù)連接，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會(huì)給人類的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響。發(fā)達(dá)國家如美國，非常重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，IEEE正在努力推進(jìn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，波士頓大學(xué)（Boston University）還于最近創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)（Sensor Network Consortium），期望能促進(jìn)傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)。美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》預(yù)測的未來四大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中�？梢灶A(yù)計(jì)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛是一種必然趨勢，它的出現(xiàn)將會(huì)給人類社會(huì)帶來極大的變革。
二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義和特點(diǎn)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以看成是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡(luò)和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點(diǎn),各節(jié)點(diǎn)通過協(xié)議自組成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò),再將采集來的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化后經(jīng)無線電波傳輸給信息處理中心。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)Tiny0S141的研制者，Jason Hill博士把WSN定義為：
Sensing＋CPU＋Radio＝Thousands of potential application
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李建中教授將WSN定義為：WSN是由一組傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)成的有線或無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。從硬件上看，WSN節(jié) 點(diǎn)主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線數(shù)據(jù)收發(fā)單元以及小型電池單元組成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特點(diǎn)；從軟件上看，它借助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置傳感器有效探測所處區(qū)域的溫度、濕度、光強(qiáng)度、壓力等環(huán)境參數(shù)以及待測對象的電壓、電流等物理參數(shù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將探測信息傳送到數(shù)據(jù)匯聚中心 進(jìn)行處理、分析和轉(zhuǎn)發(fā)。
WSN與傳統(tǒng)傳感器和測控系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢。它采用點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)的無線連接，大大減少了電纜成本，在傳感器節(jié)點(diǎn)端即合并了模擬信號／數(shù)字信號轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理和網(wǎng)絡(luò)通信功能，節(jié)點(diǎn)具有自檢功能，系統(tǒng)性能與可靠性明顯提升而成本明顯縮減。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)：
1、硬件資源有限。WSN節(jié)點(diǎn)采用嵌入式處理器和存儲(chǔ)器，計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力十分有限。所以，需要解決如何在有限計(jì)算能力的條件下進(jìn)行協(xié)作分布式信息處理的難題。
2、電源容量有限。為了測量真實(shí)世界的具體值,各個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)密集地分布于待測區(qū)域內(nèi),人工補(bǔ)充能量的方法已經(jīng)不再適用。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要儲(chǔ)備可供長期使用的能量,或者自己從外汲取能量（太陽能）。當(dāng)自身攜帶的電池的能量耗盡，往往被廢棄，甚至造成網(wǎng)絡(luò)的中斷。所以，任何WSN技術(shù)和協(xié)議的研究都要以節(jié)能為前提。
3、無中心。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,所有節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的,沒有預(yù)先指定的中心, 是一個(gè)對等式網(wǎng)絡(luò)。各節(jié)點(diǎn)通過分布式算法來相互協(xié)調(diào),在無人值守的情況下,節(jié)點(diǎn)就能自動(dòng)組織起一個(gè)測量網(wǎng)絡(luò)。而正因?yàn)闆]有中心,網(wǎng)絡(luò)便不會(huì)因?yàn)閱蝹�(gè)節(jié)點(diǎn)的脫離而受到損害。節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。
4、自組織。網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點(diǎn)開機(jī)后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。
5、多跳（Multi-hop）路由。WSN節(jié)點(diǎn)通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十到幾百米，節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。WSN中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成的。
6、動(dòng)態(tài)拓?fù)�。WSN是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)；一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行；也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。這些都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能。
7、節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集。WSN節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、分布范圍廣，難于維護(hù)甚至不可維護(hù)。所以，需要解決如何提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件健壯性和容錯(cuò)性。
8、傳輸能力的有限性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過無線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,雖然省去了布線的煩惱,但是相對于有線網(wǎng)絡(luò),低帶寬則成為它的天生缺陷。同時(shí),信號之間還存在相互干擾,信號自身也在不斷地衰減,諸如此類。不過因?yàn)閱蝹�(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不算大,這個(gè)缺點(diǎn)還是能忍受的。
9、安全性的問題。無線信道、有限的能量,分布式控制都使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易受到攻擊。被動(dòng)偷聽、主動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)則是這些攻擊的常見方式。因此,安全性在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。
三、應(yīng)用現(xiàn)狀
雖然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，由于技術(shù)等方面的制約還有待時(shí)日，但是最近幾年，隨著計(jì)算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經(jīng)為數(shù)不少的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開始投入使用。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要集中在以下領(lǐng)域：
1．環(huán)境的監(jiān)測和保護(hù)
隨著人們對于環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。
2．醫(yī)療護(hù)理
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療研究、護(hù)理領(lǐng)域也可以大展身手。羅徹斯特大學(xué)的科學(xué)家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個(gè)智能醫(yī)療房間，使用微塵來測量居住者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天24小時(shí)的活動(dòng)狀況。英特爾公司也推出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的家庭護(hù)理技術(shù)。該技術(shù)是做為探討應(yīng)對老齡化社會(huì)的技術(shù)項(xiàng)目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一個(gè)環(huán)節(jié)開發(fā)的。該系統(tǒng)通過在鞋、家具以家用電器等家中道具和設(shè)備中嵌入半導(dǎo)體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。利用無線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)可高效傳遞必要的信息從而方便接受護(hù)理。而且還可以減輕護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)。英特爾主管預(yù)防性健康保險(xiǎn)研究的董事Eric Dishman稱，“在開發(fā)家庭用護(hù)理技術(shù)方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是非常有前途的領(lǐng)域”。
3．軍事領(lǐng)域
由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機(jī)分布的特點(diǎn)，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途。
4．商業(yè)化用途
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還被應(yīng)用于其他一些領(lǐng)域。比如一些危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實(shí)施安全監(jiān)測。也可以用在交通領(lǐng)域作為車輛監(jiān)控的有力工具。盡管無線傳感器技術(shù)目前仍處于初步應(yīng)用階段，但已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng)用價(jià)值，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn)，一定會(huì)得到更大的應(yīng)用。從應(yīng)用的情況來看,北美的狀況最好,在樓宇自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)控等方面,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始大展拳腳。
四、需要解決的問題
就目前的技術(shù)水平來說，讓無線傳感器網(wǎng)正常運(yùn)行并大量投入使用還面臨著許多問題：
1．網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)正常通信聯(lián)系中，信號可能被一些障礙物或其他電子信號干擾而受到影響，怎么安全有效的進(jìn)行通信是個(gè)有待研究的問題。
2．成本問題。在一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面，需要使用數(shù)量龐大的微型傳感器，這樣的話成本會(huì)制約其發(fā)展。
3．系統(tǒng)能量供應(yīng)問題。目前主要的解決方案有：使用高能電池；降低傳感功率；此外還有傳感器網(wǎng)絡(luò)的自我能量收集技術(shù)和電池?zé)o線充電技術(shù)。其中后兩者備受關(guān)注。
4．高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是組織無線傳感器的成網(wǎng)技術(shù)，有多種形態(tài)和方式，合理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以最大限度的利用資源。在這里面，還包括網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議問題和大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性管理等諸多問題有待解決。
總之。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景非常誘人。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）被認(rèn)為是影響人類未來生活的重要技術(shù)之一，這一新興技術(shù)為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。由于WSN本身的特點(diǎn)，使得它與現(xiàn)有的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間存在較大的區(qū)別，給人們提出了很多新的挑戰(zhàn)。由于WSN對國家和社會(huì)意義重大，國內(nèi)外對于WSN的研究正熱烈開展，希望能夠引起測控領(lǐng)域?qū)@一新興技術(shù)的重視，推動(dòng)對這一具有國家戰(zhàn)略意義的新技術(shù)的研究、應(yīng)用和發(fā)展。
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