原创 无线传感器网络的特点及应用分析

1 无线传感器网络的概述 无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN）是一种新型的信息获取系统，是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地监测、感知和采集网络覆盖区域内各种感知对象的信息，并对这些信息进行处理，最终发送给观察者。无线传感器网络是一种低功耗、自组织网络，一般由一个或多个基站（Sink节点）和大量部署于监测区域、配有各类传感器的无线网络节点构成。每个节点成本低，功耗小，具有一定计算处理能力、通信能力。虽然单个节点采集数据并不精确，也不可靠，但是大量节点相互协作形成高度统一的网络结构，提高了数据采集的准确度和运行的可靠性，可部署于在敌占区、灾害区、核反应堆等人力不可达的特殊区域进行数据采集、传输等，具有其他网络无法比拟的特性，可广泛用于国防、环境监测、智能家居等领域。 2 无线传感器网络的显著特点 与蜂窝网、无线局域网等其它无线通信网络相比，无线传感器网络有其自身的显著特点： 1） 分布式、自组织性。无线传感网是由对等节点构成的网络，不存在中心控制。管理和组网都非常简单灵活。不依赖固定的基础设施，每个节点都具有路由功能，可以通过自我协调、自动布置而形成网络，不需要其它辅助设施和人为手段。 2）健壮性。由于能量限制、环境干扰和人为破坏等因素的影响，传感器节点会损坏，导致一些传感器节点不能正常工作，但随机分布的大量节点之间可以协调互补，保证部分传感器节点的损坏不会影响到全局任务。 3）可扩展性。当网络中增加新的无线传感器节点时，也不需要其它外界条件，原有的无线传感器网络可以有效地融纳新增节点，使新增节点快速融入网络，参与全局工作。 4）动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，网络内的节点可能会因为能量耗尽或其他故障退出网络；有些节点可能处于工作状态，有些节点可能处于关闭状态，没有参与网络通讯；也有可能又会新增大量的节点融入网络，这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化。 5）应用相关。无线传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界信息。不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此不同应用背景将导致不同的节点硬件平台、软件系统和网络协议。无线传感器网络不能象Internet一样具有统一的通信协议平台，必须针对具体应用来研究传感器网络技术。这也是无线传感器网络区别于传统网络系统的显着特征。 6）规模大。为了提高网络的可靠性，通常在目标区域内部署大量传感器节点，传感器网络可能包含多达数千甚至上万个传感器节点。传感器网络的大规模性还能够通过不同空间视角获得更大的信噪比，从而提高监测准确性。 7）高冗余。节点的大规模部署使得无线传感器网络通常具有较高的节点冗余，网络链路冗余以及采集的数据冗余，从而使得系统具有很强的容错能力。 8）空间位置寻址。无线传感器网络一般不需要支持任意两个传感器节点之间的点对点通信，传感器节点不必具有全球唯一的标识，不必采用因特网的IP寻址。用户往往不关心数据采集于哪一个节点，而关心数据所属的空间位置，因此可采取空间位置寻址方式。从这个意义上讲，传感器网络通常以数据本身作为查询或传输线索，因此传感器网络是一个以数据为中心的网络。 3 无线传感器网络的应用分析 由于技术等方面的制约，虽然无线传感器网络的大规模商用还有待时日。但随着微处理器体积的缩小和性能的提升，已经有中小规模的WSN在工业市场上开始投入商用。其应用主要集中在以下领域： ①环境监测 随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州“大鸭岛”上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 ②医疗护理 罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔也推出了基于WSN的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目Center for Aging ServicesTechnologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。 ③军事领域 由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行“智能尘埃”传感器技术的研发。 ④目标跟踪 DARPA支持的Sensor IT项目探索如何将WSN技术应用于军事领域，实现所谓“超视距”战场监测。UCB的教授主持的Sensor Web是Sensor IT的一个子项目。原理性地验证了应用WSN进行战场目标跟踪的技术可行性，翼下携带WSN节点的无人机（UAV）飞到目标区域后抛下节点，最终随机布撤落在被监测区域，利用安装在节点上的地震波传感器可以探测到外部日标，如坦克、装甲车等，并根据信号的强弱估算距离，综合多个节点的观测数据，最终定位目标，并绘制出其移动的轨迹。 ⑤其他用途 WSN还被应用于一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外，还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。相信随着相关技术的发展和推进，无线传感器技术一定会得到更大的应用。