主頁 > 技術文章 > 淺談無線傳感器網絡的應用與發(fā)展 2024-10-15

淺談無線傳感器網絡的應用與發(fā)展

摘要：本文簡述了無線傳感器網絡的定義、組成及特點，并結合其特點介紹了無線傳感器網絡在各行各業(yè)廣泛的應用價值和未來發(fā)展前景以及目前存在的技術問題。
　　　　科技發(fā)展的腳步越來越快，人類已經置身于信息時代。而作為信息獲取最重要和最基本的技術——傳感器技術，也得到了極大的發(fā)展。傳感器信息獲取技術已經從過去的單一化漸漸向集成化、微型化和網絡化方向發(fā)展，并將會帶來一場信息革命。具有感知能力、計算能力和通信能力的無線傳感器網絡（WSN, wireless sensor networks）綜合了傳感器技術、嵌人式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網絡分布區(qū)域內的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳盡而準確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。
　　由于WSN的巨大應用價值，它已經引起了世界許多國家的軍事部門、工業(yè)界和學術界的廣泛關注，被廣泛地應用于軍事，工業(yè)過程控制、國家安全、環(huán)境監(jiān)測等領域。
　　無線傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等多種領域，是當前計算機網絡研究的熱點。
一、發(fā)展概述：
　　　　早在上世紀70年代，就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點對點傳輸、連接傳感控制器而構成傳感器網絡雛形，我們把它歸之為第一代傳感器網絡。隨著相關學科的不斷發(fā)展和進步，傳感器網絡同時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絡，這是第二代傳感器網絡。而從上世紀末開始，現(xiàn)場總線技術開始應用于傳感器網絡，人們用其組建智能化傳感器網絡，大量多功能傳感器被運用，并使用無線技術連接，無線傳感器網絡逐漸形成。
二、無線傳感器網絡的定義和特點：
　　　　無線傳感器網絡可以看成是由數(shù)據獲取網絡、數(shù)據分布網絡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)據處理單元和通信模塊的節(jié)點,各節(jié)點通過協(xié)議自組成一個分布式網絡,再將采集來的數(shù)據通過優(yōu)化后經無線電波傳輸給信息處理中心。
　　WSN是由一組傳感器節(jié)點以自組織的方式構成的有線或無線網絡，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區(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) 點主要由數(shù)據采集單元、數(shù)據處理單元、無線數(shù)據收發(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；從軟件上看，它借助于節(jié)點中內置傳感器有效探測所處區(qū)域的溫度、濕度、光強度、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)，并通過無線網絡將探測信息傳送到數(shù)據匯聚中心進行處理、分析和轉發(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。它采用點對點或點對多點的無線連接，大大減少了電纜成本，在傳感器節(jié)點端即合并了模擬信號／數(shù)字信號轉換、數(shù)字信號處理和網絡通信功能，節(jié)點具有自檢功能，系統(tǒng)性能與可靠性明顯提升而成本明顯縮減。
　　無線傳感器網絡具有以下特點：
　　1、硬件資源有限。WSN節(jié)點采用嵌入式處理器和存儲器，計算能力和存儲能力十分有限。所以，需要解決如何在有限計算能力的條件下進行協(xié)作分布式信息處理的難題。
　　2、電源容量有限。為了測量真實世界的具體值,各個節(jié)點會密集地分布于待測區(qū)域內,人工補充能量的方法已經不再適用。每個節(jié)點都要儲備可供長期使用的能量,或者自己從外汲取能量（太陽能）。當自身攜帶的電池的能量耗盡，往往被廢棄，甚至造成網絡的中斷。所以，任何WSN技術和協(xié)議的研究都要以節(jié)能為前提。
　　3、無中心。在無線傳感器網絡中,所有節(jié)點的地位都是平等的,沒有預先指定的中心, 是一個對等式網絡。各節(jié)點通過分布式算法來相互協(xié)調,在無人值守的情況下,節(jié)點就能自動組織起一個測量網絡。而正因為沒有中心,網絡便不會因為單個節(jié)點的脫離而受到損害。節(jié)點可以隨時加入或離開網絡，任何節(jié)點的故障不會影響整個網絡的運行，具有很強的抗毀性。
4、自組織。網絡的布設和展開無需依賴于任何預設的網絡設施，節(jié)點通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調各自的行為，節(jié)點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網絡。
5、多跳（Multi-hop）路由。WSN節(jié)點通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十到幾百米，節(jié)點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)點進行通信，則需要通過中間節(jié)點進行路由。WSN中的多跳路由是由普通網絡節(jié)點完成的。
　　6、動態(tài)拓撲。WSN是一個動態(tài)的網絡，節(jié)點可以隨處移動；一個節(jié)點可能會因為電池能量耗盡或其他故障，退出網絡運行；也可能由于工作的需要而被添加到網絡中。這些都會使網絡的拓撲結構隨時發(fā)生變化，因此網絡應該具有動態(tài)拓撲組織功能。
　　7、節(jié)點數(shù)量眾多，分布密集。WSN節(jié)點數(shù)量大、分布范圍廣，難于維護甚至不可維護。所以，需要解決如何提高傳感器網絡的軟、硬件健壯性和容錯性。
　　8、傳輸能力的有限性。無線傳感器網絡通過無線電波進行數(shù)據傳輸,雖然省去了布線的煩惱,但是相對于有線網絡,低帶寬則成為它的天生缺陷。同時,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。不過因為單個節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據量并不算大,這個缺點還是能忍受的。
　　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絡更容易受到攻擊。被動竊聽、主動入侵、拒絕服務則是這些攻擊的常見方式。因此,安全性在網絡的設計中至關重要。
三、應用現(xiàn)狀：
　　　　雖然無線傳感器網絡的大規(guī)模商業(yè)應用，由于技術等方面的制約還有待時日，但是最近幾年，隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經為數(shù)不少的無線傳感器網絡開始投入使用。目前無線傳感器網絡的應用主要集中在以下領域：
　　1．環(huán)境的監(jiān)測和保護
　　隨著人們對于環(huán)境問題的關注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據也越來越多，無線傳感器網絡的出現(xiàn)為隨機性的研究數(shù)據獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。
　　2．醫(yī)療護理
　　無線傳感器網絡在醫(yī)療研究、護理領域也可以大展身手。羅徹斯特大學的科學家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個智能醫(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小時的活動狀況。英特爾公司也推出了無線傳感器網絡的家庭護理技術。該技術是做為探討應對老齡化社會的技術項目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一個環(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備中嵌入半導體傳感器，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)網可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理。而且還可以減輕護理人員的負擔。英特爾主管預防性健康保險研究的董事Eric Dishman稱，“在開發(fā)家庭用護理技術方面，無線傳感器網絡是非常有前途的領域”。
　　3．軍事領域
　　由于無線傳感器網絡具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方面用途。
　　4．商業(yè)化用途
　　無線傳感器網絡還被應用于其他一些領域。比如一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監(jiān)測。也可以用在交通領域作為車輛監(jiān)控的有力工具。盡管無線傳感器技術目前仍處于初步應用階段，但已經展示出了非凡的應用價值，相信隨著相關技術的發(fā)展和推進，一定會得到更大的應用。從應用的情況來看,北美的狀況最好,在樓宇自動化、環(huán)境監(jiān)控等方面,無線傳感器網絡已經開始大展拳腳。
四、需要解決的問題：
　　　　就目前的技術水平來說，讓無線傳感器網正常運行并大量投入使用還面臨著許多問題：
　　1．網絡內通信問題。無線傳感器網絡內正常通信聯(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，怎么安全有效的進行通信是個有待研究的問題。
　　2．成本問題。在一個無線傳感器網絡里面，需要使用數(shù)量龐大的微型傳感器，這樣的話成本會制約其發(fā)展。
　　3．系統(tǒng)能量供應問題。目前主要的解決方案有：使用高能電池；降低傳感功率；此外還有傳感器網絡的自我能量收集技術和電池無線充電技術。其中后兩者備受關注。
　　4．高效的無線傳感器網絡結構。無線傳感器網絡的網絡結構是組織無線傳感器的成網技術，有多種形態(tài)和方式，合理的無線傳感器網絡可以最大限度的利用資源。在這里面，還包括網絡安全協(xié)議問題和大規(guī)模傳感器網絡中的節(jié)點移動性管理等諸多問題有待解決。
總之。無線傳感器網絡應用前景非常誘人。無線傳感器網絡（WSN）被認為是影響人類未來生活的重要技術之一，這一新興技術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，使得它與現(xiàn)有的傳統(tǒng)網絡技術之間存在較大的區(qū)別，給人們提出了很多新的挑戰(zhàn)。由于WSN對國家和社會意義重大，國內外對于WSN的研究正熱烈開展，希望能夠引起測控領域對這一新興技術的重視，推動對這一具有國家戰(zhàn)略意義的新技術的研究、應用和發(fā)展。

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