無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及應(yīng)用分析

　　1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）是一種新型的信息獲取系統(tǒng)，是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)各種感知對象的信息，并對這些信息進(jìn)行處理，最終發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種低功耗、自組織網(wǎng)絡(luò)，一般由一個或多個基站（Sink節(jié)點(diǎn)）和大量部署于監(jiān)測區(qū)域、配有各類傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。每個節(jié)點(diǎn)成本低，功耗小，具有一定計算處理能力、通信能力。雖然單個節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)并不精確，也不可靠，但是大量節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作形成高度統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度和運(yùn)行的可靠性，可部署于在敵占區(qū)、災(zāi)害區(qū)、核反應(yīng)堆等人力不可達(dá)的特殊區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)龋哂衅渌W(wǎng)絡(luò)無法比擬的特性，可廣泛用于國防、環(huán)境監(jiān)測、智能家居等領(lǐng)域。

　　2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的顯著特點(diǎn)

　　與蜂窩網(wǎng)、無線局域網(wǎng)等其它無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有其自身的顯著特點(diǎn)：

　　1） 分布式、自組織性。無線傳感網(wǎng)是由對等節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，不存在中心控制。管理和組網(wǎng)都非常簡單靈活。不依賴固定的基礎(chǔ)設(shè)施，每個節(jié)點(diǎn)都具有路由功能，可以通過自我協(xié)調(diào)、自動布置而形成網(wǎng)絡(luò)，不需要其它輔助設(shè)施和人為手段。

　　2）健壯性。由于能量限制、環(huán)境干擾和人為破壞等因素的影響，傳感器節(jié)點(diǎn)會損壞，導(dǎo)致一些傳感器節(jié)點(diǎn)不能正常工作，但隨機(jī)分布的大量節(jié)點(diǎn)之間可以協(xié)調(diào)互補(bǔ)，保證部分傳感器節(jié)點(diǎn)的損壞不會影響到全局任務(wù)。

　　3）可擴(kuò)展性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中增加新的無線傳感器節(jié)點(diǎn)時，也不需要其它外界條件，原有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以有效地融納新增節(jié)點(diǎn)，使新增節(jié)點(diǎn)快速融入網(wǎng)絡(luò)，參與全局工作。

　　4）動態(tài)拓?fù)洹?/strong>無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可能會因?yàn)槟芰亢谋M或其他故障退出網(wǎng)絡(luò)；有些節(jié)點(diǎn)可能處于工作狀態(tài)，有些節(jié)點(diǎn)可能處于關(guān)閉狀態(tài)，沒有參與網(wǎng)絡(luò)通訊；也有可能又會新增大量的節(jié)點(diǎn)融入網(wǎng)絡(luò)，這些都會使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化。

　　5）應(yīng)用相關(guān)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用來感知客觀物理世界，獲取物理世界信息。不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，因此不同應(yīng)用背景將導(dǎo)致不同的節(jié)點(diǎn)硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不能象Internet一樣具有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺，必須針對具體應(yīng)用來研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的顯著特征。

　　6）規(guī)模大。為了提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，通常在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)可能包含多達(dá)數(shù)千甚至上萬個傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性還能夠通過不同空間視角獲得更大的信噪比，從而提高監(jiān)測準(zhǔn)確性。

　　7）高冗余。節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模部署使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有較高的節(jié)點(diǎn)冗余，網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余以及采集的數(shù)據(jù)冗余，從而使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯能力。

　　8）空間位置尋址。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般不需要支持任意兩個傳感器節(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)對點(diǎn)通信，傳感器節(jié)點(diǎn)不必具有全球唯一的標(biāo)識，不必采用因特網(wǎng)的IP尋址。用戶往往不關(guān)心數(shù)據(jù)采集于哪一個節(jié)點(diǎn)，而關(guān)心數(shù)據(jù)所屬的空間位置，因此可采取空間位置尋址方式。從這個意義上講，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。

　　3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用分析

　　由于技術(shù)等方面的制約，雖然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模商用還有待時日。但隨著微處理器體積的縮小和性能的提升，已經(jīng)有中小規(guī)模的WSN在工業(yè)市場上開始投入商用。其應(yīng)用主要集中在以下領(lǐng)域：

　?、侪h(huán)境監(jiān)測

　　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。比如，英特爾研究實(shí)驗(yàn)室研究人員曾經(jīng)將32個小型傳感器連進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)，以讀出緬因州“大鴨島”上的氣候，用來評價一種海燕巢的條件。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響，監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，來監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。

　?、卺t(yī)療護(hù)理

　　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。英特爾也推出了基于WSN的家庭護(hù)理技術(shù)。該技術(shù)是做為探討應(yīng)對老齡化社會的技術(shù)項(xiàng)目Center for Aging ServicesTechnologies（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(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)。

　?、圮娛骂I(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。美國國防部遠(yuǎn)景計劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學(xué)進(jìn)行“智能塵埃”傳感器技術(shù)的研發(fā)。

　?、苣繕?biāo)跟蹤

　　DARPA支持的Sensor IT項(xiàng)目探索如何將WSN技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)所謂“超視距”戰(zhàn)場監(jiān)測。UCB的教授主持的Sensor Web是Sensor IT的一個子項(xiàng)目。原理性地驗(yàn)證了應(yīng)用WSN進(jìn)行戰(zhàn)場目標(biāo)跟蹤的技術(shù)可行性，翼下攜帶WSN節(jié)點(diǎn)的無人機(jī)（UAV）飛到目標(biāo)區(qū)域后拋下節(jié)點(diǎn)，最終隨機(jī)布撤落在被監(jiān)測區(qū)域，利用安裝在節(jié)點(diǎn)上的地震波傳感器可以探測到外部日標(biāo)，如坦克、裝甲車等，并根據(jù)信號的強(qiáng)弱估算距離，綜合多個節(jié)點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，最終定位目標(biāo)，并繪制出其移動的軌跡。

　?、萜渌猛?/strong>

　　WSN還被應(yīng)用于一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實(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。此外，還可以在工業(yè)自動化生產(chǎn)線等諸多領(lǐng)域，英特爾正在對工廠中的一個無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，該網(wǎng)絡(luò)由40臺機(jī)器上的210個傳感器組成，這樣組成的監(jiān)控系統(tǒng)將可以大大改善工廠的運(yùn)作條件。它可以大幅降低檢查設(shè)備的成本，同時由于可以提前發(fā)現(xiàn)問題，因此將能夠縮短停機(jī)時間，提高效率，并延長設(shè)備的使用時間。相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn)，無線傳感器技術(shù)一定會得到更大的應(yīng)用。