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無線傳感器網(wǎng)絡是由大量分布廣泛的、能夠進行簡單計算的微小傳感器節(jié)點，以無線通訊的方式，同時能夠自行組織起網(wǎng)絡的系統(tǒng)，是能夠在不斷變化的環(huán)境中自主完成指定任務的智能系統(tǒng)。隨著無線通信、嵌入式計算技術、傳感器技術、微機電技術的不斷發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡改變了人類與自然界的交互方式，在軍事、環(huán)境監(jiān)測、空間探索、反恐防暴、災難援救、醫(yī)療衛(wèi)生、智能家居等方面展現(xiàn)出了巨大的應用價值。

1無線傳感器網(wǎng)絡的結構

1.1網(wǎng)絡結構。無線傳感器網(wǎng)絡通常由傳感器節(jié)點、匯集節(jié)點和管理節(jié)點組成。通過在需要監(jiān)測的區(qū)域內散布大量傳感器來探測溫度、濕度、壓力、光照強度、介質濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)，并且每個傳感器之間以自組織的形式拓展成網(wǎng)絡。傳感器將探測到的環(huán)境數(shù)據(jù)以特定的方式匯集到某個節(jié)點或多個節(jié)點，最終所有數(shù)據(jù)都經(jīng)過衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)或者移動通信網(wǎng)絡傳送給管理節(jié)點。1.2節(jié)點結構。傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成，如下圖所示。傳感器模塊的功能是監(jiān)測區(qū)域內的信息，將信息進行采集并轉換成特定格式的數(shù)據(jù)；處理器模塊的功能是處理好相關數(shù)據(jù)的采集和存儲，包括自身采集的數(shù)據(jù)和其他節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊的功能是與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換信息和數(shù)據(jù)；能量供應模塊的功能是為傳感器節(jié)點供能，而供能介質通常采用微型電池。

2無線傳感器網(wǎng)絡的特點

2.1分布式和網(wǎng)絡自組。在無線傳感器網(wǎng)絡中并沒有原先設置中心節(jié)點，所有的節(jié)點都擁有相同的權限，各節(jié)點之間都是通過分布式算法來協(xié)調，可以在無人操作的情況下自動將所有節(jié)點組織到一起，自動地進行網(wǎng)絡配置和管理，通過相應的協(xié)議和算法自動形成一個具有收發(fā)大量環(huán)境數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡。為了應對環(huán)境的復雜性，無線傳感器網(wǎng)絡可以隨時加入或者切除一部分節(jié)點，網(wǎng)絡不會因此而失效或者崩潰。2.2規(guī)模大密度高。無線傳感器網(wǎng)絡通常由成千上萬個傳感器節(jié)點組成，覆蓋區(qū)域大，節(jié)點密集，以盡可能獲得更為精確、完整的數(shù)據(jù)，如森林火災監(jiān)護和環(huán)境監(jiān)測等。同時，也正因為無線傳感器網(wǎng)絡的規(guī)模大，密度高，網(wǎng)絡中存在大量的冗余節(jié)點，從而使得能夠從不同的角度獲得盡可能多的數(shù)據(jù)，挺高了監(jiān)測的精度，也降低了對單個傳感器節(jié)點的精度要求，所以無線傳感器網(wǎng)絡的造價相對便宜。2.3網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化。無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構通常是不斷變化的，節(jié)點的移動、故障，節(jié)點能源的耗盡，新節(jié)點的加入，無線信道的不穩(wěn)定等都有可能造成網(wǎng)絡拓撲結構的變化，變化的時間點和方式都很難預測。這就要求無線傳感器網(wǎng)絡具有自組織和動態(tài)調整的能力，可通過各種組網(wǎng)技術，對各節(jié)點進行動態(tài)的管理，最大程度的利用節(jié)點資源。2.4以數(shù)據(jù)為中心。無線傳感器網(wǎng)絡通常是為了完成某些任務為創(chuàng)建的。用戶關心的是監(jiān)測區(qū)域內的信息，而不是某個傳感器節(jié)點上的數(shù)據(jù)。用戶在使用傳感器網(wǎng)絡時，是將需要查詢的信息發(fā)給網(wǎng)絡，而不是發(fā)給某個節(jié)點，然后傳感器網(wǎng)絡收集相關數(shù)據(jù)后整合成信息匯報給用戶。與以連接為中心的傳統(tǒng)網(wǎng)絡相比，無線傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的，各節(jié)點要有能聚合數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行緩存和壓縮的功能。2.5資源受限。由于無線傳感器網(wǎng)絡通常用于一些特殊場所和領域，傳感器往往在價格、體積和功耗上受到限制，單個節(jié)點的計算能力、存儲空間、續(xù)航能力相對較弱，無法做大規(guī)模的存儲和計算。所以在網(wǎng)絡創(chuàng)建過程中，如何降低網(wǎng)絡的功耗，最大化網(wǎng)絡的生存周期是無線傳感器網(wǎng)絡要面臨的一大挑戰(zhàn)。

3無線傳感器網(wǎng)絡的應用領域

3.1軍事應用。軍事應用是無線傳感器網(wǎng)絡技術最先應用的領域。早在1978年，美國軍方就委托卡耐基-梅隆大學研究分布式傳感器網(wǎng)絡，以滿足軍方對軍用偵察系統(tǒng)的需求。由于無線傳感器網(wǎng)絡具有快速部署、可自組織、高容錯率等優(yōu)點，是軍隊在戰(zhàn)場上進行無線通信的首選技術，目前已成為軍事C4ISRT系統(tǒng)不可缺少的一部分。C4ISRT系統(tǒng)的目標是利用先進的高科技技術，為未來的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭設計一個集命令、控制、通信、計算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)，受到了軍事發(fā)達國家的普遍重視。打仗時，指揮員往往需要及時準確地知道部隊和敵方的相關信息情況。前期鋪設的傳感器可以采集前方的信息，匯聚相關信息后發(fā)送給指揮所，形成戰(zhàn)場上所需的數(shù)據(jù)供指揮員調用來完成決策。由于無線傳感器網(wǎng)絡密度大、成本低、隱蔽性高，同時具有自組織和高的容錯率，所以即使被敵人破壞掉部分節(jié)點也不會對系統(tǒng)造成太大影響。與傳統(tǒng)無線通信技術相比，傳感器網(wǎng)絡非常適合于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境，能安全有效地實現(xiàn)戰(zhàn)場監(jiān)控、地形探測與布防、目標探測和定位等功能。3.2環(huán)境監(jiān)測。隨著我國人民生活水平的不斷提高，人們對環(huán)境的關注度也在日益增加。而在環(huán)境監(jiān)控方面，無線傳感器網(wǎng)絡將取代原有的低效的監(jiān)測手段，特別是大規(guī)模的野外環(huán)境監(jiān)測中顯示出了很大的應用潛力。無線傳感器網(wǎng)絡可以用于監(jiān)測農作物灌溉情況、土壤空氣變更情況、病蟲害預報、牲畜和家禽的環(huán)境狀況、大面積的地表監(jiān)測、行星探測、氣象和地理研究、洪水監(jiān)測和珍稀鳥類等瀕臨危機種群的跟蹤研究等。無線傳感器網(wǎng)絡在預防森林火災中得到廣泛的應用，通常是將可以長期工作的傳感器部署在容易發(fā)生火災的森林中，通過實時監(jiān)測森林的狀態(tài)，可以準確、及時的預報森林的火災可能性。在室內環(huán)境監(jiān)考方面，無線傳感器網(wǎng)絡廣泛應用于供暖、通風和空調系統(tǒng)，傳感器被放置在大樓內不同房間的不同位置，實時、精確地采集大樓內各處的環(huán)境參數(shù)，為大樓內的環(huán)境控制提供決策信息。3.3醫(yī)療應用。無線傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)療上的應用主要是在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護理兩個方面，包括人體各種生理數(shù)據(jù)的監(jiān)測、跟蹤和監(jiān)考醫(yī)院內醫(yī)生和患者的行動、醫(yī)院藥物管理及遠程醫(yī)療等。通過在患者需要進行監(jiān)測的部位植入微型傳感器節(jié)點，來獲得患者的心率、血壓、心電等生理參數(shù)的實時數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測到的信息匯總發(fā)送給監(jiān)護中心進行反饋；另外，還可以利用無線傳感器網(wǎng)絡對患者的生理數(shù)據(jù)進行長期的收集和觀察，對了解患者的健康狀況以及診斷疾病都很有幫助；將基于無線傳感器網(wǎng)絡下的醫(yī)療、健康護理體系與居家環(huán)境相結合，能更為有效地降低大眾就醫(yī)的費用，提升就醫(yī)的便利性，為未來的遠程醫(yī)療和監(jiān)護提供了無限可能。3.4工農商業(yè)應用。無線傳感器網(wǎng)絡在工業(yè)上的應用主要有安全監(jiān)控、工業(yè)生產、距離定位幾個方面。安全監(jiān)控方面，廣泛應用于一些有毒氣體或者具有放射性危險的場所，如煤礦、石油鉆井、核電廠等工作場所的數(shù)據(jù)監(jiān)測，傳感器節(jié)點可以代替人在危險的地方采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)匯總到控制室進行處理。工業(yè)生產方面，由于從原本的有線傳感器網(wǎng)絡變成了無線傳感器網(wǎng)絡，節(jié)省了大量的控制電纜，特別是對于大的監(jiān)控系統(tǒng)，不僅節(jié)省下了電纜費用，而且能夠實現(xiàn)多點的實時監(jiān)控，實現(xiàn)高度的工業(yè)智能化和自動化。無線傳感器網(wǎng)絡在農業(yè)上的應用主要是通過將傳感器布置在農田中，實時的監(jiān)測農田中的溫濕度數(shù)據(jù)，從而精確計算出需要的灌溉量和施肥量，甚至可以控制灌溉設備來保持農田時刻處于適宜的狀態(tài)，從而完成農業(yè)的自動化。無線傳感器網(wǎng)絡在商業(yè)上的典型應用是物流供應鏈的管理，傳感器網(wǎng)絡可以幫助定位貨品信息，包括存放位置、貨品狀態(tài)和銷售情況等，實現(xiàn)大型車間和倉庫的智能化、自動化管理。3.5智能家居。無線傳感器網(wǎng)絡在智能家居中的應用是近幾年比較熱門的方面，包括華為、小米、百度、聯(lián)想、格力等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、制造業(yè)企業(yè)都早已開始在智能家居上進行布局。通過將無線傳感器和執(zhí)行機構嵌入各種家具和家電中，可以實現(xiàn)家具家電的自動控制，如果將無線傳感器網(wǎng)絡與廣域網(wǎng)相連接的話，則可以實現(xiàn)遠程的監(jiān)視和操作，甚至可以在手機上對其進行操作，比如回家前打開空調、啟動電飯煲或者讓掃地機器人開始工作等。無線傳感器與家具的融合使得人們能夠擁有更加舒適的體驗，能夠實現(xiàn)許多人性化的功能。

4結束語

無線傳感器網(wǎng)絡是一個分布式的自組織網(wǎng)絡，規(guī)模大，密度高，網(wǎng)絡結構可動態(tài)變化，以有用數(shù)據(jù)為最終目的，在各行各業(yè)都擁有廣闊的前景。除了在軍事、工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療上廣泛應用外，近些年在物聯(lián)網(wǎng)和智能家居上的應用也是發(fā)展迅速的。本為主要討論了無線傳感器網(wǎng)絡的特點和目前的應用情況，相關的關鍵技術會隨著應用領域的不同而有所差別，這些技術也是未來我國工程師和技術人員需要努力方向。

參考文獻

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作者:龍俊 單位:長江工程職業(yè)技術學院