主頁 > 技術文章（zhāng） > 淺（qiǎn）談無線傳感器（qì）網絡的（de）應（yīng）用與發展 2024-10-15

淺談無線傳感器網絡的應用與發展

摘要：本文簡述了無線傳（chuán）感器網絡的定義、組成及特點，並結合其特點介紹了無線（xiàn）傳感器網（wǎng）絡在各（gè）行各（gè）業（yè）廣泛的應用價（jià）值和未來發展前景以及目前（qián）存在的技術問題。
　　　　科技發（fā）展的腳步越來越（yuè）快，人類（lèi）已經置身於信息時代。而作（zuò）為信息獲取最重要和最基本（běn）的技術——傳感器技術，也得到了極大的發展。傳感器信息（xī）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（fāng）向發（fā）展（zhǎn），並（bìng）將會帶來一場信息革命。具（jù）有感知能力、計算能力（lì）和通信能力的無線（xiàn）傳（chuán）感器網（wǎng）絡（WSN, wireless sensor networks）綜合了傳感器技術、嵌人式（shì）計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，能夠協作地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或（huò）監測對象的信息，並對這些信息（xī）進行處理，獲得詳盡而準確（què）的信（xìn）息，傳送（sòng）到需要這些信息的用戶。
　　由於WSN的巨大應用價值，它已經引（yǐn）起了世界許多國家的軍事部門、工業界和學術界的廣泛關注，被廣泛地應用於軍事，工業（yè）過程控製、國家安全、環境監測等領（lǐng）域。
　　無線傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式（shì）計算（suàn）技術（shù）、現代網絡及（jí）無（wú）線通信技術、分布式信息處理技術（shù）等（děng）多種（zhǒng）領域，是當（dāng）前計算機網絡研究的熱點。
一、發展概述：
　　　　早在上世紀70年（nián）代，就出現了將傳統傳感器采用點對點傳輸、連接傳（chuán）感控製（zhì）器而構成傳感器網絡雛形，我們把它歸之為第（dì）一代傳感器網絡（luò）。隨著相關學（xué）科的不斷發展和進步，傳感器網絡同時還具有（yǒu）了獲取多種信息信號的綜合處（chù）理（lǐ）能力，並通過與傳感控製器的相聯，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（cóng）上世紀（jì）末開始，現場（chǎng）總線技術開始應用於傳感器網絡，人們（men）用其組（zǔ）建智能化傳感器網絡，大量多（duō）功能傳感（gǎn）器被運用（yòng），並使用無線技術連接，無線傳感（gǎn）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據獲取網絡、數據分布網絡和控製管理中心三部分組成的。其主要組成部分是（shì）集成有（yǒu）傳感器、數據處理單（dān）元和通信模塊的節點,各節點通過協議自組成一個分布式（shì）網（wǎng）絡,再將采集（jí）來的數據通過優化後經無線電波傳輸給信息處理（lǐ）中心。
　　WSN是（shì）由一組傳感器節（jiē）點以自組織的方式構成的有線（xiàn）或無線網絡，其目的是協作地（dì）感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區域中感知對象（xiàng）的信息，並發布給觀察者。從硬（yìng）件（jiàn）上看，WSN節點主要由數據采集單元、數據處理單元、無線數據收發單元以及小型電（diàn）池（chí）單元組成，通（tōng）常尺寸很小（xiǎo），具有（yǒu）低成本、低功（gōng）耗、多功能（néng）等（děng）特點；從（cóng）軟件上看，它借助於節點中內置傳感器有（yǒu）效（xiào）探測所處區域的溫度、濕度、光強度、壓力等環境參數以及待測（cè）對象的電壓、電流等物理參數，並通過無線網絡將探測信息傳（chuán）送到數據匯聚中心進行處理、分析和轉發。
　　WSN與傳統傳感器和（hé）測控係統相比具有明顯的優（yōu）勢（shì）。它采用點對點或點對（duì）多點的無線連接，大大減少了電纜成本，在傳（chuán）感器節點端即合並了模擬信號／數字信號轉換、數字信號處理和網絡通信功能，節點具有自檢（jiǎn）功能，係統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（jù）有以下特點：
　　1、硬件資源有限。WSN節點采用嵌入式處理（lǐ）器和存儲器，計算能力和存儲能力十分有限。所以，需要解決（jué）如何在有限計算能（néng）力的條件下進行協作（zuò）分布式信息處理的難題（tí）。
　　2、電源容量有限。為了測量真實世界的具體值,各個節（jiē）點會密集地分布於待測區域內,人工補充能量的方法（fǎ）已經不再適（shì）用。每個節點都要儲備可供長期（qī）使用的能量,或者自己（jǐ）從外汲取能量（太陽能）。當自身攜帶的電（diàn）池的能量耗盡（jìn），往往被廢棄，甚（shèn）至造成網絡的中斷。所以，任何WSN技術和協議的研（yán）究（jiū）都要以（yǐ）節能為前提（tí）。
　　3、無中心。在無線傳感器網絡中,所有節點的地位都（dōu）是平等的,沒有預先指定的中心, 是一個（gè）對等式網絡。各節點通過分布式算法來相互協調（diào）,在無人值守（shǒu）的情況下,節點就能自動組織起一個測量網絡。而（ér）正（zhèng）因為沒有中心,網（wǎng）絡便不會因為單個節點的脫離而受到（dào）損害。節點可以隨時加入（rù）或離開（kāi）網絡，任何節（jiē）點的故障不會影響整（zhěng）個（gè）網絡的運行，具有很強的抗毀性（xìng）。
4、自組織（zhī）。網絡的布（bù）設和展（zhǎn）開無需（xū）依賴於任何預設的網絡設施，節點通過分層協議和分布式算法協（xié）調各自的行為，節點開（kāi）機後就可以（yǐ）快速、自動地組成一個獨立的（de）網絡。
5、多跳（tiào）（Multi-hop）路由。WSN節點通（tōng）信能力有限，覆蓋範圍隻有幾十到幾（jǐ）百米，節點（diǎn）隻能與它的鄰居直接通（tōng）信。如果希（xī）望與其射頻覆蓋範圍之外的節點進行通信（xìn），則需要通過中間節（jiē）點進行路由。WSN中的（de）多跳（tiào）路由是由普通網（wǎng）絡節點完（wán）成（chéng）的。
　　6、動態拓（tuò）撲。WSN是一個動態（tài）的網絡，節點可以隨處移動（dòng）；一個節點（diǎn）可能會因為電池能量（liàng）耗盡或其他故障，退出網絡運（yùn）行；也可能（néng）由於（yú）工作的需要而被添加到網絡中。這些都會使網絡的拓撲結（jié）構隨（suí）時發生變化，因此網絡應該具有動態拓撲組織功能。
　　7、節點數量眾多，分布密集。WSN節點數（shù）量（liàng）大、分布範圍（wéi）廣，難於維護甚至不可維（wéi）護。所以，需要解決（jué）如何提高傳感器網絡的軟、硬件健（jiàn）壯性和（hé）容（róng）錯性。
　　8、傳輸能力的有限性。無線傳（chuán）感器網絡通過無線（xiàn）電波（bō）進行數據傳輸,雖然省去了（le）布線的煩惱,但是相對於（yú）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幹擾,信號自身也在不斷地衰減,諸如此（cǐ）類。不過因為單個節點傳輸的數據量並不算大,這個缺點還（hái）是能忍受的。
　　9、安全性的問題。無（wú）線信道（dào）、有限的能量,分布式控製都使得無線傳感器網絡更容（róng）易受到攻擊。被動竊聽（tīng）、主動入侵、拒絕服務則是（shì）這些（xiē）攻擊的常見（jiàn）方式。因（yīn）此,安全性在網絡的設（shè）計中至關重要。
三（sān）、應用現狀：
　　　　雖然無線傳感器網絡的大規模商業應用，由於技術等方麵的製約還有（yǒu）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（xiǎo），已經為數不少的無（wú）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（yào）集中在以下領域：
　　1．環境的監（jiān）測和保護
　　隨著（zhe）人們（men）對（duì）於環境問題的關注程度越來越高，需要采集的環（huán）境數據也越來越多，無線傳感器網絡的出現（xiàn）為隨機性的研究數據獲取提供了便利，並且還可以避（bì）免傳統（tǒng）數據收集方（fāng）式給環境帶來的侵入式破（pò）壞。
　　2．醫（yī）療（liáo）護理（lǐ）
　　無線（xiàn）傳感器網絡在醫療研究、護理領域也可（kě）以大展身手。羅（luó）徹斯特大學的科學家使用（yòng）無線傳感器創建了一個智（zhì）能醫療房間，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（jí）每（měi）天（tiān）24小時的活動狀況（kuàng）。英特爾公司也推出了無線傳感器（qì）網絡的家庭護（hù）理（lǐ）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（gè）環節開發的。該係統通過在鞋、家具以家用電器等家中道具和設（shè）備中嵌入半導體傳感器，幫助老齡人士、阿爾（ěr）茨（cí）海默（mò）氏（shì）病患者以及殘障人士的家庭生活。利用無線（xiàn）通信將各傳感器聯網可高（gāo）效傳遞必（bì）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（jiū）的董事Eric Dishman稱，“在開發家庭用護理技術方麵，無線傳感器網絡是非常有前途的領域”。
　　3．軍事領域
　　由於無線傳感器網絡具有密集型（xíng）、隨機分布的特點，使其（qí）非常適（shì）合應（yīng）用於惡劣的戰場（chǎng）環境中，使其非常適合應用於（yú）惡劣的戰場環境（jìng）中，包括（kuò）偵察敵情、監控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方麵用途。
　　4．商業（yè）化用途
　　無線傳感器網絡還被應用於其他一些領域。比如一些危險的工業環境如井（jǐng）礦、核電廠等，工作人員可以通過它（tā）來實施安全監（jiān）測。也可以用在（zài）交（jiāo）通領域作為車輛監控的有力工具。盡管無（wú）線傳感器技術目前仍處於初步應用階段，但已經展示出（chū）了非凡的應用價值（zhí），相信隨（suí）著相關技術（shù）的發展（zhǎn）和推進，一定會得到更大的應用。從應用的情況來（lái）看,北（běi）美的狀（zhuàng）況最好（hǎo）,在樓宇自動化（huà）、環（huán）境監控等方麵,無線傳感（gǎn）器網絡（luò）已經開始大展拳腳。
四、需要解決的問題：
　　　　就目前的技術（shù）水平來說，讓無線（xiàn）傳感器網正常運（yùn）行並大量投入使（shǐ）用還（hái）麵臨著許多問題：
　　1．網絡內通信問題。無線傳感器網絡內正常通信聯係中，信號可能被一些障礙物或其他電子（zǐ）信號（hào）幹擾而受到影響，怎麽安全（quán）有效的進行通信（xìn）是個有待研究的問（wèn）題。
　　2．成本問題（tí）。在一個無線傳感器網絡裏（lǐ）麵，需要使用數量龐大的微型傳感器（qì），這樣的話成本會製約其發（fā）展。
　　3．係統能量供應問題。目前主要的解決（jué）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（wǒ）能量收集技術和（hé）電池無線充電技術。其中後兩者備受關注。
　　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（xiàn）傳感器的成網技術，有多種（zhǒng）形態和方式，合理的無線傳感器網絡可以最大限度的利（lì）用（yòng）資源。在這裏麵，還包括網絡安全協議問題和大規模傳（chuán）感器網絡中（zhōng）的節點移動性管理（lǐ）等諸多（duō）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（lái）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（huò）取信息、處（chù）理信息的途徑。由於WSN本身的特點，使得它與現有的傳統網絡（luò）技（jì）術之間存在較（jiào）大的區別，給（gěi）人們提出了很多新的挑戰（zhàn）。由於WSN對國家（jiā）和社會意義重大，國內外對於WSN的研究正熱烈開展（zhǎn），希（xī）望能夠引起測控領域對這一新興（xìng）技術的重視，推動對（duì）這一具有國家戰略意義的新技（jì）術（shù）的研究、應用和發展。

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