丁革媛1，李振江2，李詩涵3
?。?．沈陽工業(yè)大學 化工過程自動化學院，遼寧 遼陽 111003；2．中國石油遼陽石化公司動力廠，遼寧 遼陽 111003；3．沈陽工業(yè)大學 管理學院，遼寧 沈陽 110870）
摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)應用領域的不斷擴大，無線傳感器網(wǎng)絡的應用也以前所未有的速度迅速拓展。無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）具有覆蓋區(qū)域廣泛、檢測精度高、可以遠程監(jiān)控和高容錯性等優(yōu)點，使其在軍事、工業(yè)、農業(yè)、環(huán)境保護、醫(yī)療系統(tǒng)、智能交通等各領域得到了廣泛的應用。雖然無線傳感器網(wǎng)絡的應用前景非常廣泛，但仍存在很多技術問題需要解決，包括最大限度減少傳感節(jié)點的功耗，以及如何有效提高網(wǎng)絡系統(tǒng)容量、減少碰撞阻塞等。為了有效解決以上技術難題，通過對MSN的體系結構以及具體應用領域的研究，提出了解決辦法。
0引言
通信技術、嵌入式技術和傳感器技術的飛速發(fā)展，使得無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)揮著越來越重要的作用。無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks,WSN）由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，是通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。
無線傳感器網(wǎng)絡主要涉及計算機網(wǎng)絡技術、傳感器技術、數(shù)據(jù)傳輸技術、分布式處理技術、嵌入式技術等多種技術，是涉及多學科、跨領域的交叉技術，表現(xiàn)出信息時代知識密度大、學科交叉領域寬等特征［1］。
傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展經歷了傳感器、無線傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡三個階段。在傳感器階段，最早的應用是在越南戰(zhàn)爭時期。當時美國軍隊使用傳感器系統(tǒng)，使越軍受到沉重打擊。無線傳感器的發(fā)展是在20世紀80年代至90年代之間，主要設備是美國研制的分布式傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)、遠程戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)等，該系統(tǒng)具備感知能力、計算能力和通信能力。無線傳感器網(wǎng)絡階段始于21世紀初，發(fā)展到目前，無線傳感器網(wǎng)絡已在很多領域得到應用。其最突出的特點是網(wǎng)絡傳輸可以實現(xiàn)自組織方式，加上低功耗特性，更進一步推動了它的應用進程［2］。
1無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構
無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)架構包括無線傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、外部網(wǎng)絡以及任務管理節(jié)點和用戶等幾個組成部分，如圖1所示。
由圖1可以看出，網(wǎng)絡中的傳感器按一定規(guī)律部署在目標監(jiān)測區(qū)域，通過無線多跳方式形成網(wǎng)絡，負責本地信息收集、數(shù)據(jù)處理任務，同時還要對其他節(jié)點轉發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合。網(wǎng)絡中每個傳感器測量得到的數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中可能經過其他傳感器節(jié)點，因此，測量得到的數(shù)據(jù)還可以由其他節(jié)點進行相關操作和處理。測量到的數(shù)據(jù)到達網(wǎng)絡中的匯聚節(jié)點，最終可以通過互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡等傳送至遠程任務管理節(jié)點，再提供給用戶進行收集［3］。
設計無線傳感器網(wǎng)絡時，對于其體系結構，要重點考慮以下幾個方面。
(1)有效利用節(jié)點資源。由于低成本微型傳感器節(jié)點的資源有限，如何有效地管理和使用這些資源并最大限度地延長網(wǎng)絡壽命，是WSN面臨的一個關鍵問題。常用的方法有下面幾種：
?、龠x擇低功耗的硬件設備，設計低功耗的MAC協(xié)議和路由協(xié)議；
②各功能模塊間保持必要的同步，即同步休眠與喚醒，有效降低設備功耗；
③設計能耗均衡的路由協(xié)議，避免因為追求低功耗而忽視系統(tǒng)的分層設計。
(2)支持在網(wǎng)絡內部完成數(shù)據(jù)處理功能。傳感器網(wǎng)絡以數(shù)據(jù)為中心，而傳統(tǒng)網(wǎng)絡以傳輸數(shù)據(jù)為目的。傳統(tǒng)網(wǎng)絡中的節(jié)點不實現(xiàn)任何與分組內容相關的功能，只是簡單地用存儲或轉發(fā)的模式為用戶傳送分組。而WSN僅僅實現(xiàn)分組和傳輸功能是不夠的，有時特別需要在網(wǎng)絡內進行數(shù)據(jù)的聚合、壓縮或過濾等操作，同時減少分組傳輸，才能有效控制網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧髁?，保證網(wǎng)絡暢通。
(3)保障網(wǎng)絡的安全性。無線傳感器網(wǎng)絡利用無線方式進行通信，因此網(wǎng)絡信道沒有必要的物理屏蔽，容易受到外部黑客等的惡意攻擊。所以對于WSN，要加強網(wǎng)絡安全考慮，提供可靠的安全保護措施，保障網(wǎng)絡的安全性和可靠性［4］。
可以看出WSN綜合了傳感器、嵌入式計算、分布式信息處理、無線通信等技術，能實時監(jiān)測、感知、采集網(wǎng)絡區(qū)域內的各種環(huán)境或被監(jiān)測對象的信息，并通過系統(tǒng)對信息進行處理，以便進一步獲取更詳盡準確的數(shù)據(jù)，傳送給需要這些數(shù)據(jù)信息的用戶。它具有以下突出特點：
(1)網(wǎng)絡規(guī)模大。工作時，為使獲取的信息更準確，往往需要在監(jiān)測區(qū)域內設置大量傳感器節(jié)點。除此之外，WSN也可以建立在面積較大的地理空間范圍內，通過緊密布置、功能各異的傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳送，還能有效減少檢測空洞或盲區(qū)。
(2)自組織性。具有較好的自組織能力是WSN能夠廣泛應用的重要基礎。當被監(jiān)測的區(qū)域處于人力難以到達，或者是比較危險的區(qū)域時，就需要傳感器節(jié)點發(fā)揮其自組織能力，通過系統(tǒng)能夠自動進行網(wǎng)絡配置和管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和通信等功能。
(3)低功耗。一般傳感器節(jié)點都是利用電池進行供電，為確保其能夠長時間地使用，要求各節(jié)點的功耗要盡可能降低，這樣才能有效地保證傳感器的工作時效和使用壽命。
(4)高可靠性。在正常情況下，WSN的傳感器都是直接暴露在其地理環(huán)境中，很容易遭到破壞。所以，當WSN需要建立在比較惡劣的復雜環(huán)境時，要求傳感器必須具有較高的可靠性，才能保證在復雜環(huán)境中依然能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)裙δ埽?］。
2無線傳感器網(wǎng)絡的應用
無線傳感器網(wǎng)絡的應用目前已經擴展到很多領域，主要包括農業(yè)、軍事、環(huán)境及土壤監(jiān)測、智能家居、健康護理、智能交通、機械制造流程監(jiān)控、空間探索以及機場、火車站的安全監(jiān)測等。
(1)在軍事相關領域的應用
利用無線傳感器網(wǎng)絡可以實現(xiàn)敵我雙方戰(zhàn)場的監(jiān)視、尋找敵方目標并進行定位等功能，而且在攻擊范圍、目標搜索和監(jiān)視等功能領域的應用已得到很好的驗證。在這些應用中，通過相關的生物傳感器，能夠準確地檢測出生化武器的化學成分，并通過網(wǎng)絡系統(tǒng)將檢測信息及時傳送給指揮系統(tǒng)，幫助指揮人員制定做戰(zhàn)計劃。
(2)在自然環(huán)境監(jiān)測中的應用
在自然環(huán)境監(jiān)測領域中，WSN可以發(fā)揮更大的作用。利用WSN能夠實現(xiàn)對農作物的灌溉、空氣的溫度和濕度、家禽的生長環(huán)境、遷移時間及距離、家畜的生長環(huán)境及生長規(guī)律、地球表面大面積的監(jiān)測等。此外，WSN還能夠應用在氣象研究、行星探測、洪水易發(fā)地域特殊監(jiān)測等?；跓o線傳感器網(wǎng)絡，可以通過數(shù)量繁多、功能各異的多種傳感器監(jiān)測一個地區(qū)的河水水位、夏季的降雨量以及土壤溫度和濕度的變化情況，利用這些數(shù)據(jù)作為自然環(huán)境生態(tài)描述、山洪爆發(fā)等的參考數(shù)據(jù)。
(3)在醫(yī)療和健康護理中的應用
在醫(yī)療和保健系統(tǒng)，可以通過無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控病患的病情。例如將具有心跳速率和血壓監(jiān)測功能的設備佩戴到病患胳膊上，醫(yī)生可以通過網(wǎng)絡對患者進行實時監(jiān)控，當患者出現(xiàn)異常情況時，可以隨時掌握病人的病情迅速出救。
(4)在信息家電設備中的應用
通過無線傳感器網(wǎng)絡建立的智能家居系統(tǒng)，可以通過遠程操控系統(tǒng)遙控器，對家居中的設備進行遠程監(jiān)控。(5)在建筑物狀態(tài)監(jiān)控中的應用
任何一個建筑都有它的生命周期，可以通過WSN對城市中的所有建筑物的存在狀態(tài)實施監(jiān)測，通過網(wǎng)絡中的傳感器獲得建筑物的實時狀態(tài)信息，及時發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患，保障建筑物處于安全狀態(tài)。如果用傳統(tǒng)方法進行建筑物狀態(tài)監(jiān)控往往需要使建筑物封閉幾個月，而用傳感器網(wǎng)絡進行監(jiān)控，就可以實時報告建筑物的相關信息給管理部門，同時還能夠按照系統(tǒng)設置的程序選擇合適的方案進行修復操作。WSN在建筑領域的應用使得建筑物具有智能控制系統(tǒng)［6］。
(6)在空間探索中的應用
用航天器在外星體上撒播一些傳感器節(jié)點，可用于探索外星體表面。通過這種方式，傳感器節(jié)點之間可以互相通信，還可以與地面站通信。 NASA的JPL實驗室的傳感器網(wǎng)目前正在研究用于火星探測技術的項目。
3結論
無線傳感器網(wǎng)絡具有覆蓋區(qū)域廣、檢測精度高、可以遠程監(jiān)控、可自組織和高容錯性等優(yōu)點，再加上其網(wǎng)絡規(guī)模大、低功耗、高可靠性等特點，使得其在工業(yè)、農業(yè)、軍事、環(huán)境保護、智能交通等各領域得到了廣泛的應用。雖然無線傳感器網(wǎng)絡的應用前景非常廣泛，但也存在很多技術上的難題沒有得到有效解決，其中最主要的便是如何最大限度地減少傳感節(jié)點的功耗問題。隨著時間的推移和技術的進步，可以通過聯(lián)合路由協(xié)議和MAC協(xié)議來實現(xiàn)。另外，如何有效提高WSN系統(tǒng)容量、減少碰撞和阻塞也是急需解決的問題。目前，可以考慮更多地使用并行傳輸技術，這樣可以有效提高中心節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸能力，有效提高網(wǎng)絡容量，減少阻塞［7］。
參考文獻
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