無線傳感器網絡的應用

時間:2016-12-01 12:29 來源:ob体育竞彩

　1 無線傳感器網絡的概述

　　無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network, WSN）是一種新型的信息獲取係統，是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡係統，其目的是協作地監測、感知和采集網絡覆蓋區域內各種感知對象的信息，並對這些信息進行處理，最終發送給觀察者。無線傳感器網絡是一種低功耗、自組織網絡，一般由一個或多個基站（Sink節點）和大量部署於監測區域、配有各類傳感器的無線網絡節點構成。每個節點成本低，功耗小，具有一定計算處理能力、通信能力。雖然單個節點采集數據並不精確，也不可靠，但是大量節點相互協作形成高度統一的網絡結構，提高了數據采集的準確度和運行的可靠性，可部署於在敵占區、災害區、核反應堆等人力不可達的特殊區域進行數據采集、傳輸等，具有其他網絡無法比擬的特性，可廣泛用於國防、環境監測、智能家居等領域。

　　2 無線傳感器網絡的顯著特點

　　與蜂窩網、無線局域網等其它無線通信網絡相比，無線傳感器網絡有其自身的顯著特點：

　　1） 分布式、自組織性。無線傳感網是由對等節點構成的網絡，不存在中心控製。管理和組網都非常簡單靈活。不依賴固定的基礎設施，每個節點都具有路由功能，可以通過自我協調、自動布置而形成網絡，不需要其它輔助設施和人為手段。

　　2）健壯性。由於能量限製、環境幹擾和人為破壞等因素的影響，傳感器節點會損壞，導致一些傳感器節點不能正常工作，但隨機分布的大量節點之間可以協調互補，保證部分傳感器節點的損壞不會影響到全局任務。

　　3）可擴展性。當網絡中增加新的無線傳感器節點時，也不需要其它外界條件，原有的無線傳感器網絡可以有效地融納新增節點，使新增節點快速融入網絡，參與全局工作。

　　4）動態拓撲。無線傳感器網絡是一個動態的網絡，網絡內的節點可能會因為能量耗盡或其他故障退出網絡；有些節點可能處於工作狀態，有些節點可能處於關閉狀態，沒有參與網絡通訊；也有可能又會新增大量的節點融入網絡，這些都會使網絡的拓撲結構隨時發生變化。

　　5）應用相關。無線傳感器網絡用來感知客觀物理世界，獲取物理世界信息。不同的傳感器網絡應用關心不同的物理量，因此不同應用背景將導致不同的節點硬件平台、軟件係統和網絡協議。無線傳感器網絡不能象Internet一樣具有統一的通信協議平台，必須針對具體應用來研究傳感器網絡技術。這也是無線傳感器網絡區別於傳統網絡係統的顯著特征。

　　6）規模大。為了提高網絡的可靠性，通常在目標區域內部署大量傳感器節點，傳感器網絡可能包含多達數千甚至上萬個傳感器節點。傳感器網絡的大規模性還能夠通過不同空間視角獲得更大的信噪比，
從而提高監測準確性。

　　7）高冗餘。節點的大規模部署使得無線傳感器網絡通常具有較高的節點冗餘，網絡鏈路冗餘以及采集的數據冗餘，從而使得係統具有很強的容錯能力。

　　8）空間位置尋址。無線傳感器網絡一般不需要支持任意兩個傳感器節點之間的點對點通信，傳感器節點不必具有全球唯一的標識，不必采用因特網的IP尋址。用戶往往不關心數據采集於哪一個節點，而關心數據所屬的空間位置，因此可采取空間位置尋址方式。從這個意義上講，傳感器網絡通常以數據本身作為查詢或傳輸線索，因此傳感器網絡是一個以數據為中心的網絡。

　　3 無線傳感器網絡的應用分析

　　由於技術等方麵的製約，雖然無線傳感器網絡的大規模商用還有待時日。但隨著微處理器體積的縮小和性能的提升，已經有中小規模的WSN在工業市場上開始投入商用。其應用主要集中在以下領域：

　　①環境監測

　　隨著人們對於環境問題的關注程度越來越高，需要采集的環境數據也越來越多，無線傳感器網絡的出現為隨機性的研究數據獲取提供了便利，並且還可以避免傳統數據收集方式給環境帶來的侵入式破壞。比如，英特爾研究實驗室研究人員曾經將32個小型傳感器連進互聯網，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。無線傳感器網絡還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環境變化對農作物的影響，監測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應用在精細農業中，來監測農作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。

　　②醫療護理

　　羅徹斯特大學的科學家使用無線傳感器創建了一個智能醫療房間，使用微塵來測量居住者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天24小時的活動狀況。英特爾也推出了基於WSN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。

　　③軍事領域

　　由於無線傳感器網絡具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應用於惡劣的戰場環境中，使其非常適合應用於惡劣的戰場環境中，包括偵察敵情、監控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方麵用途。美國國防部遠景計劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學進行“智能塵埃”傳感器技術的研發。

　　④目標跟蹤

　　DARPA支持的Sensor IT項目探索如何將WSN技術應用於軍事領域，實現所謂“超視距”戰場監測。UCB的教授主持的Sensor Web是Sensor IT的一個子項目。原理性地驗證了應用WSN進行戰場目標跟蹤的技術可行性，翼下攜帶WSN節點的無人機（UAV）飛到目標區域後拋下節點，最終隨機布撤落在被監測區域，利用安裝在節點上的地震波傳感器可以探測到外部日標，如坦克、裝甲車等，並根據信號的強弱估算距離，綜合多個節點的觀測數據，最終定位目標，並繪製出其移動的軌跡。

　　⑤其他用途

　　WSN還被應用於一些危險的工業環境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監測。也可以用在交通領域作為車輛監控的有力工具。此外，還可以在工業自動化生產線等諸多領域，英特爾正在對工廠中的一個無線網絡進行測試，該網絡由40台機器上的210個傳感器組成，這樣組成的監控係統將可以大大改善工廠的運作條件。它可以大幅降低檢查設備的成本，同時由於可以提前發現問題，因此將能夠縮短停機時間，提高效率，並延長設備的使用時間。相信隨著相關技術的發展和推進，無線傳感器技術一定會得到更大的應用。

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