無線傳感器網(wǎng)絡技術的介紹及應用特點

 無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內部或附近的大量廉價的、具有通信、感測及計算能力的微型傳感器節(jié)點通過自組織構成的“智能”測控網(wǎng)絡[1][2]。無線傳感器網(wǎng)絡在軍事、農業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、智能交通、建筑物監(jiān)測、空間探索等領域有著廣闊的應用前景和巨大的應用價值，被認為是未來改變世界的十大技術之一、全球未來四大高技術產(chǎn)業(yè)之一。

目前，國內外眾多研究機構都已開展了無線傳感器網(wǎng)絡技術及其應用的相關研究。本文主要針對無線傳感器網(wǎng)絡技術在不同領域的應用情況及未來發(fā)展趨勢和制約因素進行介紹。

無線傳感器網(wǎng)絡概述

傳感器節(jié)點可以完成環(huán)境監(jiān)測、目標發(fā)現(xiàn)、位置識別或控制其他設備的功能;此外還具有路由、轉發(fā)、融合、存儲其他節(jié)點信息等功能。

網(wǎng)關負責連接無線傳感器網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡的通信，實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡通信協(xié)議之間的轉換，發(fā)送控制命令到傳感器網(wǎng)絡內部節(jié)點，以及傳送節(jié)點的信息到服務器。

服務器用于接收監(jiān)測區(qū)域的數(shù)據(jù)，用戶可遠程訪問服務器，從而獲得監(jiān)測區(qū)域內監(jiān)測目標的狀態(tài)以及節(jié)點和設備的工作情況。

無線傳感器網(wǎng)絡通常具有如下主要特點：

(1)自組織。傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的節(jié)點具有自動組網(wǎng)的功能，節(jié)點間能夠相互通信協(xié)調工作。

(2)多跳路由。節(jié)點受通信距離、功率控制或節(jié)能的限制，當節(jié)點無法與網(wǎng)關直接通信時，需要由其他節(jié)點轉發(fā)完成數(shù)據(jù)的傳輸，因此網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸路由是多跳的。

(3)動態(tài)網(wǎng)絡拓撲。在某些特殊的應用中，無線傳感器網(wǎng)絡是移動的，傳感器節(jié)點可能會因能量消耗完或其他故障而終止工作，這些因素都會使網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化。

(4)節(jié)點資源有限。節(jié)點微型化要求和有限的能量導致了節(jié)點硬件資源的有限性。

無線傳感器網(wǎng)絡應用現(xiàn)狀

傳感器網(wǎng)絡的應用與具體的應用環(huán)境密切相關，因此針對不同的應用領域，存在性能不同的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)[3]。

軍事領域應用

在軍事應用領域，利用無線傳感器網(wǎng)絡能夠實現(xiàn)監(jiān)測敵軍區(qū)域內的兵力和裝備、實時監(jiān)視戰(zhàn)場狀況、定位目標物、監(jiān)測核攻擊或者生物化學攻擊等。

美國軍方研究的用于軍事偵查的NSOF(Networked Sensors for the Objective Force)系統(tǒng)[4]是美國軍方目前研究的未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)的一部分，能夠收集偵查區(qū)域的情報信息并將此信息及時地傳送給戰(zhàn)術互聯(lián)網(wǎng)。系統(tǒng)由大約100個靜態(tài)傳感器和用于接入戰(zhàn)術互聯(lián)網(wǎng)的指揮控制節(jié)點C2(command and control)構成，系統(tǒng)架構如圖2所示。

2005年，美國軍方采用Crossbow公司節(jié)點構建了槍聲定位系統(tǒng)[5]，節(jié)點部署于目標建筑物周圍，系統(tǒng)能夠有效地自組織構成監(jiān)測網(wǎng)絡，監(jiān)測突發(fā)事件(如槍聲、爆炸等)的發(fā)生，為救護、反恐提供了有力的幫助。

美國科學應用國際公司采用無線傳感器網(wǎng)絡構建了一個電子防御系統(tǒng)[5]，為美國軍方提供軍事防御和情報信息。系統(tǒng)采用多個微型磁力計傳感器節(jié)點來探測監(jiān)測區(qū)域中是否有人攜帶槍支、是否有車輛行駛，同時，系統(tǒng)利用聲音傳感器節(jié)點監(jiān)測車輛或者人群的移動方向。

環(huán)境監(jiān)測應用

無線傳感器網(wǎng)絡應用于環(huán)境監(jiān)測，能夠完成傳統(tǒng)系統(tǒng)無法完成的任務。環(huán)境監(jiān)測應用領域包括：植物生長環(huán)境、動物的活動環(huán)境、生化監(jiān)測、精準農業(yè)監(jiān)測、森林火災監(jiān)測、洪水監(jiān)測等。

加州大學伯克利分校利用傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控大鴨島(Great Duck Island)的生態(tài)環(huán)境[6]，在島上部署30個傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點采用Berkeley大學的Mica mote[7]節(jié)點，包括監(jiān)測環(huán)境所需的溫度、光強、濕度、大氣壓力等多種傳感器。系統(tǒng)采用分簇的網(wǎng)絡結構，傳感器節(jié)點采集的環(huán)境參數(shù)傳輸?shù)酱厥?網(wǎng)關)，然后通過傳輸網(wǎng)絡、基站、Internet網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫中。用戶或管理員可以通過Internet遠程訪問監(jiān)測區(qū)域。

加州大學在南加利福尼亞San Jacinto山建立了可擴展的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)[8]，主要監(jiān)測局部環(huán)境條件下小氣候和植物甚至動物的生態(tài)模式。監(jiān)測區(qū)域(25公頃)分為100多個小區(qū)域，每個小區(qū)域包含各種類型的傳感器節(jié)點，該區(qū)域的網(wǎng)關負責傳輸數(shù)據(jù)到基站，系統(tǒng)由多個網(wǎng)關，經(jīng)由傳輸網(wǎng)絡到Internet互聯(lián)網(wǎng)。

加州大學伯克利分校利用部署于一顆高70m的紅杉樹上的無線傳感器系統(tǒng)來監(jiān)測其生存環(huán)境[9]，節(jié)點間距2m，監(jiān)測周圍空氣溫度、濕度、太陽光強(光合作用)等變化。

文獻[10]利用無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)監(jiān)測牧場中牛的活動，目的是防止兩頭牛相互爭斗。系統(tǒng)中節(jié)點是動態(tài)的，因此要求系統(tǒng)采用無線通信模式和高數(shù)據(jù)速率。

在印度西部多山區(qū)域監(jiān)測泥石流部署的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)[11]，目的是在災難發(fā)生前預測泥石流的發(fā)生，采用大規(guī)模、低成本的節(jié)點構成網(wǎng)絡，每隔預定的時間發(fā)送一次山體狀況的最新數(shù)據(jù)。Intel公司利用Crossbow公司的Mote系列節(jié)點在美國俄勒岡州的一個葡萄園中部署了監(jiān)測其環(huán)境微小變化的無線傳感器網(wǎng)絡[12]。

建筑結構監(jiān)測

無線傳感器網(wǎng)絡用于監(jiān)測建筑物的健康狀況，不僅成本低廉，而且能解決傳統(tǒng)監(jiān)測布線復雜、線路老化、易受損壞等問題。

斯坦福大學提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡的建筑物監(jiān)測系統(tǒng)[13]，采用基于分簇結構的兩層網(wǎng)絡系統(tǒng)。傳感器節(jié)點由EVK915模塊和ADXL210加速度傳感器構成，簇首節(jié)點由Proxim RangelLAN2無線調制器和EVK915連接而成。

南加州大學的一種監(jiān)測建筑物的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)NETSHM[14]，該系統(tǒng)除了監(jiān)測建筑物的健康狀況外，并且能夠定位出建筑物受損傷的位置。系統(tǒng)部署于Los Angeles的The Four Seasons大樓內。系統(tǒng)采用分簇結構，采用Mica-Z系列節(jié)點。

醫(yī)療衛(wèi)生應用

加利福尼亞大學提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡的人體健康監(jiān)測平臺CustMed[15]，采用可佩戴的傳感器節(jié)點，傳感器類型包括壓力、皮膚反應、伸縮、壓電薄膜傳感器、溫度傳感器等。節(jié)點采用加州大學伯克利分校研制、Crossbow公司生產(chǎn)的dot-mote節(jié)點，通過放在口袋里的PC機可以方便直觀地查看人體當前的情況。

紐約Stony Brook大學針對當前社會老齡化的問題提出了監(jiān)測老年人生理狀況的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)(Health Tracker 2000)，除了監(jiān)測用戶的生理信息外，還可以在生命發(fā)生危險的情況下及時通報其身體情況和位置信息。節(jié)點采用Crossbow公司的MICA2和MICA2DOT系列節(jié)點，采用溫度、脈搏、呼吸、血氧水平等類型傳感器。

智能交通應用

圖3所示為上海市重點科技研發(fā)計劃中的智能交通監(jiān)測系統(tǒng)[17]，采用聲音、圖像、視頻、溫度、濕度等傳感器，節(jié)點部署于十字路口周圍，部署于車輛上的節(jié)點還包括GPS全球定位設備。重點強調了系統(tǒng)的安全性問題，包括耗能、網(wǎng)絡動態(tài)安全、網(wǎng)絡規(guī)模、數(shù)據(jù)管理融合、數(shù)據(jù)傳輸模式等。

1995年，美國交通部提出了到2025年全面投入使用的“國家智能交通系統(tǒng)項目規(guī)劃”。該計劃利用大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡，配合GPS定位系統(tǒng)等資源，除了使所有車輛都能保持在高效低耗的最佳運行狀態(tài)、自動保持車距外，還能推薦最佳行使路線，對潛在的故障可以發(fā)出警告。

中國科學院沈陽自動化所提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡的高速公路交通監(jiān)控系統(tǒng)，節(jié)點采用圖像傳感器，在能見度低、路面結冰等情況下，能夠實現(xiàn)對高速路段的有效監(jiān)控。

除了上述提到的應用領域外，無線傳感器網(wǎng)絡還可以應用于工業(yè)生產(chǎn)、智能家居、倉庫物流管理、空間海洋探索等領域。

無線傳感器網(wǎng)絡應用的制約因素

無線傳感器網(wǎng)絡技術的實際應用過程中，主要存在著以下制約因素：

(1)成本：傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的成本是制約其大規(guī)模廣泛應用的重要因素，需根據(jù)具體應用的要求均衡成本、數(shù)據(jù)精度及能量供應時間。

(2)能耗：大部分的應用領域需要網(wǎng)絡采用一次性獨立供電系統(tǒng)，因此要求網(wǎng)絡工作能耗低，延長網(wǎng)絡的生命周期，這是擴大應用的重要因素。

(3)微型化：在某些領域中，要求節(jié)點的體積微型化，對目標本身不產(chǎn)生任何影響，或者不被發(fā)現(xiàn)以完成特殊的任務。

(4)定位性能：目標定位的精確度和硬件資源、網(wǎng)絡規(guī)模、周圍環(huán)境、錨點個數(shù)等因素有關，目標定位技術是目前研究的熱點之一。

(5)移動性：在某些特定應用中，節(jié)點或網(wǎng)關需要移動，導致在網(wǎng)絡快速自組上存在困難，該因素也是影響其應用的主要問題之一。

(6)硬件安全：在某些特殊環(huán)境應用中，例如海洋、化學污染區(qū)、水流中、動物身上等，對節(jié)點的硬件要求很高，需防止受外界的破壞、腐蝕等。

影響無線傳感器網(wǎng)絡實際應用的因素很多，而且也與應用場景有關，需要在未來的研究中克服這些因素，使網(wǎng)絡可以應用到更多的領域。

目前研究的熱點問題

通信協(xié)議

(1)物理層通信協(xié)議：研究傳感器網(wǎng)絡的傳輸媒體、頻段選擇、調制方式等。

(2)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議：研究網(wǎng)絡拓撲、信道接入方式，拓撲包括平面結構、分層結構、混合結構以及Mesh結構，信道接入包括固定分配、隨機競爭方式或以上兩者的混合方式。

(3)網(wǎng)絡層協(xié)議：即路由協(xié)議的研究，路由協(xié)議分為平面和集群兩種，平面協(xié)議節(jié)點地位平等，簡單易擴展，但缺乏管理;集群路由即分簇為簇首和簇成員，便于管理和維護，研究的熱點是集成兩種路由方式的優(yōu)點。

(4)傳輸層協(xié)議：研究提供網(wǎng)絡可靠的數(shù)據(jù)傳輸和錯誤恢復機制。

網(wǎng)絡管理

(1)能量管理：研究在不影響網(wǎng)絡性能的基礎上，控制節(jié)點的能耗、均衡網(wǎng)絡的能量消耗以及動態(tài)調制射頻功率和電壓。

(2)安全管理：研究無線傳感器網(wǎng)絡的安全問題，包括節(jié)點認證、處理干擾信息、攻擊信息等。

應用層支撐技術

(1)時間同步：針對網(wǎng)絡時間同步要求較高情況的應用，例如基于TDMA的MAC協(xié)議和特殊敏感時間監(jiān)測應用，要求網(wǎng)絡時間同步。

(2)定位技術：針對節(jié)點定位要求較高情況的應用，基于少數(shù)已知節(jié)點的位置，研究以最少的硬件資源、最低的成本和能耗定位節(jié)點位置的技術。

硬件資源

(1)微型化：基于特定應用的要求，研究微型化的節(jié)點。

(2)低成本：在不影響節(jié)點性能情況下，研究降低節(jié)點硬件的成本。

(3)新型電源：研究太陽能電源及其他大容量可再生電源，解決制約傳感器網(wǎng)絡發(fā)展應用的能耗問題。

本文主要就無線傳感器網(wǎng)絡的廣泛應用進行了探討，介紹了其在各個領域應用的典型實例，總結了當前制約無線傳感器網(wǎng)絡實際應用的因素及目前的研究熱點。無線傳感器網(wǎng)絡最終將成為聯(lián)系信息世界和客觀物理世界的接口，從而人類可以通過傳感器網(wǎng)絡獲知客觀物理世界的信息并做出相應的措施。