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研究無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用與發(fā)展
摘要:本文簡(jiǎn)述了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的定義、組成及特點(diǎn)，并結合其特點(diǎn)介紹了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在各行各業(yè)廣泛的應用價(jià)值和未來(lái)發(fā)展前景以及目前存在的技術(shù)問(wèn)題。
關(guān)鍵詞:無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；組成；應用；發(fā)展
科技發(fā)展的腳步越來(lái)越快，人類(lèi)已經(jīng)置身于信息時(shí)代。而作為信息獲取最重要和最基本的技術(shù)——傳感器技術(shù)，也得到了極大的發(fā)展。傳感器信息獲取技術(shù)已經(jīng)從過(guò)去的單一化漸漸向集成化、微型化和網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展，并將會(huì )帶來(lái)一場(chǎng)信息革命。具有感知能力、計算能力和通信能力的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN, wireless sensor networks）綜合了傳感器技術(shù)、嵌人式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監測、感知和采集網(wǎng)絡(luò )分布區域內的各種環(huán)境或監測對象的信息，并對這些信息進(jìn)行處理，獲得詳盡而準確的信息，傳送到需要這些信息的用戶(hù)。
由于WSN的巨大應用價(jià)值，它已經(jīng)引起了世界許多國家的軍事部門(mén)、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，被廣泛地應用于軍事，工業(yè)過(guò)程控制、國家安全、環(huán)境監測等領(lǐng)域。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現代網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等多種領(lǐng)域，是當前計算機網(wǎng)絡(luò )研究的熱點(diǎn)。
一、發(fā)展概述
早在上世紀70年代，就出現了將傳統傳感器采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器而構成傳感器網(wǎng)絡(luò )雛形，我們把它歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò )。隨著(zhù)相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò )同時(shí)還具有了獲取多種信息信號的綜合處理能力，并通過(guò)與傳感控制器的相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò )，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò )。而從上世紀末開(kāi)始，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)開(kāi)始應用于傳感器網(wǎng)絡(luò )，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò )，大量多功能傳感器被運用，并使用無(wú)線(xiàn)技術(shù)連接，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )逐漸形成。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò )，具有非常廣泛的應用前景，其發(fā)展和應用，將會(huì )給人類(lèi)的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)深遠影響。發(fā)達國家如美國，非常重視無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，IEEE正在努力推進(jìn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用和發(fā)展，波士頓大學(xué)（Boston University）還于最近創(chuàng )辦了傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)會(huì )（Sensor Network Consortium），期望能促進(jìn)傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)。美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )列為第一項未來(lái)新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》預測的未來(lái)四大新技術(shù)中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )也列入其中�？梢灶A計，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的廣泛是一種必然趨勢，它的出現將會(huì )給人類(lèi)社會(huì )帶來(lái)極大的變革。
二、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的定義和特點(diǎn)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可以看成是由數據獲取網(wǎng)絡(luò )、數據分布網(wǎng)絡(luò )和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的節點(diǎn),各節點(diǎn)通過(guò)協(xié)議自組成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò ),再將采集來(lái)的數據通過(guò)優(yōu)化后經(jīng)無(wú)線(xiàn)電波傳輸給信息處理中心。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )操作系統Tiny0S141的研制者，Jason Hill博士把WSN定義為：
Sensing＋CPU＋Radio＝Thousands of potential application
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李建中教授將WSN定義為：WSN是由一組傳感器節點(diǎn)以自組織的方式構成的有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀(guān)察者。從硬件上看，WSN節 點(diǎn)主要由數據采集單元、數據處理單元、無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)單元以及小型電池單元組成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特點(diǎn)；從軟件上看，它借助于節點(diǎn)中內置傳感器有效探測所處區域的溫度、濕度、光強度、壓力等環(huán)境參數以及待測對象的電壓、電流等物理參數，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將探測信息傳送到數據匯聚中心 進(jìn)行處理、分析和轉發(fā)。
WSN與傳統傳感器和測控系統相比具有明顯的優(yōu)勢。它采用點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)連接，大大減少了電纜成本，在傳感器節點(diǎn)端即合并了模擬信號／數字信號轉換、數字信號處理和網(wǎng)絡(luò )通信功能，節點(diǎn)具有自檢功能，系統性能與可靠性明顯提升而成本明顯縮減。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有以下特點(diǎn)：
1、硬件資源有限。WSN節點(diǎn)采用嵌入式處理器和存儲器，計算能力和存儲能力十分有限。所以，需要解決如何在有限計算能力的條件下進(jìn)行協(xié)作分布式信息處理的難題。
2、電源容量有限。為了測量真實(shí)世界的具體值,各個(gè)節點(diǎn)會(huì )密集地分布于待測區域內,人工補充能量的方法已經(jīng)不再適用。每個(gè)節點(diǎn)都要儲備可供長(cháng)期使用的能量,或者自己從外汲取能量（太陽(yáng)能）。當自身攜帶的電池的能量耗盡，往往被廢棄，甚至造成網(wǎng)絡(luò )的中斷。所以，任何WSN技術(shù)和協(xié)議的研究都要以節能為前提。
3、無(wú)中心。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中,所有節點(diǎn)的地位都是平等的,沒(méi)有預先指定的中心, 是一個(gè)對等式網(wǎng)絡(luò )。各節點(diǎn)通過(guò)分布式算法來(lái)相互協(xié)調,在無(wú)人值守的情況下,節點(diǎn)就能自動(dòng)組織起一個(gè)測量網(wǎng)絡(luò )。而正因為沒(méi)有中心,網(wǎng)絡(luò )便不會(huì )因為單個(gè)節點(diǎn)的脫離而受到損害。節點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )，任何節點(diǎn)的故障不會(huì )影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的運行，具有很強的抗毀性。
4、自組織。網(wǎng)絡(luò )的布設和展開(kāi)無(wú)需依賴(lài)于任何預設的網(wǎng)絡(luò )設施，節點(diǎn)通過(guò)分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調各自的行為，節點(diǎn)開(kāi)機后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨立的網(wǎng)絡(luò )。
5、多跳（Multi-hop）路由。WSN節點(diǎn)通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十到幾百米，節點(diǎn)只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要通過(guò)中間節點(diǎn)進(jìn)行路由。WSN中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)完成的。
6、動(dòng)態(tài)拓撲。WSN是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò )，節點(diǎn)可以隨處移動(dòng)；一個(gè)節點(diǎn)可能會(huì )因為電池能量耗盡或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò )運行；也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò )中。這些都會(huì )使網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構隨時(shí)發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò )應該具有動(dòng)態(tài)拓撲組織功能。
7、節點(diǎn)數量眾多，分布密集。WSN節點(diǎn)數量大、分布范圍廣，難于維護甚至不可維護。所以，需要解決如何提高傳感器網(wǎng)絡(luò )的軟、硬件健壯性和容錯性。
8、傳輸能力的有限性。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波進(jìn)行數據傳輸,雖然省去了布線(xiàn)的煩惱,但是相對于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ),低帶寬則成為它的天生缺陷。同時(shí),信號之間還存在相互干擾,信號自身也在不斷地衰減,諸如此類(lèi)。不過(guò)因為單個(gè)節點(diǎn)傳輸的數據量并不算大,這個(gè)缺點(diǎn)還是能忍受的。
9、安全性的問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)信道、有限的能量,分布式控制都使得無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )更容易受到攻擊。被動(dòng)偷聽(tīng)、主動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)則是這些攻擊的常見(jiàn)方式。因此,安全性在網(wǎng)絡(luò )的設計中至關(guān)重要。
三、應用現狀
雖然無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的大規模商業(yè)應用，由于技術(shù)等方面的制約還有待時(shí)日，但是最近幾年，隨著(zhù)計算成本的下降以及微處理器體積越來(lái)越小，已經(jīng)為數不少的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)始投入使用。目前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用主要集中在以下領(lǐng)域
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