丁革媛1，李振江2，李詩涵3
（1．沈陽工業大學 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．沈陽工業大學 管理學院，遼寧 沈陽 110870）
摘要：隨著物聯網應用領域的不斷擴大，無線傳感器網絡的應用也以前所未有的速度迅速拓展。無線傳感器網絡（WSN）具有覆蓋區域廣泛、檢測精度高、可以遠程監控和高容錯性等優點，使其在軍事、工業、農業、環境保護、醫療系統、智能交通等各領域得到了廣泛的應用。雖然無線傳感器網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點的功耗，以及如何有效提高網絡系統容量、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展，使得無線傳感器網絡發揮著越來越重要的作用。無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks,WSN）由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，是通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡系統，其目的是感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。
無線傳感器網絡主要涉及計算機網絡技術、傳感器技術、數據傳輸技術、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］。
傳感器網絡的發展經歷了傳感器、無線傳感器、無線傳感器網絡三個階段。在傳感器階段，最早的應用是在越南戰爭時期。當時美國軍隊使用傳感器系統，使越軍受到沉重打擊。無線傳感器的發展是在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絡系統、遠程戰場傳感器系統等，該系統具備感知能力、計算能力和通信能力。無線傳感器網絡階段始于21世紀初，發展到目前，無線傳感器網絡已在很多領域得到應用。其最突出的特點是網絡傳輸可以實現自組織方式，加上低功耗特性，更進一步推動了它的應用進程［2］。
1無線傳感器網絡的體系結構
無線傳感器網絡的系統架構包括無線傳感器節點、匯聚節點、外部網絡以及任務管理節點和用戶等幾個組成部分，如圖1所示。
由圖1可以看出，網絡中的傳感器按一定規律部署在目標監測區域，通過無線多跳方式形成網絡，負責本地信息收集、數據處理任務，同時還要對其他節點轉發來的數據進行存儲、管理和融合。網絡中每個傳感器測量得到的數據在傳輸的過程中可能經過其他傳感器節點，因此，測量得到的數據還可以由其他節點進行相關操作和處理。測量到的數據到達網絡中的匯聚節點，最終可以通過互聯網、衛星通信網絡等傳送至遠程任務管理節點，再提供給用戶進行收集［3］。
設計無線傳感器網絡時，對于其體系結構，要重點考慮以下幾個方面。
(1)有效利用節點資源。由于低成本微型傳感器節點的資源有限，如何有效地管理和使用這些資源并最大限度地延長網絡壽命，是WSN面臨的一個關鍵問題。常用的方法有下面幾種：
①選擇低功耗的硬件設備，設計低功耗的MAC協議和路由協議；
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議，避免因為追求低功耗而忽視系統的分層設計。
(2)支持在網絡內部完成數據處理功能。傳感器網絡以數據為中心，而傳統網絡以傳輸數據為目的。傳統網絡中的節點不實現任何與分組內容相關的功能，只是簡單地用存儲或轉發的模式為用戶傳送分組。而WSN僅僅實現分組和傳輸功能是不夠的，有時特別需要在網絡內進行數據的聚合、壓縮或過濾等操作，同時減少分組傳輸，才能有效控制網絡數據傳輸的流量，保證網絡暢通。
(3)保障網絡的安全性。無線傳感器網絡利用無線方式進行通信，因此網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，要加強網絡安全考慮，提供可靠的安全保護措施，保障網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，能實時監測、感知、采集網絡區域內的各種環境或被監測對象的信息，并通過系統對信息進行處理，以便進一步獲取更詳盡準確的數據，傳送給需要這些數據信息的用戶。它具有以下突出特點：
(1)網絡規模大。工作時，為使獲取的信息更準確，往往需要在監測區域內設置大量傳感器節點。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數據的采集和傳送，還能有效減少檢測空洞或盲區。
(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。當被監測的區域處于人力難以到達，或者是比較危險的區域時，就需要傳感器節點發揮其自組織能力，通過系統能夠自動進行網絡配置和管理，實現數據采集和通信等功能。
(3)低功耗。一般傳感器節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，才能保證在復雜環境中依然能夠實現數據采集、傳輸等功能［5］。
2無線傳感器網絡的應用
無線傳感器網絡的應用目前已經擴展到很多領域，主要包括農業、軍事、環境及土壤監測、智能家居、健康護理、智能交通、機械制造流程監控、空間探索以及機場、火車站的安全監測等。
(1)在軍事相關領域的應用
利用無線傳感器網絡可以實現敵我雙方戰場的監視、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，并通過網絡系統將檢測信息及時傳送給指揮系統，幫助指揮人員制定做戰計劃。
(2)在自然環境監測中的應用
在自然環境監測領域中，WSN可以發揮更大的作用。利用WSN能夠實現對農作物的灌溉、空氣的溫度和濕度、家禽的生長環境、遷移時間及距離、家畜的生長環境及生長規律、地球表面大面積的監測等。此外，WSN還能夠應用在氣象研究、行星探測、洪水易發地域特殊監測等。基于無線傳感器網絡，可以通過數量繁多、功能各異的多種傳感器監測一個地區的河水水位、夏季的降雨量以及土壤溫度和濕度的變化情況，利用這些數據作為自然環境生態描述、山洪爆發等的參考數據。
(3)在醫療和健康護理中的應用
在醫療和保健系統，可以通過無線傳感器網絡監控病患的病情。例如將具有心跳速率和血壓監測功能的設備佩戴到病患胳膊上，醫生可以通過網絡對患者進行實時監控，當患者出現異常情況時，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
通過無線傳感器網絡建立的智能家居系統，可以通過遠程操控系統遙控器，對家居中的設備進行遠程監控。(5)在建筑物狀態監控中的應用
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實施監測，通過網絡中的傳感器獲得建筑物的實時狀態信息，及時發現存在的安全隱患，保障建筑物處于安全狀態。如果用傳統方法進行建筑物狀態監控往往需要使建筑物封閉幾個月，而用傳感器網絡進行監控，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［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點，可用于探索外星體表面。通過這種方式，傳感器節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
無線傳感器網絡具有覆蓋區域廣、檢測精度高、可以遠程監控、可自組織和高容錯性等優點，再加上其網絡規模大、低功耗、高可靠性等特點，使得其在工業、農業、軍事、環境保護、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點的功耗問題。隨著時間的推移和技術的進步，可以通過聯合路由協議和MAC協議來實現。另外，如何有效提高WSN系統容量、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點的數據傳輸能力，有效提高網絡容量，減少阻塞［7］。
參考文獻
［1］ 王汝傳、孫力娟、肖甫，等.無線傳感器網絡技術導論［M］ .北京：清華大學出版社，2012.
［2］ 許毅.無線傳感器網絡原理及方法［M］.北京：清華大學出版社，2012.
［3］ 汪濤.無線網絡技術導論［M］. 北京：清華大學出版社，2012.
［4］ 葉劍春.一種基于改進遺傳算法的無線網絡覆蓋研究［J］. 微型機與應用，2011，30（22）：5961.
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