無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)介紹

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)介紹

介紹了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，列舉了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、建筑物監(jiān)測(cè)、智能交通等應(yīng)用領(lǐng)域的典型應(yīng)用實(shí)例，總結(jié)了制約無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的因素及目前研究熱點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)? 應(yīng)用? 綜述

??? 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近的大量廉價(jià)的、具有通信、感測(cè)及計(jì)算能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織構(gòu)成的“智能”測(cè)控網(wǎng)絡(luò)^[1][2]。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、智能交通、建筑物監(jiān)測(cè)、空間探索等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用價(jià)值，被認(rèn)為是未來(lái)改變世界的十大技術(shù)之一、全球未來(lái)四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。
目前，國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)都已開(kāi)展了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用的相關(guān)研究。本文主要針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和制約因素進(jìn)行介紹。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

??? 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器。

??? 傳感器節(jié)點(diǎn)可以完成環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、位置識(shí)別或控制其他設(shè)備的功能；此外還具有路由、轉(zhuǎn)發(fā)、融合、存儲(chǔ)其他節(jié)點(diǎn)信息等功能。
??? 網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)連接無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的通信，實(shí)現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，發(fā)送控制命令到傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，以及傳送節(jié)點(diǎn)的信息到服務(wù)器。
??? 服務(wù)器用于接收監(jiān)測(cè)區(qū)域的數(shù)據(jù)，用戶(hù)可遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器，從而獲得監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的狀態(tài)以及節(jié)點(diǎn)和設(shè)備的工作情況。
??? 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有如下主要特點(diǎn)：
???(1)自組織。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)具有自動(dòng)組網(wǎng)的功能，節(jié)點(diǎn)間能夠相互通信協(xié)調(diào)工作。
?? (2)多跳路由。節(jié)點(diǎn)受通信距離、功率控制或節(jié)能的限制，當(dāng)節(jié)點(diǎn)無(wú)法與網(wǎng)關(guān)直接通信時(shí)，需要由其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)完成數(shù)據(jù)的傳輸，因此網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路由是多跳的。
?? (3)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。在某些特殊的?yīng)用中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是移動(dòng)的，傳感器節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因能量消耗完或其他故障而終止工作，這些因素都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化。
?? (4)節(jié)點(diǎn)資源有限。節(jié)點(diǎn)微型化要求和有限的能量導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)硬件資源的有限性。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)狀

??? 傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用與具體的應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān)，因此針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，存在性能不同的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)^[3]。

軍事領(lǐng)域應(yīng)用

??? 在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)敵軍區(qū)域內(nèi)的兵力和裝備、實(shí)時(shí)監(jiān)視戰(zhàn)場(chǎng)狀況、定位目標(biāo)物、監(jiān)測(cè)核攻擊或者生物化學(xué)攻擊等。
??? 美國(guó)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(guó)軍方目前研究的未來(lái)戰(zhàn)斗系統(tǒng)的一部分，能夠收集偵查區(qū)域的情報(bào)信息并將此信息及時(shí)地傳送給戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)。系統(tǒng)由大約100個(gè)靜態(tài)傳感器和用于接入戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的指揮控制節(jié)點(diǎn)C2（command and control）構(gòu)成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

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??? 2005年，美國(guó)軍方采用Crossbow公司節(jié)點(diǎn)構(gòu)建了槍聲定位系統(tǒng)^[5]，節(jié)點(diǎn)部署于目標(biāo)建筑物周?chē)?，系統(tǒng)能夠有效地自組織構(gòu)成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)突發(fā)事件(如槍聲、爆炸等)的發(fā)生，為救護(hù)、反恐提供了有力的幫助。
??? 美國(guó)科學(xué)應(yīng)用國(guó)際公司采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了一個(gè)電子防御系統(tǒng)^[5]，為美國(guó)軍方提供軍事防御和情報(bào)信息。系統(tǒng)采用多個(gè)微型磁力計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)探測(cè)監(jiān)測(cè)區(qū)域中是否有人攜帶槍支、是否有車(chē)輛行駛，同時(shí)，系統(tǒng)利用聲音傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)車(chē)輛或者人群的移動(dòng)方向。

環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用

??? 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，能夠完成傳統(tǒng)系統(tǒng)無(wú)法完成的任務(wù)。環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域包括：植物生長(zhǎng)環(huán)境、動(dòng)物的活動(dòng)環(huán)境、生化監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、洪水監(jiān)測(cè)等。
??? 加州大學(xué)伯克利分校利用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控大鴨島（Great Duck Island）的生態(tài)環(huán)境^[6]，在島上部署30個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)采用Berkeley大學(xué)的Mica mote[7]節(jié)點(diǎn)，包括監(jiān)測(cè)環(huán)境所需的溫度、光強(qiáng)、濕度、大氣壓力等多種傳感器。系統(tǒng)采用分簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境參數(shù)傳輸?shù)酱厥祝ňW(wǎng)關(guān)），然后通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)、基站、Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。用戶(hù)或管理員可以通過(guò)Internet遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。
??? 加州大學(xué)在南加利福尼亞San Jacinto山建立了可擴(kuò)展的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[8]，主要監(jiān)測(cè)局部環(huán)境條件下小氣候和植物甚至動(dòng)物的生態(tài)模式。監(jiān)測(cè)區(qū)域(25公頃)分為100多個(gè)小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域包含各種類(lèi)型的傳感器節(jié)點(diǎn)，該區(qū)域的網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)到基站，系統(tǒng)由多個(gè)網(wǎng)關(guān)，經(jīng)由傳輸網(wǎng)絡(luò)到Internet互聯(lián)網(wǎng)。
??? 加州大學(xué)伯克利分校利用部署于一顆高70m的紅杉樹(shù)上的無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)其生存環(huán)境[9]，節(jié)點(diǎn)間距2m，監(jiān)測(cè)周?chē)諝鉁囟取穸?、太?yáng)光強(qiáng)（光合作用）等變化。
??? 文獻(xiàn)[10]利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)牧場(chǎng)中牛的活動(dòng)，目的是防止兩頭牛相互爭(zhēng)斗。系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)的，因此要求系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)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(cè)泥石流部署的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)^[11]，目的是在災(zāi)難發(fā)生前預(yù)測(cè)泥石流的發(fā)生，采用大規(guī)模、低成本的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，每隔預(yù)定的時(shí)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(diǎn)在美國(guó)俄勒岡州的一個(gè)葡萄園中部署了監(jiān)測(cè)其環(huán)境微小變化的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)^[12]。

建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

??? 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)用于監(jiān)測(cè)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(cè)布線(xiàn)復(fù)雜、線(xiàn)路老化、易受損壞等問(wèn)題。
　　斯坦福大學(xué)提出了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的建筑物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[13]，采用基于分簇結(jié)構(gòu)的兩層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)由EVK915模塊和ADXL210加速度傳感器構(gòu)成，簇首節(jié)點(diǎn)由Proxim RangelLAN2無(wú)線(xiàn)調(diào)制器和EVK915連接而成。
??? 南加州大學(xué)的一種監(jiān)測(cè)建筑物的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)NETSHM[14]，該系統(tǒng)除了監(jiān)測(cè)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(nèi)。系統(tǒng)采用分簇結(jié)構(gòu)，采用Mica-Z系列節(jié)點(diǎn)。

醫(yī)療衛(wèi)生應(yīng)用

??? 加利福尼亞大學(xué)提出了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的人體健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)CustMed[15]，采用可佩戴的傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器類(lèi)型包括壓力、皮膚反應(yīng)、伸縮、壓電薄膜傳感器、溫度傳感器等。節(jié)點(diǎn)采用加州大學(xué)伯克利分校研制、Crossbow公司生產(chǎn)的dot-mote節(jié)點(diǎn)，通過(guò)放在口袋里的PC機(jī)可以方便直觀(guān)地查看人體當(dāng)前的情況。
??? 紐約Stony Brook大學(xué)針對(duì)當(dāng)前社會(huì)老齡化的問(wèn)題提出了監(jiān)測(cè)老年人生理狀況的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（Health Tracker 2000），除了監(jiān)測(cè)用戶(hù)的生理信息外，還可以在生命發(fā)生危險(xiǎn)的情況下及時(shí)通報(bào)其身體情況和位置信息。節(jié)點(diǎn)采用Crossbow公司的MICA2和MICA2DOT系列節(jié)點(diǎn)，采用溫度、脈搏、呼吸、血氧水平等類(lèi)型傳感器。

智能交通應(yīng)用

??? 圖3所示為上海市重點(diǎn)科技研發(fā)計(jì)劃中的智能交通監(jiān)測(cè)系統(tǒng)^[17]，采用聲音、圖像、視頻、溫度、濕度等傳感器，節(jié)點(diǎn)部署于十字路口周?chē)渴鹩谲?chē)輛上的節(jié)點(diǎn)還包括GPS全球定位設(shè)備。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)的安全性問(wèn)題，包括耗能、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)安全、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、數(shù)據(jù)管理融合、數(shù)據(jù)傳輸模式等。

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??? 1995年，美國(guó)交通部提出了到2025年全面投入使用的“國(guó)家智能交通系統(tǒng)項(xiàng)目規(guī)劃”。該計(jì)劃利用大規(guī)模無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，配合GPS定位系統(tǒng)等資源，除了使所有車(chē)輛都能保持在高效低耗的最佳運(yùn)行狀態(tài)、自動(dòng)保持車(chē)距外，還能推薦最佳行使路線(xiàn)，對(duì)潛在的故障可以發(fā)出警告。
??? 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所提出了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速公路交通監(jiān)控系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)采用圖像傳感器，在能見(jiàn)度低、路面結(jié)冰等情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高速路段的有效監(jiān)控。
??? 除了上述提到的應(yīng)用領(lǐng)域外，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、智能家居、倉(cāng)庫(kù)物流管理、空間海洋探索等領(lǐng)域。

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無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的制約因素

??? 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，主要存在著以下制約因素：
??? (1)成本：傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的成本是制約其大規(guī)模廣泛應(yīng)用的重要因素，需根據(jù)具體應(yīng)用的要求均衡成本、數(shù)據(jù)精度及能量供應(yīng)時(shí)間。
?? ?(2)能耗：大部分的應(yīng)用領(lǐng)域需要網(wǎng)絡(luò)采用一次性獨(dú)立供電系統(tǒng)，因此要求網(wǎng)絡(luò)工作能耗低，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，這是擴(kuò)大應(yīng)用的重要因素。
??? (3)微型化：在某些領(lǐng)域中，要求節(jié)點(diǎn)的體積微型化，對(duì)目標(biāo)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(wù)。
??? (4)定位性能：目標(biāo)定位的精確度和硬件資源、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、周?chē)h(huán)境、錨點(diǎn)個(gè)數(shù)等因素有關(guān)，目標(biāo)定位技術(shù)是目前研究的熱點(diǎn)之一。
??? (5)移動(dòng)性：在某些特定應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)需要移動(dòng)，導(dǎo)致在網(wǎng)絡(luò)快速自組上存在困難，該因素也是影響其應(yīng)用的主要問(wèn)題之一。
??? (6)硬件安全：在某些特殊環(huán)境應(yīng)用中，例如海洋、化學(xué)污染區(qū)、水流中、動(dòng)物身上等，對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件要求很高，需防止受外界的破壞、腐蝕等。
??? 影響無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的因素很多，而且也與應(yīng)用場(chǎng)景有關(guān)，需要在未來(lái)的研究中克服這些因素，使網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。

目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題

通信協(xié)議

?? ?(1)物理層通信協(xié)議：研究傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸媒體、頻段選擇、調(diào)制方式等。
? ? (2)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議：研究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、信道接入方式，拓?fù)浒ㄆ矫娼Y(jié)構(gòu)、分層結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)以及Mesh結(jié)構(gòu)，信道接入包括固定分配、隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)方式或以上兩者的混合方式。
??? (3)網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)地位平等，簡(jiǎn)單易擴(kuò)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(hù)，研究的熱點(diǎn)是集成兩種路由方式的優(yōu)點(diǎn)。
??? (4)傳輸層協(xié)議：研究提供網(wǎng)絡(luò)可靠的數(shù)據(jù)傳輸和錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制。

網(wǎng)絡(luò)管理

?? ?(1)能量管理：研究在不影響網(wǎng)絡(luò)性能的基礎(chǔ)上，控制節(jié)點(diǎn)的能耗、均衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗以及動(dòng)態(tài)調(diào)制射頻功率和電壓。
?? ?(2)安全管理：研究無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題，包括節(jié)點(diǎn)認(rèn)證、處理干擾信息、攻擊信息等。

應(yīng)用層支撐技術(shù)

?? ?(1)時(shí)間同步：針對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步要求較高情況的應(yīng)用，例如基于TDMA的MAC協(xié)議和特殊敏感時(shí)間監(jiān)測(cè)應(yīng)用，要求網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。
??? (2)定位技術(shù)：針對(duì)節(jié)點(diǎn)定位要求較高情況的應(yīng)用，基于少數(shù)已知節(jié)點(diǎn)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(diǎn)位置的技術(shù)。

硬件資源

??? (1)微型化：基于特定應(yīng)用的要求，研究微型化的節(jié)點(diǎn)。
??? (2)低成本：在不影響節(jié)點(diǎn)性能情況下，研究降低節(jié)點(diǎn)硬件的成本。
??? (3)新型電源：研究太陽(yáng)能電源及其他大容量可再生電源，解決制約傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展應(yīng)用的能耗問(wèn)題。
??? 本文主要就無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用進(jìn)行了探討，介紹了其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的典型實(shí)例，總結(jié)了當(dāng)前制約無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的因素及目前的研究熱點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)最終將成為聯(lián)系信息世界和客觀(guān)物理世界的接口，從而人類(lèi)可以通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)獲知客觀(guān)物理世界的信息并做出相應(yīng)的措施。