一种新型的传感器网络

摘 要： 为了更进一步地拓展无线传感器网络的应用领域，挖掘无线传感器的利用价值，依据无线传感器网络的低成本、低功耗、微型化、动态网络拓扑、自组织，指出了无线传感器在监测环境对象的温度、湿度、压力、噪声等方面以及连续监测、位置识别和执行器的本地控制等多方面的优点，提出了无线传感器网络在军事领域、环境监测、医疗健康、工业生产等领域的实际应用，并研究了未来无线传感器网络的应用趋势和应用价值。

关键词： 无线传感器网络； 环境监测； 应用趋势； 连续监测

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）16?0018?03

0 引 言

随着传感器技术、嵌入式计算机技术、无线通信技术的迅速发展，无线传感器网络成为了科学研究领域最前沿的课题之一，引起了众多科技研究者的关注。随着计算机技术的发展，使用一块小小的芯片即可以感知现实世界，传递命令，并可以给出反馈。无线传感器网络 （Wireless Sensor Network，WSN）是由具有一定感知能力、计算能力、微处理能力、无线通信能力的众多微型传感器节点自组织构成的无线网络，可以实现对网络覆盖区域的感知对象的信息进行感知、采集、处理，并传输给用户[1]。

无线传感器网络以其低成本、低功耗、分布密集、自组织等特点，在军事、环境监测、智能交通、医疗健康等领域都有着极为广泛的应用。

1 无线传感器网络的构成

无线传感器网络不是各传感器的简单无线连接。一个无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点和用户节点，如图1所示。

图1中云图包围部分是监测区域，其中放置大量传感器节点。传感器节点是无线传感器网络的基础，由传感器、数/模转换模块、计算模块、存储模块、通信模块、电源模块组成，如图2所示。这些部分相互协调，共同完成对外界信息的感知功能，并将监测的数据信号进行处理、存储和传输[2]。汇聚节点对各传感器的数据进行过滤和整合，用户节点即为观测者。传感器节点之间的数据传输通常采用无线方式，而汇聚节点和用户节点之间的数据传输既可以采用有线方式，也可以采用无线方式[2]。

2 无线传感器网络的特点

2.1 低功耗、低成本、微型化、高集成度

为了避免传感器节点由于电池供电不足而不能工作，要求在传感器节点的功耗达到最低，以便获得更长的工作时间。另外无线传感器的节点数量常比较多，单个节点价格的提高会大幅提高整个系统的成本，所以传感器节点具有低成本的特点[3]。随着微机电技术的发展，无线传感器节点既可以集成微传感器、执行器、微处理器和无线通信等多种功能部件，即实现了微型化和高集成度，又具有低功耗、低成本的优点。

2.2 传感器节点分布密集，信息容错性能高

无线传感器网络的重要特征是在监测区域内密集部署大量传感器节点。节点的密集布置，使得获取的信息更加多角度，提高了监测数据的精确度和准确度。并且在同一监测区域内存在大量冗余传感器节点，使系统监测数据对单一传感器的数据的依赖性降低，具有很强的容错性能。

2.3 动态网络拓扑

无线传感器网络的拓扑结构是动态的。主要原因是传感器节点的数量和位置分布会需要随着感知对象的不同而发生动态的调整，比如有的节点可能因为能量耗尽或环境影响而失效，有的节点可能由于监测精度的需要而被补充进网络，以及对节点的休眠调度。这就导致无线传感器网络中的部分或全部节点是可以移动变化的，传感器网络的分布形状也随着节点的移动处于不断的动态变化中[4]。

2.4 自组织

无线传感器网络各节点之间的工作是自组织的形式。这是由于单个传感器节点的通信和信息处理能力有限，必须将多个传感器节点的感知信息进行汇总、过滤和计算才能得到精确度和可靠性更高的监测结果[5]。而无线传感器网络拓扑是动态的，传感器节点的位置和相互关系不能确定，因此传感器网络必须根据实际控制信息量给出节点密度分布策略，各节点之间必须随着网络形状的变化而自动进行配置、管理和动态调整，以及时适应不断变化的自身条件和外部环境，保持自身工作的连续性和高效性[5]。

2.5 安全性较低

一方面，由于通过无线传输的信息数据易被窃听、截获或篡改，可能使系统出错或陷入瘫痪，存在严重的安全问题；另一方面，无线传感器网络系统资源限制较为严格，因而需要设计低开销的通信协议。因此，如何在通信协议的低标准要求下，通过数据加密、身份认证、入侵检测提高网络节点的安全性和监测数据的保密性，保证网络的通信安全和信息安全，是无线传感器网络设计与研究中所面临的一个重要问题。

3 无线传感器网络的应用

无线传感器网络可以包括多种不同类型的传感器，如震动、磁、热量、红外、声音传感器，用于监测环境对象的温度、湿度、压力、噪声、机械应力等，并可以完成连续的监测、目标发现、位置识别和执行器的本地控制等多种任务[6]。无线传感器网络在军事、医疗健康、环境监测、家庭、甚至空间探索和灾难拯救领域都有广阔的应用前景和很高的应用价值。

3.1 军事应用

无线传感器网络的研究正是始于军事应用上的需要，即20世纪70年代美国在越南战争中越南物质运输车队的“热带树”传感器。由于无线传感器网络具有成本低、功耗低、密集型、自组织性和较强的容错能力的特点，其非常适合应用于恶劣的战场环境中，完成包括信息收集、侦察敌情、目标定位、战场监视、核生化监测以及国土安全保护等多方面用途。例如，2003年美国国防高级研究计划局主导的Network Embed and System Technology项目成功验证了无线传感器网络技术的目标定位能力。该项目采用多个廉价音频传感器节点协同定位敌方狙击手，三维空间的定位精度可达1.5 m，定位延迟达2 s，甚至能显示出敌方狙击手采用跪姿和站姿射击的差异，并标识在所有参战人员的个人计算机中，使指挥员和战斗员的作战感知能力产生了质的飞跃。

3.2 环境监测

目前人们对环境问题的重视程度日剧增强，对环境的监测要求越来越高，所涉及的范围越来越广，依靠传统的数据收集和统计方法已经无法满足大众和研究者的需求，而无线传感器网络则能够使这一领域的很多问题迎刃而解。例如，对鸟类、小型动物生活规律的观测和种群复杂度的研究，天气预报和空气质量的监测，农作物灌溉和生长情况，土壤温度情况，肥料含量、光照强度等的监视，森林火情监控等。

3.3 医疗健康

在医疗健康方面，无线传感器网络可以实现对病人各项健康指标和活动情况进行远程监测，极大地促进了远程医疗技术的发展。例如，在病人特别是易发病人身上佩戴一些微型无线传感器用于实时或定期采集血压、脉搏、体温等信息，甚至可以将微型传感器植入人体内随时观测器官的生理状态。然后通过家中的传感器网关，将监测信息传送给医院的医生，即可实现在不影响病人生活和不占据病人时间的情况下，对病人健康状况的实时有效的监测。

3.4 其他应用

无线传感器网络的低成本、低功耗、自组织的特点，使其在交通系统、智能家居系统、安全生产以及其他诸多商业领域有着广泛的应用。如基于无线传感器网络的电子不停车收费系统能实现对车辆的自动检验、登记、放行等功能；英国石油公司利用无线传感器网络，对炼油设备进行监测管理；通过在家居设备中安装无线传感器网络，对水电气三表及其他设施进行数据采集和存储，获取报警信息和设防撤防状态；物流公司利用无线传感器网络对仓库货物的存储和运输情况进行监测和控制。

4 结 语

无线传感器网络具有非常诱人的应用前景，被认为是影响人类未来生活的重要技术之一。这一新兴技术为人们提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径，引起了国内外研究者的广泛关注。当前技术水平下的传感器系统正向着微型化、智能化、多功能化的方向发展。同时由于无线传感器网络的一些局限性，在一些领域还没有实现实质性的应用，这给人们提出了很多新的挑战，未来的传感器系统必将变得更加实用，更加综合化、系统化。

参考文献

[1] 彭力.无线传感器网络技术[M].北京：冶金工业出版社，2011.

[2] 王文光，刘士兴，谢武军.无线传感器网络概述[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2010（9）：1416?1419.

[3] 陈林星.无线传感器网络技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

[4] 孙利民，李建中.无线传感网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[5] 李峰.无线传感器网络技术[J].建材技术与应用，2011（8）：21?23.

[6] 胡郑松.基于无线传感器技术的应用探讨[J].沿海企业与科技，2010（5）：40?41.

[7] 韦然.无线传感器网络节点的设计与实现[J].电子科技，2012（1）：31?35.