楊卓靜孫宏志,任晨虹

1,中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心

2,海軍青島雷達(dá)聲納修理廠

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)綜述

楊卓靜1孫宏志2,任晨虹1

1,中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心

2,海軍青島雷達(dá)聲納修理廠

傳感器被越來越多地布置到實際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，用于實現(xiàn)某些應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為了科學(xué)研究領(lǐng)域最前沿的課題之一，引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界眾多研究者的關(guān)注。通過總結(jié)相關(guān)方面的工作，綜述在不同領(lǐng)域中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用，并對具體應(yīng)用的一些重要特性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出若干值得繼續(xù)研究的方面。

無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

Wireless sensor； network Application

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介

隨著微機電系統(tǒng)的迅速發(fā)展，片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)得以實現(xiàn)，一塊小小的芯片可以傳遞邏輯指令，感知現(xiàn)實世界，乃至做出反應(yīng)[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)，這一由大量具有片上微處理能力的微型傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界眾多研究者的關(guān)注。

傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由兩種節(jié)點：傳感器節(jié)點(sensor)和接收器節(jié)點(sink)組成[2]。傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)對事件的感知和數(shù)據(jù)包的傳輸；接收器節(jié)點則是數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)節(jié)點，一般具有人機交互界面，并可以接入其它類型的網(wǎng)絡(luò)體系[3]。

傳感器網(wǎng)絡(luò)以其低成本、低功耗的特點，在軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[4]。在本文中，對大量現(xiàn)有無線傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用進(jìn)行分析，從節(jié)點移動性、節(jié)點互聯(lián)方式、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析和比較。并在此基礎(chǔ)上，提出若干值得繼續(xù)研究的方面，為挖掘傳感器網(wǎng)絡(luò)新的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點

與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比，WSN具有以下基本特點：

1、低功耗、微型化、高度集成、低價格的傳感器節(jié)點。WSN并不能簡單地理解為“將現(xiàn)有傳感器通過無線方式進(jìn)行組網(wǎng)”。微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)和低功耗電子技術(shù)的發(fā)展，使得開發(fā)低功耗、小體積、低價格、同時集成有微傳感器、執(zhí)行器、微處理器和無線通信等多種功能部件的無線傳感器節(jié)點成為可能[5]。相對于傳統(tǒng)傳感器而言，我們一般所指的WSN節(jié)點更強調(diào)節(jié)點的低功耗、微型化、高度集成、低價格等特征。

2、節(jié)點密集分布。在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)密集部署大量相同或不同類型的傳感器節(jié)點，是WSN的一個重要特征。通過節(jié)點密集布置，可以獲取密集的空間抽樣信息或針對同一現(xiàn)象的多角度信息，對這些信息進(jìn)行分布式處理之后，可以有效提高監(jiān)測的精確度，并降低對單一傳感器節(jié)點的精度要求。通過節(jié)點密集布置，可以在同一區(qū)域內(nèi)存在大量冗余節(jié)點，節(jié)點的冗余性可以使系統(tǒng)具有很強的容錯性能，由此降低對單一傳感器節(jié)點的可靠性要求[6]。另外，通過節(jié)點密集布置并對其節(jié)點進(jìn)行合理的休眠調(diào)度，也是延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的重要途徑[7]。

3、自組織網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器的諸多特點決定了其采用自組織工作方式的必要性。首先，在WSN的許多工作場合通常沒有固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施支持；其次，傳感器節(jié)點常常采用隨機部署的方式，節(jié)點的位置和相互鄰居關(guān)系不能預(yù)先確定；再次，傳感器節(jié)點可能由于能量耗盡或受到環(huán)境因素影響而失效，一些節(jié)點又可能為了彌補失效節(jié)點或增加監(jiān)測精度而被補充進(jìn)來，再加上節(jié)點可能移動以及采用休眠調(diào)度機制，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫幱趧討B(tài)變化之中[8]。鑒于以上因素，WSN必須能夠通過節(jié)點之間的協(xié)調(diào)、協(xié)商與協(xié)同，自動進(jìn)行配置、自動進(jìn)行管理、自動進(jìn)行調(diào)度，以適應(yīng)不斷變化的自身條件和外部環(huán)境，保持自身工作的連續(xù)性和高效性[9]。

三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程

傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)經(jīng)歷了四代的發(fā)展歷程。第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，使用具有簡單信息信號獲取能力的傳統(tǒng)傳感器，采用點到點傳輸，連接傳感器控制器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)[10]；第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)具有獲取多種信息信號的綜合能力，采用串／并接口(RS_232Rs--485)與傳感控制器相連，構(gòu)成有綜合多種信息能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)[11]；第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代后期和本世紀(jì)初，用具有智能獲取多種信息信號的傳感器，采用現(xiàn)場總線連接傳感控制器，構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)，成為智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)[12]；第四代傳感器正在研究開發(fā)，用大量的具有多功能、多信息信號獲取能力的傳感器，采用無線自組織接入網(wǎng)絡(luò)，與傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器連接，構(gòu)成W SN[13]。

WSN是新興的下一代傳感器網(wǎng)絡(luò)，最早的代表性論述出現(xiàn)在1999年，隨后該研究方向引起了許多國家的極大關(guān)注。美國早在上個世紀(jì)90年代就著手對具有現(xiàn)代意義的WSN展開了先期研究，美國的一些大型IT公司也開始通過與高校合作的方式，逐漸介入該領(lǐng)域的研究開發(fā)工作，紛紛設(shè)立或啟動相應(yīng)的行動計劃。當(dāng)前美國許多著名的大學(xué)，如加州大學(xué)伯克利分校，都在開展WSN方面的研究工作[14]。我國對W SN的發(fā)展也非常重視。從2002年開始，國家自然科學(xué)基金委員會已經(jīng)批準(zhǔn)了W SN相關(guān)的多個課題，在國家發(fā)展改革委員會的下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程中，也部署了WSN相關(guān)的課題。近年來，我國的一些科研院所和高校已積極展開了該領(lǐng)域的研究工作，中科院以及清華大學(xué)等大學(xué)都對WSN傾注了很大的研究力量。經(jīng)過幾年時間的努力，初步建立了傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究平臺，在無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器端機、移動機站和應(yīng)用系統(tǒng)等方面取得了很大進(jìn)步，并于2004年9月在北京進(jìn)行了大規(guī)模外場演示，部分成果已在實際工程中使用[15]。

四、研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在通信(協(xié)議、路由、檢錯等)、節(jié)能和網(wǎng)絡(luò)控制三個方面，目前都已經(jīng)有了比較成熟的解決方法，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)投入實際應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)[16]。傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本、低功耗的特點，使其可以大范圍地散布設(shè)置在一定區(qū)域，即使是人類無法到達(dá)的區(qū)域，都能正常工作，應(yīng)用面比較廣泛。目前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)常應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康、空間探測、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[17]。

1、軍事應(yīng)用

從某種意義而言，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生正是源于網(wǎng)絡(luò)在軍事應(yīng)用上的需求，因此在軍事上的應(yīng)用非常貼近無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的概念[18]?？v觀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在戰(zhàn)場上的應(yīng)用主要是信息收集、跟蹤敵人、戰(zhàn)場監(jiān)視、目標(biāo)分類。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由低成本、低功耗的密集型節(jié)點構(gòu)成，擁有自組織性和相當(dāng)?shù)娜蒎e能力，即使部分節(jié)點遭到惡意破壞，也不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰，正是這兩點保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境下工作，從而最大程度地減少傷亡，同時提供準(zhǔn)確可靠的信息傳輸[19]。除了在戰(zhàn)爭時期，和平年代也能應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行國土安全保護(hù)、邊境監(jiān)視等應(yīng)用。例如，用埋設(shè)地雷來保衛(wèi)國土、防止入侵，反而對本國帶來了巨大的安全威脅。取而代之的可能是成千上萬的傳感器節(jié)點，通過對聲音和震動信號的分類分析，探測敵方的入侵。美國弗吉尼亞大學(xué)已經(jīng)著手研究和開發(fā)這一系統(tǒng)[20]。

2、環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的又一個非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域。在人們對環(huán)境問題越來越關(guān)注的今天，環(huán)境監(jiān)測所涉及的范圍非常廣，依靠傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計方法已經(jīng)無法正常進(jìn)行，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則能夠勝任這項工作[21]。人們在設(shè)計未來智能大樓的進(jìn)程中，對于室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測是很有必要的。加州大學(xué)伯克利分校的SABER研究中心研制的Smart Dust系統(tǒng)，可以監(jiān)測室內(nèi)實時的溫度亮度[22]。ASHRAE研究機構(gòu)(American Society of Heating，Refrigerating and Air. Conditioning Engineers)設(shè)計了HVAC系統(tǒng)（Heating Ventilation and Air Condition)，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布置在辦公大樓中，實時監(jiān)測樓內(nèi)的溫度和空氣質(zhì)量，以改善室內(nèi)環(huán)境[23]。傳感器網(wǎng)絡(luò)為獲取野外的研究數(shù)據(jù)也提供了方便。例如，哈佛大學(xué)與北卡羅來納大學(xué)的合作項目，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集震動和次聲波信息并加以分析，進(jìn)行火山爆發(fā)的監(jiān)測[24]。澳大利亞的新南威爾士大學(xué)利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跟蹤一種名為Cane toad的癩蛤蟆，了解它們在澳大利亞的分布情況[25]。Uc Berkeley大學(xué)在紅杉樹上布置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，連續(xù)監(jiān)測44天紅杉樹的生長情況，收集溫度、濕度、光合作用信息[26]。

3、 醫(yī)療健康

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，它在醫(yī)療健康方面也得到了一定的應(yīng)用，醫(yī)生可以利用傳感器網(wǎng)絡(luò)，隨時對病人的各項健康指標(biāo)以及活動情況進(jìn)行監(jiān)測，為遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展提供了很大的便利[27]。Intel研究中心利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的老人看護(hù)系統(tǒng)，實時檢測他們的健康問題。sensor節(jié)點被安置在老年人身上，能夠感知到各項行動，并相應(yīng)地作出正確提醒，記錄下老年人的全部活動，為老人的健康安全提供保障[28]。

4、其它應(yīng)用

除此之外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在空間探測、工業(yè)生產(chǎn)、物流控制以及其他一些商業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。美國宇航局(NASA)研制Sensor Webs，為將來火星探測做準(zhǔn)備[29]；英國石油公司(BP)利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及RF ID技術(shù)，對煉油設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測管理[30]；許多大公司利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對倉庫貨物進(jìn)行控制[31]。傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本、低功耗，并且可以自組織地進(jìn)行工作，為其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，必將會孕育出越來越多新的應(yīng)用模式。

五、目前研究的熱點問題及未來研究方向

1、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[32]。

（2）數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議：研究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑿诺澜尤敕绞?、拓?fù)浒ㄆ矫娼Y(jié)構(gòu)、分層結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)以及Mesb結(jié)構(gòu)，信道介入包括固定分配、隨機競爭方式或以上兩者的混合方式[33]。

（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(hù)，研究的熱點是集成兩種路由方式的優(yōu)點[34]。

（4）傳輸層協(xié)議：研究提供網(wǎng)絡(luò)可靠的數(shù)據(jù)傳輸和錯誤恢復(fù)機制[35]。

2、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)點的能耗、均衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗以及動態(tài)調(diào)制射頻功率和電壓[36]。

（2）安全管理：研究無線傳感器忘了的安全問題，包括幾點認(rèn)證、處理干擾信息、攻擊信息等[37]。

3、應(yīng)用層支撐技術(shù)

（1）時間同步：針對網(wǎng)絡(luò)時間同步要求較高情況的應(yīng)用。例如基于TDMA的MAC協(xié)議和特殊敏感時間監(jiān)測應(yīng)用，要求網(wǎng)絡(luò)時間同步[38]。

（2）定位技術(shù)：針對節(jié)點定位要求較高情況的應(yīng)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(shù)[39]。

4、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[40]。

（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[41]。

（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(luò)發(fā)展應(yīng)用的能源問題[42]。

六、結(jié)語

本文主要就無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用進(jìn)行了探討，介紹了其在各個領(lǐng)域應(yīng)用的典型事例，總結(jié)了當(dāng)前制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用的因素及目前的研究熱點。無線傳感網(wǎng)絡(luò)最終將成為聯(lián)系信息世界和客觀物理實際的接口，從而人類可以通過傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得客觀物理世界的信息并采取相應(yīng)措施。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2010.13.053