石玉香

引言：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域的大量具有通信、監(jiān)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)。目前，由于無(wú)線傳感器的低能耗、能實(shí)現(xiàn)同步控制、自動(dòng)化高等特點(diǎn)，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。本文主要結(jié)合無(wú)線傳感器的構(gòu)成及分類，針對(duì)無(wú)線傳感器的建設(shè)和應(yīng)用展開(kāi)具體的闡述。

一、無(wú)線傳感器的構(gòu)成

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本架構(gòu)包括三部分，第一部分是無(wú)線收發(fā)芯片，其職責(zé)是將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為高頻無(wú)線信號(hào)傳送出去和將接收到的高頻無(wú)線信號(hào)恢復(fù)成數(shù)字信息。就無(wú)線傳感器收發(fā)芯片而言，為了一個(gè)無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和路由器功能的實(shí)現(xiàn)，可以采用多芯片的方案。

第二部分是運(yùn)行于單片機(jī)或者無(wú)線單片機(jī)的內(nèi)部嵌入式軟件，也稱軟件協(xié)議棧。網(wǎng)絡(luò)堆棧主要有兩個(gè)職責(zé)，第一網(wǎng)絡(luò)堆棧具有自組織、自恢復(fù)的能力，可以處理節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)捷通訊因質(zhì)量和環(huán)境因素干擾無(wú)法正常進(jìn)行通信的現(xiàn)象；第二個(gè)職能是具有很強(qiáng)的算法能力，可以確保信息數(shù)據(jù)準(zhǔn)確搞笑的通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诠?jié)點(diǎn)之間傳輸，確保信息的實(shí)時(shí)性的要求。

第三部分為應(yīng)用軟件，這部分主要是各種開(kāi)發(fā)用的軟件代碼，通過(guò)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)、開(kāi)發(fā)，調(diào)用軟件協(xié)議棧的功能。

二、無(wú)線傳感器系統(tǒng)的特點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有以下特點(diǎn)：①自組織性：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行自動(dòng)組網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)相互之間可以進(jìn)行通訊工作。②路由多跳性：通信具體、節(jié)能和功率控制等因素有時(shí)候會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行限制，使節(jié)點(diǎn)無(wú)法正常進(jìn)行通信，這時(shí)就需要通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)來(lái)完成信息數(shù)據(jù)的傳輸，所以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸路由具有多跳性。③網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性：無(wú)線傳感器在一些特殊的應(yīng)用中是移動(dòng)的，節(jié)點(diǎn)會(huì)因能量或故障等一些因素停止工作，這時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚蜁?huì)發(fā)生變化。④節(jié)點(diǎn)有限性：主要受到技術(shù)的要求和有限的能量，導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)資源的有限性。

三、傳感器系統(tǒng)建設(shè)要點(diǎn)

（一）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾?/p>

對(duì)于無(wú)線傳感器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是自組織的，建設(shè)的目的是在滿足網(wǎng)絡(luò)的連通度和覆蓋度的情況下，選擇路由路徑，建立一個(gè)能夠高效轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)功率控制這兩種形式，層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)利用分簇機(jī)制控制，節(jié)點(diǎn)功率控制則是通過(guò)控制節(jié)點(diǎn)完成總的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾怼?/p>

（二）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

對(duì)于傳感器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)說(shuō)，主要功能是對(duì)信息傳遞的路徑進(jìn)行控制，目前的建設(shè)重點(diǎn)主要是MAC層和網(wǎng)絡(luò)層。在設(shè)計(jì)MAC協(xié)議時(shí)，首先要考慮到MAC層的可拓展性以及能不能節(jié)省能量，通過(guò)MAC層的合理設(shè)計(jì)，達(dá)到控制節(jié)點(diǎn)的工作模式和通信過(guò)程的要求，從而降低系統(tǒng)的損耗，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)使用的時(shí)間。

（三）網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)

傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)，主要的控制方法有兩種：維護(hù)路由器的安全和完善安全協(xié)議的建設(shè)。首先，找出節(jié)點(diǎn)和真實(shí)值之間的關(guān)系，然后在真實(shí)值的基礎(chǔ)上生成路由，能夠保證路由器建設(shè)的質(zhì)量。其次，在設(shè)計(jì)合理的安全協(xié)議時(shí)，可以先假設(shè)基站的工作條件正常，在這種情況下滿足合適的存儲(chǔ)容量和計(jì)算速度，基站的功率能夠達(dá)到加密的功率需求，在這個(gè)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出的安全協(xié)議才能滿足傳感器運(yùn)行的需要。

（四）定位技術(shù)

定位技術(shù)指的是針對(duì)傳感器上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位設(shè)計(jì)，一般采用的方法是分布定位和集中定位，常用的定位技術(shù)是以距離為中心的定位和與距離無(wú)關(guān)的定位。以距離為中心的定位對(duì)于硬件的要求高，精度也比較好，與距離無(wú)關(guān)的定位受到環(huán)境的影響比較大，所以應(yīng)該根據(jù)傳感器的具體要求進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。

（五）數(shù)據(jù)融合

傳感器的內(nèi)容和計(jì)算能力通常是有限的，在這種情況下，在收集數(shù)據(jù)的時(shí)候要進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)融合，刪除無(wú)用的信息，節(jié)省容量。對(duì)于數(shù)據(jù)融合，可以在多個(gè)層次中進(jìn)行，首先在應(yīng)用層應(yīng)該利用分布式的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)篩選，其次在網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)用路由協(xié)議與數(shù)據(jù)融合相結(jié)合的方法，最后對(duì)于MAC層來(lái)說(shuō)，可以減少頭部開(kāi)銷。

（六）時(shí)間的同步設(shè)計(jì)

在傳感器的運(yùn)用過(guò)程中，例如基于TDMA的MAC協(xié)議的監(jiān)測(cè)和運(yùn)行，基本的要求是節(jié)點(diǎn)之間的問(wèn)題保持同步。首先，節(jié)點(diǎn)通過(guò)自己記錄時(shí)間，然后反饋到第三方進(jìn)行校正，所以，時(shí)間精度的大小主要的影響因素是這段校正時(shí)間的長(zhǎng)度。

四、無(wú)線傳感器網(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)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（一）在軍事領(lǐng)域方面的應(yīng)用

在軍事領(lǐng)域方面的應(yīng)用，可以利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)敵我區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控?cái)耻姳?、裝備等，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)情況有個(gè)全面的把握，監(jiān)測(cè)導(dǎo)彈軌跡，定位目標(biāo)進(jìn)行攻擊等。

（二）在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境檢測(cè)方面的應(yīng)用，能夠做到傳統(tǒng)的系統(tǒng)無(wú)法完成的任務(wù)。對(duì)動(dòng)植物的活動(dòng)、生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，使其更好地進(jìn)行生長(zhǎng)發(fā)育；對(duì)生化和農(nóng)業(yè)的監(jiān)測(cè)，可以掌控其進(jìn)度；還可以提前對(duì)森林火災(zāi)和洪水等災(zāi)難進(jìn)行檢測(cè)。

（三）對(duì)建筑結(jié)構(gòu)方面的監(jiān)測(cè)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控建筑物的情況，一旦發(fā)現(xiàn)建筑物的健康出現(xiàn)問(wèn)題，可以及時(shí)解決，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)控線路易老化、損壞和布線復(fù)雜的弊端，而且成本還很低廉。

（四）在醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用

無(wú)線傳感器在醫(yī)療方面的應(yīng)用，主要是讓人隨身佩戴相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)，可通過(guò)人體的提問(wèn)、肌肉收縮、體內(nèi)電流的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)人體的健康狀況進(jìn)行非常直觀的監(jiān)測(cè)。目前有針對(duì)老年人設(shè)計(jì)的，監(jiān)測(cè)老年人的身體狀況的無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以除了對(duì)老年人的健康狀況進(jìn)行檢測(cè)外，還可以做到在其發(fā)病時(shí)準(zhǔn)確報(bào)告其地理位置和身體情況的功能。

（五）在智能交通方面的應(yīng)用

無(wú)線傳感器在交通監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用，將節(jié)點(diǎn)布置在主要街道附近，對(duì)聲音、視頻、溫度等因素進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，還可在車上放置相應(yīng)的GPS全球定位設(shè)備的節(jié)點(diǎn)。在整個(gè)交通檢測(cè)系統(tǒng)中，要將重點(diǎn)放在數(shù)據(jù)的安全傳輸。整合。網(wǎng)絡(luò)的安全上面。

結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)雖然現(xiàn)在還沒(méi)有在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)真正的普及開(kāi)來(lái)，但是很多公司一直投入相當(dāng)多的精力去研究，相信隨著人們生活水平的不斷提高、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和通行成本的不斷降低，在不久的將來(lái)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的登門(mén)入戶。

參考文獻(xiàn)

[1]武斌.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制策略研究[D].西安電子科技大學(xué).2011.

[2]邢二慶.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合算法的研究[D].沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院.2010.

[3]胡玲.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)信息融合與目標(biāo)跟蹤的研究[D].華東理工大學(xué).2012.

[4]李霖.傳感器應(yīng)用中的常見(jiàn)干擾分析及對(duì)策[J]. 信息與電腦（理論版）.2011（04）

（作者單位：北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所）