【導(dǎo)讀】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless SensorNetwork, WSN)是一種新型的信息獲取系統(tǒng),是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成,通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其目的是協(xié) 作地監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)各種感知對象的信息,并對這些信息進行處理,最終發(fā)送給觀察者。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種低功耗、自組織網(wǎng)絡(luò),一般由一個 或多個基站(Sink節(jié)點)和大量部署于監(jiān)測區(qū)域、配有各類傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)成。每個節(jié)點成本低,功耗小,具有一定計算處理能力、通信能力。雖然單 個節(jié)點采集數(shù)據(jù)并不精確,也不可靠,但是大量節(jié)點相互協(xié)作形成高度統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提高了數(shù)據(jù)采集的準確度和運行的可靠性,可部署于在敵占區(qū)、災(zāi)害區(qū)、核 反應(yīng)堆等人力不可達的特殊區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)?,具有其他網(wǎng)絡(luò)無法比擬的特性,可廣泛用于國防、環(huán)境監(jiān)測、智能家居等領(lǐng)域。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的顯著特點
與蜂窩網(wǎng)、無線局域網(wǎng)等其它無線通信網(wǎng)絡(luò)相比,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有其自身的顯著特點:
1) 分布式、自組織性。無線傳感網(wǎng)是由對等節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),不存在中心控制。管理和組網(wǎng)都非常簡單靈活。不依賴固定的基礎(chǔ)設(shè)施,每個節(jié)點都具有路由功能,可以通過自我協(xié)調(diào)、自動布置而形成網(wǎng)絡(luò),不需要其它輔助設(shè)施和人為手段。
2)健壯性。由于能量限制、環(huán)境干擾和人為破壞等因素的影響,傳感器節(jié)點會損壞,導(dǎo)致一些傳感器節(jié)點不能正常工作,但隨機分布的大量節(jié)點之間可以協(xié)調(diào)互補,保證部分傳感器節(jié)點的損壞不會影響到全局任務(wù)。
3)可擴展性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中增加新的無線傳感器節(jié)點時,也不需要其它外界條件,原有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以有效地融納新增節(jié)點,使新增節(jié)點快速融入網(wǎng)絡(luò),參與全局工作。
4)動態(tài)拓撲。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點可能會因為能量耗盡或其他故障退出網(wǎng)絡(luò);有些節(jié)點可能處于工作狀態(tài),有些節(jié)點可能處于關(guān)閉狀態(tài),沒有參與網(wǎng)絡(luò)通訊;也有可能又會新增大量的節(jié)點融入網(wǎng)絡(luò),這些都會使網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化。
5) 應(yīng)用相關(guān)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用來感知客觀物理世界,獲取物理世界信息。不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量,因此不同應(yīng)用背景將導(dǎo)致不同的節(jié)點硬件平臺、 軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不能象Internet一樣具有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺,必須針對具體應(yīng)用來研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū) 別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的顯著特征。[page]
6)規(guī)模大。為了提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性,通常在目標區(qū)域內(nèi)部署大量傳感器節(jié)點,傳感器網(wǎng)絡(luò)可能包含多達數(shù)千甚至上萬個傳感器節(jié)點。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性還能夠通過不同空間視角獲得更大的信噪比,從而提高監(jiān)測準確性。
7)高冗余。節(jié)點的大規(guī)模部署使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有較高的節(jié)點冗余,網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余以及采集的數(shù)據(jù)冗余,從而使得系統(tǒng)具有很強的容錯能力。
8) 空間位置尋址。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般不需要支持任意兩個傳感器節(jié)點之間的點對點通信,傳感器節(jié)點不必具有全球唯一的標識,不必采用因特網(wǎng)的IP尋址。用戶往 往不關(guān)心數(shù)據(jù)采集于哪一個節(jié)點,而關(guān)心數(shù)據(jù)所屬的空間位置,因此可采取空間位置尋址方式。從這個意義上講,傳感器網(wǎng)絡(luò)通常以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索, 因此傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用分析
由于技術(shù)等方面的制約,雖然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模商用還有待時日。但隨著微處理器體積的縮小和性能的提升,已經(jīng)有中小規(guī)模的WSN在工業(yè)市場上開始投入商用。其應(yīng)用主要集中在以下領(lǐng)域:
①環(huán)境監(jiān)測
隨 著人們對于環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高,需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利,并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù) 收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。比如,英特爾研究實驗室研究人員曾經(jīng)將32個小型傳感器連進互聯(lián)網(wǎng),以讀出緬因州“大鴨島”上的氣候,用來評價一種海燕 巢的條件。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移,研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響,監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。此外,它也可以應(yīng)用在精細農(nóng)業(yè)中,來 監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。
②醫(yī)療護理
羅徹斯特 大學(xué)的科學(xué)家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個智能醫(yī)療房間,使用微塵來測量居住者的重要征兆(血壓、脈搏和呼吸)、睡覺姿勢以及每天24小時的活動狀況。英特爾 也推出了基于WSN的家庭護理技術(shù)。該技術(shù)是做為探討應(yīng)對老齡化社會的技術(shù)項目Centerfor Aging ServicesTechnologies(CAST)的一個環(huán)節(jié)開發(fā)的。該系統(tǒng)通過在鞋、家具以家用電器等家中道具和設(shè)備中嵌入半導(dǎo)體傳感器,幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。利用無線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理。而且還可以減輕護理人員的負擔(dān)。
③軍事領(lǐng)域
由 于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機分布的特點,使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中,使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中,包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備 和物資,判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途。美國國防部遠景計劃研究局已投資幾千萬美元,幫助大學(xué)進行“智能塵埃”傳感器技術(shù)的研發(fā)。
④目標跟蹤
DARPA 支持的SensorIT項目探索如何將WSN技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,實現(xiàn)所謂“超視距”戰(zhàn)場監(jiān)測。UCB的教授主持的SensorWeb是SensorIT 的一個子項目。原理性地驗證了應(yīng)用WSN進行戰(zhàn)場目標跟蹤的技術(shù)可行性,翼下攜帶WSN節(jié)點的無人機(UAV)飛到目標區(qū)域后拋下節(jié)點,最終隨機布撤落在 被監(jiān)測區(qū)域,利用安裝在節(jié)點上的地震波傳感器可以探測到外部日標,如坦克、裝甲車等,并根據(jù)信號的強弱估算距離,綜合多個節(jié)點的觀測數(shù)據(jù),最終定位目標, 并繪制出其移動的軌跡。
⑤其他用途
WSN還被應(yīng)用于一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等,工作人員可以通過它來實施安全監(jiān)測。也可以用在交通領(lǐng)域作為車輛監(jiān)控的有力工具。此外,還可以在工業(yè)自動化生 產(chǎn)線等諸多領(lǐng)域,英特爾正在對工廠中的一個無線網(wǎng)絡(luò)進行測試,該網(wǎng)絡(luò)由40臺機器上的210個傳感器組成,這樣組成的監(jiān)控系統(tǒng)將可以大大改善工廠的運作條 件。它可以大幅降低檢查設(shè)備的成本,同時由于可以提前發(fā)現(xiàn)問題,因此將能夠縮短停機時間,提高效率,并延長設(shè)備的使用時間。相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推 進,無線傳感器技術(shù)一定會得到更大的應(yīng)用。