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          淺談無線傳感器網絡的應用與發展

          文章出處:原創網責任編輯:作者:admin人氣:-發表時間:2015-11-23 09:30:00【

          一、發展概述

          早在上世紀70年代,就出現了將傳統傳感器采用點對點傳輸、連接傳感控制器而構成傳感器網絡雛形,我們把它歸之為第一代傳感器網絡。隨著相關學科的不斷發展和進步,傳感器網絡同時還具有了獲取多種信息信號的綜合處理能力,并通過與傳感控制器的相聯,組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網絡,這是第二代傳感器網絡。而從上世紀末開始,現場總線技術開始應用于傳感器網絡,人們用其組建智能化傳感器網絡,大量多功能傳感器被運用,并使用無線技術連接,無線傳感器網絡逐漸形成。

          無線傳感器網絡是新一代的傳感器網絡,具有非常廣泛的應用前景,其發展和應用,將會給人類的生活和生產的各個領域帶來深遠影響。發達國家如美國,非常重視無線傳感器網絡的發展,IEEE正在努力推進無線傳感器網絡的應用和發展,波士頓大學(Boston University)還于最近創辦了傳感器網絡協會(Sensor Network Consortium),期望能促進傳感器聯網技術開發。美國的《技術評論》雜志在論述未來新興十大技術時,更是將無線傳感器網絡列為第一項未來新興技術,《商業周刊》預測的未來四大新技術中,無線傳感器網絡也列入其中??梢灶A計,無線傳感器網絡的廣泛是一種必然趨勢,它的出現將會給人類社會帶來極大的變革。

          二、無線傳感器網絡的定義和特點

          無線傳感器網絡可以看成是由數據獲取網絡、數據分布網絡和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的節點,各節點通過協議自組成一個分布式網絡,再將采集來的數據通過優化后經無線電波傳輸給信息處理中心。 無線傳感器網絡操作系統Tiny0S141的研制者,Jason Hill博士把WSN定義為:SensingCPURadioThousands of potential application

          哈爾濱工業大學的李建中教授將WSN定義為:WSN是由一組傳感器節點以自組織的方式構成的有線或無線網絡,其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區域中感知對象的信息,并發布給觀察者。從硬件上看,WSN 點主要由數據采集單元、數據處理單元、無線數據收發單元以及小型電池單元組成,通常尺寸很小,具有低成本、低功耗、多功能等特點;從軟件上看,它借助于節點中內置傳感器有效探測所處區域的溫度、濕度、光強度、壓力等環境參數以及待測對象的電壓、電流等物理參數,并通過無線網絡將探測信息傳送到數據匯聚中心 進行處理、分析和轉發。

          WSN與傳統傳感器和測控系統相比具有明顯的優勢。它采用點對點或點對多點的無線連接,大大減少了電纜成本,在傳感器節點端即合并了模擬信號/數字信號轉換、數字信號處理和網絡通信功能,節點具有自檢功能,系統性能與可靠性明顯提升而成本明顯縮減。

          無線傳感器網絡具有以下特點:

          1、硬件資源有限。WSN節點采用嵌入式處理器和存儲器,計算能力和存儲能力十分有限。所以,需要解決如何在有限計算能力的條件下進行協作分布式信息處理的難題。

          2、電源容量有限。為了測量真實世界的具體值,各個節點會密集地分布于待測區域內,人工補充能量的方法已經不再適用。每個節點都要儲備可供長期使用的能量,或者自己從外汲取能量(太陽能)。當自身攜帶的電池的能量耗盡,往往被廢棄,甚至造成網絡的中斷。所以,任何WSN技術和協議的研究都要以節能為前提。

          3、無中心。在無線傳感器網絡中,所有節點的地位都是平等的,沒有預先指定的中心,是一個對等式網絡。各節點通過分布式算法來相互協調,在無人值守的情況下,節點就能自動組織起一個測量網絡。而正因為沒有中心,網絡便不會因為單個節點的脫離而受到損害。節點可以隨時加入或離開網絡,任何節點的故障不會影響整個網絡的運行,具有很強的抗毀性。

          4、自組織。網絡的布設和展開無需依賴于任何預設的網絡設施,節點通過分層協議和分布式算法協調各自的行為,節點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網絡。

          5、多跳(Multi-hop)路由。WSN節點通信能力有限,覆蓋范圍只有幾十到幾百米,節點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節點進行通信,則需要通過中間節點進行路由。WSN中的多跳路由是由普通網絡節點完成的。

          6、動態拓撲。WSN是一個動態的網絡,節點可以隨處移動;一個節點可能會因為電池能量耗盡或其他故障,退出網絡運行;也可能由于工作的需要而被添加到網絡中。這些都會使網絡的拓撲結構隨時發生變化,因此網絡應該具有動態拓撲組織功能。

          7、節點數量眾多,分布密集。WSN節點數量大、分布范圍廣,難于維護甚至不可維護。所以,需要解決如何提高傳感器網絡的軟、硬件健壯性和容錯性。

          8、傳輸能力的有限性。無線傳感器網絡通過無線電波進行數據傳輸,雖然省去了布線的煩惱,但是相對于有線網絡,低帶寬則成為它的天生缺陷。同時,信號之間還存在相互干擾,信號自身也在不斷地衰減,諸如此類。不過因為單個節點傳輸的數據量并不算大,這個缺點還是能忍受的。

          9、安全性的問題。無線信道、有限的能量,分布式控制都使得無線傳感器網絡更容易受到攻擊。被動竊聽、主動入侵、拒絕服務則是這些攻擊的常見方式。因此,安全性在網絡的設計中至關重要。

          三、應用現狀

          雖然無線傳感器網絡的大規模商業應用,由于技術等方面的制約還有待時日,但是最近幾年,隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小,已經為數不少的無線傳感器網絡開始投入使用。目前無線傳感器網絡的應用主要集中在以下領域:

          1環境的監測和保護

          隨著人們對于環境問題的關注程度越來越高,需要采集的環境數據也越來越多,無線傳感器網絡的出現為隨機性的研究數據獲取提供了便利,并且還可以避免傳統數據收集方式給環境帶來的侵入式破壞。

          2.醫療護理

          無線傳感器網絡在醫療研究、護理領域也可以大展身手。羅徹斯特大學的科學家使用無線傳感器創建了一個智能醫療房間,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。英特爾公司也推出了無線傳感器網絡的家庭護理技術。該技術是做為探討應對老齡化社會的技術項目Center for Aging Services TechnologiesCAST)的一個環節開發的。該系統通過在鞋、家具以家用電器等家中道具和設備中嵌入半導體傳感器,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網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。英特爾主管預防性健康保險研究的董事Eric Dishman稱,“在開發家庭用護理技術方面,無線傳感器網絡是非常有前途的領域”。

          3.軍事領域

          由于無線傳感器網絡具有密集型、隨機分布的特點,使其非常適合應用于惡劣的戰場環境中,使其非常適合應用于惡劣的戰場環境中,包括偵察敵情、監控兵力、裝備和物資,判斷生物化學攻擊等多方面用途。

          4.商業化用途

          無線傳感器網絡還被應用于其他一些領域。比如一些危險的工業環境如井礦、核電廠等,工作人員可以通過它來實施安全監測。也可以用在交通領域作為車輛監控的有力工具。盡管無線傳感器技術目前仍處于初步應用階段,但已經展示出了非凡的應用價值,相信隨著相關技術的發展和推進,一定會得到更大的應用。從應用的情況來看,北美的狀況最好,在樓宇自動化、環境監控等方面,無線傳感器網絡已經開始大展拳腳。

          四、需要解決的問題

          就目前的技術水平來說,讓無線傳感器網正常運行并大量投入使用還面臨著許多問題:

          1.網絡內通信問題。無線傳感器網絡內正常通信聯系中,信號可能被一些障礙物或其他電子信號干擾而受到影響,怎么安全有效的進行通信是個有待研究的問題。

          2.成本問題。在一個無線傳感器網絡里面,需要使用數量龐大的微型傳感器,這樣的話成本會制約其發展。

          3.系統能量供應問題。目前主要的解決方案有:使用高能電池;降低傳感功率;此外還有傳感器網絡的自我能量收集技術和電池無線充電技術。其中后兩者備受關注。

          4.高效的無線傳感器網絡結構。無線傳感器網絡的網絡結構是組織無線傳感器的成網技術,有多種形態和方式,合理的無線傳感器網絡可以最大限度的利用資源。在這里面,還包括網絡安全協議問題和大規模傳感器網絡中的節點移動性管理等諸多問題有待解決。

          總之,無線傳感器網絡應用前景非常誘人;無線傳感器網絡(WSN)被認為是影響人類未來生活的重要技術之一,這一新興技術為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。由于WSN本身的特點,使得它與現有的傳統網絡技術之間存在較大的區別,給人們提出了很多新的挑戰。由于WSN對國家和社會意義重大,國內外對于WSN的研究正熱烈開展,希望能夠引起測控領域對這一新興技術的重視,推動對這一具有國家戰略意義的新技術的研究、應用和發展。

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