無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)與運(yùn)用
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量分布廣泛的、能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算的微小傳感器節(jié)點(diǎn)，以無(wú)線通訊的方式，同時(shí)能夠自行組織起網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，是能夠在不斷變化的環(huán)境中自主完成指定任務(wù)的智能系統(tǒng)。隨著無(wú)線通信、嵌入式計(jì)算技術(shù)、傳感器技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)改變了人類(lèi)與自然界的交互方式，在軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、空間探索、反恐防暴、災(zāi)難援救、醫(yī)療衛(wèi)生、智能家居等方面展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用價(jià)值。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)
1.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯集節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)組成。通過(guò)在需要監(jiān)測(cè)的區(qū)域內(nèi)散布大量傳感器來(lái)探測(cè)溫度、濕度、壓力、光照強(qiáng)度、介質(zhì)濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)，并且每個(gè)傳感器之間以自組織的形式拓展成網(wǎng)絡(luò)。傳感器將探測(cè)到的環(huán)境數(shù)據(jù)以特定的方式匯集到某個(gè)節(jié)點(diǎn)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)，最終所有數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)或者移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳送給管理節(jié)點(diǎn)。
1.2節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成，如下圖所示。傳感器模塊的功能是監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的信息，將信息進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換成特定格式的數(shù)據(jù)；處理器模塊的功能是處理好相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，包括自身采集的數(shù)據(jù)和其他節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)；無(wú)線通信模塊的功能是與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換信息和數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊的功能是為傳感器節(jié)點(diǎn)供能，而供能介質(zhì)通常采用微型電池。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)
2.1分布式和網(wǎng)絡(luò)自組。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中并沒(méi)有原先設(shè)置中心節(jié)點(diǎn)，所有的節(jié)點(diǎn)都擁有相同的權(quán)限，各節(jié)點(diǎn)之間都是通過(guò)分布式算法來(lái)協(xié)調(diào)，可以在無(wú)人操作的情況下自動(dòng)將所有節(jié)點(diǎn)組織到一起，自動(dòng)地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置和管理，通過(guò)相應(yīng)的協(xié)議和算法自動(dòng)形成一個(gè)具有收發(fā)大量環(huán)境數(shù)據(jù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。為了應(yīng)對(duì)環(huán)境的復(fù)雜性，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以隨時(shí)加入或者切除一部分節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)不會(huì)因此而失效或者崩潰。
2.2規(guī)模大密度高。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由成千上萬(wàn)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，覆蓋區(qū)域大，節(jié)點(diǎn)密集，以盡可能獲得更為精確、完整的數(shù)據(jù)，如森林火災(zāi)監(jiān)護(hù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等。同時(shí)，也正因?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大，密度高，網(wǎng)絡(luò)中存在大量的冗余節(jié)點(diǎn)，從而使得能夠從不同的角度獲得盡可能多的數(shù)據(jù)，挺高了監(jiān)測(cè)的精度，也降低了對(duì)單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的精度要求，所以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的造價(jià)相對(duì)便宜。
2.3網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常是不斷變化的，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)、故障，節(jié)點(diǎn)能源的耗盡，新節(jié)點(diǎn)的加入，無(wú)線信道的不穩(wěn)定等都有可能造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，變化的時(shí)間點(diǎn)和方式都很難預(yù)測(cè)。這就要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織和動(dòng)態(tài)調(diào)整的能力，可通過(guò)各種組網(wǎng)技術(shù)，對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的管理，最大程度的利用節(jié)點(diǎn)資源。
2.4以數(shù)據(jù)為中心。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是為了完成某些任務(wù)為創(chuàng)建的。用戶(hù)關(guān)心的是監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的信息，而不是某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)。用戶(hù)在使用傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，是將需要查詢(xún)的信息發(fā)給網(wǎng)絡(luò)，而不是發(fā)給某個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后傳感器網(wǎng)絡(luò)收集相關(guān)數(shù)據(jù)后整合成信息匯報(bào)給用戶(hù)。與以連接為中心的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的，各節(jié)點(diǎn)要有能聚合數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和壓縮的功能。
2.5資源受限。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常用于一些特殊場(chǎng)所和領(lǐng)域，傳感器往往在價(jià)格、體積和功耗上受到限制，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間、續(xù)航能力相對(duì)較弱，無(wú)法做大規(guī)模的存儲(chǔ)和計(jì)算。所以在網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建過(guò)程中，如何降低網(wǎng)絡(luò)的功耗，最大化網(wǎng)絡(luò)的生存周期是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要面臨的一大挑戰(zhàn)。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域
3.1軍事應(yīng)用。軍事應(yīng)用是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最先應(yīng)用的領(lǐng)域。早在1978年，美國(guó)軍方就委托卡耐基-梅隆大學(xué)研究分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，以滿(mǎn)足軍方對(duì)軍用偵察系統(tǒng)的需求。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有快速部署、可自組織、高容錯(cuò)率等優(yōu)點(diǎn)，是軍隊(duì)在戰(zhàn)場(chǎng)上進(jìn)行無(wú)線通信的首選技術(shù)，目前已成為軍事c4isrt系統(tǒng)不可缺少的一部分。c4isrt系統(tǒng)的目標(biāo)是利用先進(jìn)的高科技技術(shù)，為未來(lái)的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)設(shè)計(jì)一個(gè)集命令、控制、通信、計(jì)算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場(chǎng)指揮系統(tǒng)，受到了軍事發(fā)達(dá)國(guó)家的普遍重視。打仗時(shí)，指揮員往往需要及時(shí)準(zhǔn)確地知道部隊(duì)和敵方的相關(guān)信息情況。前期鋪設(shè)的傳感器可以采集前方的信息，匯聚相關(guān)信息后發(fā)送給指揮所，形成戰(zhàn)場(chǎng)上所需的數(shù)據(jù)供指揮員調(diào)用來(lái)完成決策。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)密度大、成本低、隱蔽性高，同時(shí)具有自組織和高的容錯(cuò)率，所以即使被敵人破壞掉部分節(jié)點(diǎn)也不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成太大影響。與傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)相比，傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，能安全有效地實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)控、地形探測(cè)與布防、目標(biāo)探測(cè)和定位等功能。
3.2環(huán)境監(jiān)測(cè)。隨著我國(guó)人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)環(huán)境的關(guān)注度也在日益增加。而在環(huán)境監(jiān)控方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將取代原有的低效的監(jiān)測(cè)手段，特別是大規(guī)模的野外環(huán)境監(jiān)測(cè)中顯示出了很大的應(yīng)用潛力。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用于監(jiān)測(cè)農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣變更情況、病蟲(chóng)害預(yù)報(bào)、牲畜和家禽的環(huán)境狀況、大面積的地表監(jiān)測(cè)、行星探測(cè)、氣象和地理研究、洪水監(jiān)測(cè)和珍稀鳥(niǎo)類(lèi)等瀕臨危機(jī)種群的跟蹤研究等。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在預(yù)防森林火災(zāi)中得到廣泛的應(yīng)用，通常是將可以長(zhǎng)期工作的傳感器部署在容易發(fā)生火災(zāi)的森林中，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)森林的狀態(tài)，可以準(zhǔn)確、及時(shí)的預(yù)報(bào)森林的火災(zāi)可能性。在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)考方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，傳感器被放置在大樓內(nèi)不同房間的不同位置，實(shí)時(shí)、精確地采集大樓內(nèi)各處的環(huán)境參數(shù)，為大樓內(nèi)的環(huán)境控制提供決策信息。
3.3醫(yī)療應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療上的應(yīng)用主要是在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護(hù)理兩個(gè)方面，包括人體各種生理數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、跟蹤和監(jiān)考醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動(dòng)、醫(yī)院藥物管理及遠(yuǎn)程醫(yī)療等。通過(guò)在患者需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的部位植入微型傳感器節(jié)點(diǎn)，來(lái)獲得患者的心率、血壓、心電等生理參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測(cè)到的信息匯總發(fā)送給監(jiān)護(hù)中心進(jìn)行反饋；另外，還可以利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)患者的生理數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期的收集和觀察，對(duì)了解患者的健康狀況以及診斷疾病都很有幫助；將基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)下的醫(yī)療、健康護(hù)理體系與居家環(huán)境相結(jié)合，能更為有效地降低大眾就醫(yī)的費(fèi)用，提升就醫(yī)的便利性，為未來(lái)的遠(yuǎn)程醫(yī)療和監(jiān)護(hù)提供了無(wú)限可能。
3.4工農(nóng)商業(yè)應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)上的應(yīng)用主要有安全監(jiān)控、工業(yè)生產(chǎn)、距離定位幾個(gè)方面。安全監(jiān)控方面，廣泛應(yīng)用于一些有毒氣體或者具有放射性危險(xiǎn)的場(chǎng)所，如煤礦、石油鉆井、核電廠等工作場(chǎng)所的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，傳感器節(jié)點(diǎn)可以代替人在危險(xiǎn)的地方采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)匯總到控制室進(jìn)行處理。工業(yè)生產(chǎn)方面，由于從原本的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)變成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了大量的控制電纜，特別是對(duì)于大的監(jiān)控系統(tǒng)，不僅節(jié)省下了電纜費(fèi)用，而且能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)高度的工業(yè)智能化和自動(dòng)化。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用主要是通過(guò)將傳感器布置在農(nóng)田中，實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)農(nóng)田中的溫濕度數(shù)據(jù)，從而精確計(jì)算出需要的灌溉量和施肥量，甚至可以控制灌溉設(shè)備來(lái)保持農(nóng)田時(shí)刻處于適宜的狀態(tài)，從而完成農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在商業(yè)上的典型應(yīng)用是物流供應(yīng)鏈的管理，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以幫助定位貨品信息，包括存放位置、貨品狀態(tài)和銷(xiāo)售情況等，實(shí)現(xiàn)大型車(chē)間和倉(cāng)庫(kù)的智能化、自動(dòng)化管理。
3.5智能家居。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能家居中的應(yīng)用是近幾年比較熱門(mén)的方面，包括華為、小米、百度、聯(lián)想、格力等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、制造業(yè)企業(yè)都早已開(kāi)始在智能家居上進(jìn)行布局。通過(guò)將無(wú)線傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)嵌入各種家具和家電中，可以實(shí)現(xiàn)家具家電的自動(dòng)控制，如果將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與廣域網(wǎng)相連接的話，則可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)視和操作，甚至可以在手機(jī)上對(duì)其進(jìn)行操作，比如回家前打開(kāi)空調(diào)、啟動(dòng)電飯煲或者讓掃地機(jī)器人開(kāi)始工作等。無(wú)線傳感器與家具的融合使得人們能夠擁有更加舒適的體驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)許多人性化的功能。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)分布式的自組織網(wǎng)絡(luò)，規(guī)模大，密度高，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可動(dòng)態(tài)變化，以有用數(shù)據(jù)為最終目的，在各行各業(yè)都擁有廣闊的前景。
