无线传感器网络在国民经济中的应用

孔　勇　李佳俊　乔晓瑜

摘要:以数据为中心的面向应用的无线传感器网络是一种新型网络。其网络的特点决定了在军事和民用领域的应用很大机会。无线传感器网络特别适用于设备成本较低、传输数据量较少、使用电池供电并且要求工作时间较长的应用场合。随着关键问题的不断解决,无线传感器网络对未来社会进步将发挥巨大的作用。

关键词:无线传感器网络;传感器节点;应用;低功耗

Abstract: Wireless sensor network (WSN) is a new data-centric and application-oriented network. Its characteristics bring plenty of application occasions in military and civil field. WSN is especially suitable to low cost equipment, less data transmission, battery-powered and long life cycle applications. With approaches of some key problems solving, it is playing an important role in the future social progress.

Key words: wireless sensor network; sensor node; applications; low power

从21世纪开始,无线传感器网络(WSN)引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注。无线传感器网络是由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域,综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。它是由部署在监控区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者。传感器节点具有数据处理模块、无线通信模块以及传感器模块等功能单元。这些功能单元使得传感器节点可以自发合作,从而组成一个网络。每一个传感器节点都是一个独立的数据采集者和路由器[1-2]。

WSN和Ad hoc有相似之处,但同时也存在很大的差别。

无线自组网是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流,通常节点具有持续的能量供给[3]。

传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统,节点数目更为庞大,节点分布更为密集;由于环境影响和能量耗尽,节点更容易出现故障;环境干扰和节点故障亦造成网络拓扑结构的变化;通常情况下大多数传感器节点是固定不动的。另外,传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用,其次才考虑节约能源;因而传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用,这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。

无线传感器网络的研究采用系统发展模式,融合了现代先进的微电子技术、微细加工技术、系统芯片(SoC)设计技术、纳米材料与技术、现代信息通信技术、计算机网络技术等,广泛应用于军事、工业、医疗、环境、家庭等领域,必将成为未来信息传输中不可缺少的一部分[4-6]。

1 WSN的结构

无线传感器网络是由大量的传感器节点构成的基于任务的平台,其必不可少的3要素是传感器、感知对象和观察者。

传感器对感知对象进行感知,然后将感知结果发送给观察者,如图1所示。

从功能实现角度分析,无线传感器网络由嵌入式设备、传感器和网络构成。嵌入式设备作为分布式监控和通信的载体;传感器测试大千世界的信息,转换为可操作信号;网络作为所有设备构成的系统,相互协作,完成复杂的任务。

无线传感器网络是指在环境中布置的传感器节点以无线通信的方式构成网络。通信结构如图2所示。无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测传感区域内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。

传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点作为控制中心,对传感器网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据供用户浏览和处理。

2 WSN在国民经济中的应用

无线传感器网络的快速布置、自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃,快速布置、自组织和容错能力等特性使他们非常适合应用于恶劣的战场环境中,包括监控我军兵力,装备和物资,监视冲突区,侦察敌方地形和布防、定位攻击目标,评估损失,侦察和探测核、生物和化学攻击[5]等军事用途,受到了军事发达国家的普遍重视。同时,无线传感器网络在工农业、生物医疗、环境监测、抢险救灾等很多民用领域也都拥有十分广阔的应用前景。特别适用于那些设备成本较低,传输数据量较少,使用电池供电并且要求工作时间较长的应用场合。

2.1 空气质量监测站的应用

由于人们生活水平的提高,环境保护意识的加强,对环境信息的监测越来越受到当今社会的重视。空气质量监测是环境监测的一个重要组成部分,监测项目也由原来简单的SO2、NOx的监测增加了很多,如CO、O3以及空气中有毒有害的有机物等。但是,空气质量监测站的设计一直受到设计成本昂贵、维护复杂、数据的实时性差以及监测范围的扩大等因素的困扰。

无线传感器节点成本低、功耗小,适用于多个区域的多点检测,正适合于空气质量监测站的设计实施,由于监测点一般远离监控中心,针对传感器网络无线传输距离短的缺点,利用现有的通用分组无线电业务(GPRS)网络,发挥其覆盖面广的优点,使之远距离数据传输成为可能[7]。

空气质量监测站由无线传感器节点、空气质量传感器(检测SO2,NOx等)以及A/D转换、网关节点、GPRS模块、微处理器等组成。监测区域所部署的传感器节点监测每点的数据,然后数据沿着其他传感器节点逐级进行传输,在传输过程中监测的数据可能被多个节点处理,经过多跳后汇集到网关节点,再由网关节点将数据传输到控制中心。

应用于环境监测的传感器网络,具有部署简单、便宜、无需派人现场维护的优点。在环境方面的应用包括:监测大面积的海洋、森林、气象和地理研究;监测牲畜、家禽的环境状况;监控动物栖息地等。

2.2 远程家庭监护系统

随着社会老龄化的加剧,解决长期慢性病的监护成为重要的社会问题。一些突发性疾病和家庭保健,如心血管疾病、老人的日常护理、孕妇、胎儿、婴儿、幼儿的保健也需要长期的家庭监护。由于中国医疗资源紧缺,基于公用网络的家庭医疗监护,建立小区医疗网络,可以提高医疗服务水平,减轻病人负担。

在人体身上安装特殊用途的传感器节点,如心率和血压监测设备,利用传感器网络,医生就可以随时了解被监护者的情况,进行病情的及时处理[8]。还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据,这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的,而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不便。此外,在药物管理等诸多方面,它也有新颖而独特的应用。人工视网膜是一项生物医学的应用项目。在SSIM计划中,替代视网膜的芯片由100个微型传感器组成,并植入人眼,目的是使得失明者或者视力极差者能够回复到一个可以接受的视力水平。传感器的无线通信满足反馈控制的需要,有利于人们对图像的识别和确认。