无线传感器系统的建设及应用要点

石玉香

引言：无线传感器网络是由部署在监测区域的大量具有通信、监测及计算能力的微型传感器节点通过自组织构成的“智能”测控网络。目前，由于无线传感器的低能耗、能实现同步控制、自动化高等特点，在军事、农业、环境监测、医疗卫生、工业、智能交通、建筑物监测、空间探索等领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值。本文主要结合无线传感器的构成及分类，针对无线传感器的建设和应用展开具体的阐述。

一、无线传感器的构成

无线传感器网络系统的基本架构包括三部分，第一部分是无线收发芯片，其职责是将数字信息转换为高频无线信号传送出去和将接收到的高频无线信号恢复成数字信息。就无线传感器收发芯片而言，为了一个无线传感器的网络节点和路由器功能的实现，可以采用多芯片的方案。

第二部分是运行于单片机或者无线单片机的内部嵌入式软件，也称软件协议栈。网络堆栈主要有两个职责，第一网络堆栈具有自组织、自恢复的能力，可以处理节点间的联捷通讯因质量和环境因素干扰无法正常进行通信的现象；第二个职能是具有很强的算法能力，可以确保信息数据准确搞笑的通过网络拓扑在节点之间传输，确保信息的实时性的要求。

第三部分为应用软件，这部分主要是各种开发用的软件代码，通过计算机语言进行编写、开发，调用软件协议栈的功能。

二、无线传感器系统的特点

无线传感器网络通常具有以下特点：①自组织性：无线传感器网络系统的节点可以进行自动组网，节点相互之间可以进行通讯工作。②路由多跳性：通信具体、节能和功率控制等因素有时候会对节点进行限制，使节点无法正常进行通信，这时就需要通过其他节点来完成信息数据的传输，所以网络数据的传输路由具有多跳性。③网络拓扑动态性：无线传感器在一些特殊的应用中是移动的，节点会因能量或故障等一些因素停止工作，这时的网络拓扑就会发生变化。④节点有限性：主要受到技术的要求和有限的能量，导致了节点资源的有限性。

三、传感器系统建设要点

（一）网络拓扑管理

对于无线传感器系统来说，网络结构是自组织的，建设的目的是在满足网络的连通度和覆盖度的情况下，选择路由路径，建立一个能够高效转发数据的拓扑结构。网络拓扑结构有层次型拓扑结构和节点功率控制这两种形式，层次型拓扑结构利用分簇机制控制，节点功率控制则是通过控制节点完成总的网络拓扑管理。

（二）网络协议

对于传感器的网络协议来说，主要功能是对信息传递的路径进行控制，目前的建设重点主要是MAC层和网络层。在设计MAC协议时，首先要考虑到MAC层的可拓展性以及能不能节省能量，通过MAC层的合理设计，达到控制节点的工作模式和通信过程的要求，从而降低系统的损耗，延长节点使用的时间。

（三）网络安全建设

传感器系统的网络安全建设，主要的控制方法有两种：维护路由器的安全和完善安全协议的建设。首先，找出节点和真实值之间的关系，然后在真实值的基础上生成路由，能够保证路由器建设的质量。其次，在设计合理的安全协议时，可以先假设基站的工作条件正常，在这种情况下满足合适的存储容量和计算速度，基站的功率能够达到加密的功率需求，在这个基础上设计出的安全协议才能满足传感器运行的需要。

（四）定位技术

定位技术指的是针对传感器上的每一个节点进行准确的定位设计，一般采用的方法是分布定位和集中定位，常用的定位技术是以距离为中心的定位和与距离无关的定位。以距离为中心的定位对于硬件的要求高，精度也比较好，与距离无关的定位受到环境的影响比较大，所以应该根据传感器的具体要求进行选择和设计。

（五）数据融合

传感器的内容和计算能力通常是有限的，在这种情况下，在收集数据的时候要进行有效的数据融合，删除无用的信息，节省容量。对于数据融合，可以在多个层次中进行，首先在应用层应该利用分布式的数据库技术，对于数据进行实时筛选，其次在网络层运用路由协议与数据融合相结合的方法，最后对于MAC层来说，可以减少头部开销。

（六）时间的同步设计

在传感器的运用过程中，例如基于TDMA的MAC协议的监测和运行，基本的要求是节点之间的问题保持同步。首先，节点通过自己记录时间，然后反馈到第三方进行校正，所以，时间精度的大小主要的影响因素是这段校正时间的长度。

四、无线传感器网络应用现状

传感器网络的应用与具体的应用环境密切相关，因此针对不同的应用领域，存在性能不同的无线传感器网络系统。

（一）在军事领域方面的应用

在军事领域方面的应用，可以利用无线传感器网络对敌我区域进行实时监控，监控敌军兵力、装备等，对战场情况有个全面的把握，监测导弹轨迹，定位目标进行攻击等。

（二）在环境监测方面的应用

无线传感器网络在环境检测方面的应用，能够做到传统的系统无法完成的任务。对动植物的活动、生长环境进行检测，使其更好地进行生长发育；对生化和农业的监测，可以掌控其进度；还可以提前对森林火灾和洪水等灾难进行检测。

（三）对建筑结构方面的监测

无线传感器网络可以实时监控建筑物的情况，一旦发现建筑物的健康出现问题，可以及时解决，弥补了传统监控线路易老化、损坏和布线复杂的弊端，而且成本还很低廉。

（四）在医疗卫生方面的应用

无线传感器在医疗方面的应用，主要是让人随身佩戴相应的传感器节点，可通过人体的提问、肌肉收缩、体内电流的相关数据，对人体的健康状况进行非常直观的监测。目前有针对老年人设计的，监测老年人的身体状况的无线传感器的网络系统，可以除了对老年人的健康状况进行检测外，还可以做到在其发病时准确报告其地理位置和身体情况的功能。

（五）在智能交通方面的应用

无线传感器在交通监测方面的应用，将节点布置在主要街道附近，对声音、视频、温度等因素进行实时的监控，还可在车上放置相应的GPS全球定位设备的节点。在整个交通检测系统中，要将重点放在数据的安全传输。整合。网络的安全上面。

结束语

无线传感器网络系统虽然现在还没有在国内实现真正的普及开来，但是很多公司一直投入相当多的精力去研究，相信随着人们生活水平的不断提高、通信技术、网络技术的快速发展和通行成本的不断降低，在不久的将来可以实现无线传感器网络系统的登门入户。

参考文献

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（作者单位：北京航天试验技术研究所）