探讨无线传感器网络技术的应用现状

2015-03-19唐研丰李成武

网络安全技术与应用 2015年9期

◆唐研丰李成李成武

0 引言

无线传感器网络间的节点之间分工合作，在网络分布区域对监测对象进行实时感知，通过数据的采集、存储、处理和传输四个过程将数据信息传送到指定地点，为用户及时提供真实、准确的信息，给人们的生活和工作带来了极大的便利。

1 无线传感器网络概述

无线传感器网络是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。在无线传感器网络中，以无线作为通信方式，可随时更改设备位置，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接，网络设置具有较高的灵活性。因此，无线传感器网络又被人们认为是一个通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。作为一种新型的传感网络，无线传感器网络的发展基础是片上系统、微机电系统、无线通信和低功耗嵌入式技术，此外，还有传感器技术、能量收集技术、嵌入式操作系统技术、多跳自组织网络的路由协议等关键性技术，在这些技术的影响下，无线传感器网络进步飞快。无线传感器网络系统由三个节点组成，即传感器节点、管理节点和汇聚节点，具有大规模、自组织、动态性、可靠性、集成化、以数据为中心的特点，采用协作方式执行任务，包括协作式采集、存储、处理及传输信息。与传统的传感器网络相比，无线传感器网络在以下几个方面表现出了突出的优势：无人值守；可以进行音频、图像、视频等多媒体信息的采集；可以感知到丰富的信息，实现细粒度、高精准的监控；在一般情况下，具有较强的方向性；等等。

2 无线传感器网络技术的应用现状

目前，无线传感器网络已经被广泛于环境监控、智能交通、军事、医疗卫生、建筑、农业等多个领域。除此之外，无线传感器网络还被应用到井矿、核电厂等危险的工作环境中，用以监测工作环境的安全性。同时，相关人员正在对无线传感器网络在工厂中的应用进行研究，主要是针对由无线传感器网络组成的监控系统进行测试，一旦成功，就可以实现对工厂运行过程的动态监控，及时发现工厂在运用过程中出现的问题，提高运行效益，并延长设备的使用寿命，降低检测设备的成本。

2.1 环境监控

随着社会经济的快速发展，人们所面临的环境问题也更加复杂，而在环境问题受到社会普遍关注的情况下，非常有必要采取先进的科学技术手段为解决环境问题提供帮助，无线传感器网络技术则为环境问题的解决做出了突出贡献。利用无线传感器网络采集更多的环境数据，为随机性的研究数据获取提供便利，还能够克服传统数据采集方式的弊端，避免给环境再次造成危害。无线传感器网络可通过传感器节点的部署，研究环境变化对农作物的影响，还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，监测出海洋、森林、大气、土壤、火山等各种自然环境的状况，为自然灾害的预防提供真实准确的数据。比如，英特尔研究实验室研究人员曾借此技术读出缅因州“大鸭岛”上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。

2.2 农业

无线传感器节点在农业中也得到了普遍应用，主要体现在以下几个方面：在大型气调冷藏库中，可以测量温度、湿度以及气体浓度等，为果蔬贮藏提供有利的环境，延长果蔬的贮藏时间，同时可以增强果蔬的保鲜效果：在温室环境里，可以测量温度、土壤湿度、光照等，从而得到相关数据，获得农作物生长的最佳条件，为农作物的生长创造更加适宜的环境；可以对牲畜家禽和农作物的生长状况进行长期监控，提高农业效益。此外，无线传感器在精细能农业中的应用也受到了相关人员的高度重视，比如，检测农作物中的害虫、判断土壤的酸碱性、施肥状况等。

2.3 军事

无线传感器网络的优点非常多，比如随机分布、密集型、抗毁、容错等，可以被应用到军事领域之中，在恶劣的战场环境中，可以用来监控兵力、物资、装备和侦察敌情，还可以对生物化学攻击进行判断，完成战场环境参数的监测等。比如自主反应控制，可以对武器实现自动化控制，传感器将根据提前设定的条件参数，作出自我判断控制。美国国防部远景计划研究局已经投资几千万美元，帮助大学进行“智能尘埃”传感器技术的研究。

2.4 医疗卫生

传感器节点的尺寸较小，可以对病人的血压和心率进行监测，及时、准确地向医生传递相关的数据，帮助医生了解病人的病情，在病人出现紧急情况的时候，可以采取紧急抢救措施。此外，还可以将传感器节点部署在人体内，提高了对人体心跳、血压和热能进行控制的准确性，实现自主反应，为解决人们的健康问题提供了更加便捷的途径，是未来医疗领域的发展方向。比如英特尔以无线传感器网络为基础，推出了家庭护理技术，这项技术是为了应对CAST的一个环节而开发的，主要是在家中的一些道具和设备中嵌入半导体传感器，为老龄人士、阿尔茨海默式病患者及残障人士提供生活帮助，减轻护理人员的负担。

2.5 建筑

无线通信方式使无线传感器节点间的数据传输方式，因此，可以在一些珍贵的古老建筑内部署传感器节点，这些传感器节点具备测量光照、温度、湿度和压力的功能，能够实现对古建筑的监测，为古建筑的保护工作作出突出贡献。此外，在装饰施工的过程中，针对智能家居，可以将传感器节点部署在空调系统和照明系统中，在探测到环境的变化信息之后，将此信息传输给家电控制系统，由家电控制系统对数据进行适当处理，再将控制信号发送给各种电器产品，为人们提供更加舒适的居住环境。

3 无线传感器网络展望

无线传感器以其特有的优势被广泛应用到多个领域当中，使各领域实现了飞跃性的发展，但无线传感器网络在某些方面仍然不完善的地方，只有这些问题得到解决，才能促进无线传感器网络的进一步发展。主要体现在以下三个方面：无线传感器缺乏统一的技术标准和系统架构，由于无线传感器的产品类型众多，在技术方面存在较大差异，许多通信方式和接口缺乏兼容性，导致无线传感器无法向产业化和标准化的进程发展，因此，要想进一步扩大无线传感器网络的应用范围，首先就要建立统一的技术标准和系统构架；无线传感器的节点耗能高，且当节点电能耗尽时就会失效，自动突出网络。因此，如何实现节能、提高节点的生命周期将成为接下来无线传感器网络研究的重点方向；无线传感器网络的节点通信范围较小，且容易受到微波干扰和自然环境的影响，网络稳定性较差，促进无线传感器网络的广泛应用需提高网络的稳定性。