无线传感器网络的特点和应用

2019-12-01潘玉兰刘广聪

电子技术与软件工程 2019年4期

文/潘玉兰刘广聪

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一组传感器节点以自组织的方式构成的无线网络，这些传感器节点由处理器、存储器、接收器、感知单元、电池组成，使得传感器节点具有感知、计算和通信能力。因此无线传感器网络借助于网络中形式多样化的传感器协助地实时感知和采集周边环境中众多的信息，并对这些信息进行处理以使人们在任何时候、绝大多数地点和多种环境条件下获取大量详实而可靠的信息。

1 无线传感器网络的特点

相比于其他传统的无线通信网络，本章的无线传感器网络(WSN)有着其自身显著的特点，其主要特点如下所示。

1.1 大规模

在日常应用领域中，比如大面积森林防火监测，为了获取精确的森林监测信息，在森林监测区域会投入大量传感器节点，可能数量达到成千上万，甚至更多。传感器网络大规模分为两种：第一种就是在监测面积空间比较大的监测领域，需要部署大量的传感器节点；第二种就是在监测面积空间比较小的监测领域，需要密集部署传感器节点。

1.2 自组织性

在无线传感器网络中，通常传感器节点是随机放置在没有任何基础结构的地方，每一个传感器节点的位置事先是不清楚的，节点之间的邻居相互关系也是预先不知道的。例如使用飞机从天空随机抛洒出成千上万的传感器到大面积森林，或随机部署人为不可达或险恶监测区域，这就需要无线传感器节点具有自组织的能力，能够自动配置和管理。通常其实现的方法是通过网络协议和拓扑控制机制自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。

1.3 动态性

通常无线传感器网络的网络拓扑随着如下因素改变，比如由于传感器节点电能耗尽所造成传感器节点失效；由于其他新的传感器节点的加入；由于外界环境条件变化导致无线通信链路宽带变化等。这就需要无线传感器网络适应这样的随机变化，系统应该是具有动态可重构性。

1.4 可靠性

WSN特别适用于人工不宜到达或险恶区域，传感器节点通常是随机部署的，节点可能会暴露在环境中，会受到自然环境和人为、动物的破坏，为了能够精确监测环境，并提供实时有效的监测数据，这就需要传感器节点不易损坏，能更好适应恶劣环境。

2 无线传感器网络的关键技术

2.1 网络拓扑控制

在WSN中良好的网络拓扑结构能降低节点能耗进而延长网络生命周期，因此网络拓扑控制技术是WSN的关键技术之一。

2.2 网络路由技术

路由协议从影响单个节点能耗到直接影响整个网络生命周期，因此，路由协议成为WSN研究热点。文献[2]提出了利用遗传算法和概率转发的路由协议，提高了网络生存时间。

2.3 定位技术

WSN最基本的功能之一就是能够确定传感器节点所在的位置以及事件发生的具体位置，定位技术是WSN中最重要的技术之一，是值得研究的。文献[3]从无线摄像传感器网络中目标定位的角度，分析覆盖问题，提出一种方向定位传感模式。

2.4 时间同步技术

在WSN中，节点通常是协助共同完成任务的，所以时间同步显得很重要，成本高且能耗高的传统网络时间同步的方法不能适用在WSN中，因此，研究精确的时间同步算法也是研究热点。

3 无线传感器网络的主要应用

无线传感器网络作为当前信息领域中的研究热点之一，其能够在特殊环境下实现信息的采集、处理和发送。无线传感器网络是一种新型的数据采集、数据处理技术，其在现实生活中有着广泛的应用，主要应用在下面几个领域。

3.1 军事领域

在军事领域，由于无线传感器网络随机分布、部署密集的特点，使其能够更好地适应恶劣的战争环境。利用WSN可以实现入侵侦测和识别，从而达到军事目标跟踪和侦察的目的；利用WSN能够实时监测敌方区域内的兵力和装备、实时监控战场状况、定位目标、监测核攻击或者化学攻击等；同时利用WSN可以进行国土边境实时监控和国土安全实时监控，这足以说明WSN在军事领域上起到极大的作用。

3.2 环境监测

WSN在环境监测中不仅仅停留在人们常常关注的环境问题上的监测，其可以广泛用在各个方面环境上的监测，比如生态环境监测、生物群研究、洪水、气象和地理研究、火灾监测、辅助农业生产、基础设施状态监测等等，为各个方面环境监测实时提供数据，在野外地区或者不宜人工监测的险恶地区，我们的WSN就起到了重要作用。例如，在监测地震、泥石流、滑坡等自然灾害，WSN可以在无人工值守的情况下进行实时数据采集、处理、传输，为生态环境的研究和保护提供了实时的数据材料。

3.3 医疗健康

近几年来，WSN在医疗健康护理和医疗系统方面已经有很多的应用，例如，监测人体的各种生理数据，监控跟踪医院中医生和患者的行动，以及监测医院的药物管理等。给住院患者身上安装特殊用途的传感器，例如心率和血压监测设备，医生和护士就可以实时监控和了解到病人的病情，在发现紧急突发异常情况，可以迅速对病人进行抢救。当然安装在病人身上的传感器体积小，不会对病人造成什么影响。罗彻斯特大学的科学家利用无线传感器网络创建了“智能医疗房间”，通过使用微尘来测量居住者的重要特征(血压、脉搏和呼吸)、睡姿以及每天24小时的活动状态，将所收集的数据应用在将来的医疗研究上。通过无线传感器网络，使得医疗界的健康护理变得越来越简便，同时也提高了护理质量。

3.4 智能家居

智能家居是利用物联网技术将居住环境中的照明系统、空调系统、电冰箱系统、安防系统和其他家用电器等设备连接起来实现智能化和自动化管理。在家用电器中植入传感器节点，通过互联网技术和无线网络技术结合形成了智能家居远程控制，也可以实现远程监控。目前智能家居已经越来越流行，因为就在于它给人们的生活带来了极大便利，提高了人们的生活质量，这也得益于无线传感器网络技术的应用，才使得智能家居更智能化，更自动化。