基于网络技术的无线传感器应用分析

张诚，蔺国民

（西京学院 机械工程学院，陕西 西安 710123）

0 引 言

无线传感器网络技术已成为当今最具影响的技术之一，其应用涉及军事、医疗、工业、农业、环境等领域。无线传感器本身具有耗电少、价格低、耐受能力强等优点，利用无线网络技术形成的自组织网络，实现了数据的采集、处理、传输等功能，推动了新型科技的研发与建立。因此，基于网络技术的无线传感器更加成熟稳定，将在各领域得到广泛应用。

1 WSN 的组成与工作原理

无线传感器网络技术是由若干个传感节点分散在不同的监测区域中，节点利用无线通信技术，创建一个多跳的自组织网络体系，将收集到的信息进行处理并展示在监测区域中，以对其进行针对性处理的技术。WSN 包括大量的汇聚节点、传感节点、管理节点等，以一种相对独特且跳跃的形式把数据上传到传感器节点中，节点采集到需要监测的数据，这些数据是由大量的节点收集与传递而成的，利用具有感知、计算与通信能力的智能物体获取信息。若发现相关节点，则会凭借着自身的结构功能将其上传到信息中心，信息中心对相关数据进行处理。一般来看，将传感器节点看成微小系统，这一类传感器节点通常会分散在监控地域的不同区域，形成一个网络集合。传感器节点功能相同，类似于路由器与终端的功能，传感器节点需要在监测感应区域收集与处理数据，在四周节点发送相关数据的同时，可进行数据的转发、存储、融合等，对具备特殊功能的任务，则需要通过若干个节点协同处理形成汇聚节点，汇聚节点能将信息输送到传感器节点，然后连接到传输网络，通过传输网络完成传感器与管理节点之间的信息传输，达到高效传递数据的目的。管理节点具有后台监测的功能，主要以PC 平台为介质，在外部网络发挥中介功能的情况下，能够对协议栈之间的信息进行监测与传递，也可对其他节点收集到的信息或数据等进行探测与传递，在理想界面配置的基础上对传感器中所有运行状态实施管理，提高其运行效率，达到最理想的效果，最终将收集到的信息传递给用户。WSN 框架如图1所示。

图1 WSN 框架

2 无线传感器网络技术的实际应用

WSN 具有应用广、动态性、可靠性、多跳路由等优点，因此无线传感器广泛地应用于军事、医学健康、减灾环保、农业、智能家居等领域，本文就无线网络技术在以上实际应用进行分析，最大化挖掘其潜能。

2.1 在军事领域的应用

无线传感器网络技术具有隐蔽性强、精确定位、自组织以及准确性高，是现代军事领域中最具有发展前景的新型技术。利用这项技术有利于提升获取信息的主动权，有利于促进国防安全，是21世纪国防科技的核心技术。正因为WSN独特的优点，适合在战场上进行目标识别、目标定位、目标跟踪，发挥精准的定位功能，对某一个相对位置进行功能界定，能够通过传感器所收集到的数据来精准评测敌人的方位，定位精度可达5 m，位延迟达2 s，该技术有力地推动了我国军事技术的发展。

目标定位常用方法有RSSI、TOA、TDOA、AOA、质心算法、DV-hop 算法等，相比之下，RSSI 技术所用的是RF 信号，且节点自身就有无线通信的优势，故而详细阐述RSSI 技术。

RSSI 技术接收信号强度与距离的关系：

式中为接收信号强度（单位dBm），为参考信号强度，为参考信号强度对应的传输距离（单位m），为物体的实际距离，为路径损耗指数。一般来说（=1 m），则式（1）优化为：

计算可得：

实际测量中存在噪声干扰，则将式（1）修正为：

式中为测量噪声，Δ为非视环境下的路径指数。计算得出：

长期以来，航空研究是人类一直坚持的一个梦想，而无线传感器网络技术在航空领域具有重大突破，飞机表面与内部安装大量的雷达系统和多种传感器，这些设备存在电磁干扰和信号干扰，因此很多杂谐波信号不可避免，这样就会一定程度导致飞机设备的有效信号和杂谐波信号出现交叉混乱现象。在高空中存在暴雨、雷电、大雾等不可控的气候环境影响因素，尤其是在复杂电磁环境，受磁场影响较大，易使机载设备信号失真，严重时威胁人员的生命安全。WSN 可在复杂环境因素和电磁环境中持续稳定的传输，以保证飞机安全。另外，利用太空飞行器能很好地创设传感器网络节点，进行长期监测，具有较强的可行性。我国明确规定民航飞机在同一高度面上飞行间隔不得小于20 km，本文设置了9 900 m、10 500 m、12 000 m 三种不同高度的飞机位置，对满足条件的飞机进行筛选，飞机三维分布图如图2所示。对该技术的使用具有代表性的是美国Gogo 公司，在美国拥有超过100 个基站。Gogo 公司使用的ATG 网络是蜂窝无线网络，使用的系统为ATG-4，是在原本ATG 系统的基础上的改版，下载总流量由3.1 Mbit/s 提升到9.8 Mbit/s，定位则十分精确。可见，传感器网络技术在其中发挥的作用非常重要。

图2 飞机三维分布图

2.2 在医学健康领域的应用

无线传感器具有连续监测，快速采集信息，及时将信息通过互联网传递给用户的优势，将该技术运用在医学领域中，可用于疾病诊断、健康监测、身体检测等方面。能够对身体功能进行检测，借助计算机进行病情分析、诊断病情并给出治疗方案。不仅能对患者的身体功能进行检测，也能够对运动员的身体健康情况进行评测，比如用传感器能够检测呼吸频率、心跳频率等，依此来综合判断运动员的身体素质，网络技术在医疗上的应用如图3所示。在2020年1月31日，华为与中国电信联手完成了武汉火神山首个“远程会诊平台”的网络调试与铺设，远程医疗能够极大提升会诊效率，又可以有效减少医护人员的数量，并降低了交叉感染的风险。将该技术运用于疫情防控中，取得了显著的成效，该技术催生出远程实时会诊、无线监护、远程机器人检查等新的应用场景，极大地改变了未来的就医形式。浙江省自然科学基金项目上明确指出在无线传感器网络技术的基础上，实现了一种DPMCA 算法，可有效解决LEACH 算法在医学中出现的精度低、动态性差、数据丢包的一系列难题，网络存活率也提高3 倍左右，从而提高了数据传输的可靠性。因此，在医学事业发展中，无线传感器网络技术发挥着至关重要的作用。

图3 网络技术在医疗上的应用

2.3 在减灾环保领域中的应用

目前世界各国自然灾害频繁且危害巨大，各国都希望能够研发出一个精准的预警系统，其中无线传感器在这一类设备应用非常显著，能够在地震灾害中对一些求救信号进行精准捕捉，也能够对山体滑坡、泥石流、火山等进行提前预警，从而达到减灾的作用。

无线传感器网络技术具备较强的稳定性与安全性，能够突破传统监测技术的限制，真正满足工业环境监测需求，并且整个操作过程简洁方便。工业环境监测必须要覆盖到整个生态环境系统中，像空气、水、放射性物质、电磁辐射等日常环境监测以及一些比较特殊的环境监测任务像沙漠、高山等具有放射源的功能性监测，以上环境具备较强的特殊性，对传感器的综合性能要求非常高。华为工厂在环境监测方面做得比较好，洁净室共两层，总高度12 m，每层面积500 m×500 m，共设置30 个TVOC 无线气体传感器，通过网络技术将采集到的数据上传到传感器模块中进行数据分析，最后在上机位上显示。无线传感器环境监测系统如图4所示。

图4 无线传感器环境监测系统

2.4 在农业领域中的应用

无线传感器网络技术具有高效性、稳定性、智能性等特点，这让WSN 特别适用于农业监测与管控。深圳清华研究院早年就应用该项技术监测农业大棚，分别在4 间温室大棚中，设置距离监控PC 较远的触摸屏和显示相关监控数据的LED 屏，观察每间大棚的土壤湿度、光照强度与二氧化碳浓度等成分，该项技术为我国农业发展带来显著的成果。在农业领域提出LoRa 远程温室监测系统，克服了传统温室监测网络覆盖面积小、成本高、安装复杂等问题。在测试中，将LoRa 网关置于温室大棚外，LoRa 采集节点置于大棚内，通过移动LoRa 网关测试距离，距离选择1.5 km 内，传输速率1.3 kbps，天线增益3 dB，发射功率13 dBm，在同一测量距离发射800 个数据包，且数据包大小都为9 字节，最后得出丢包率与距离之间的关系如图5所示。在距离小于1 km 时，网络丢包率小于10%，在400 m 以下丢包率为0，能够实现精确且远距离数据采集。

图5 传输距离和丢包率

3 发展前景及应用趋势

目前在各个行业的研究中，关于传感器网络技术的应用已成为一个重要课题，研究重点在探讨传感器节点、低功耗设计等研究领域。英国伦敦大学、美国芝加哥大学、哈佛大学等相继在传感器网络技术研发方面开展了深入性、长期性地研究，且获得了斐然的成绩。我国则是借助无线传感器网络技术，来分析身体健康及各类自然灾难的预警。整体来看，无线传感器网络技术未来的发展趋势有以下5 个方面。

（1）节点微型化。如果能够将无线传感器的体积变得更加微小，并逐步增强其耐用性，则是现今大部分学者需要思考及攻克的一个重要难关。芝加哥大学在研发尘埃传感器的过程中，则在这方面得到明显地突破，设计出一个能够自动飘浮在空气中的无线传感器，能够将空气中与环境相关的一些数据精准地收集起来，并对其进行分析。

（2）系统节能化。长期以来，节能减排、绿色低碳是世界各国遵循环保事业发展的一个重要原则。但是在无线传感器网络技术的应用过程中，一般需要耗用一定功率的能源方可达到相关目的，对此，该如何最大化地降低其功耗，则是目前各国实验技术人员需要解决与攻克的一个重要难关。

（3）成本低廉化。设计一个新技术或新产品的过程中，通常需要借助若干个节点协调、传递与处理。但对于大量的传感器节点来说，投入成本更高，可确保其状态能够正常运行。成本对促进无线传感器网络技术的广泛应用发挥着非常重要的积极作用，低成本投入必将大力促进相关产业的可持续发展。

（4）信息安全化。目前由于网络信息技术不断发展，整个社会面临着信息公开化的新变化。在处理传感器信息之后，对其实施加密管理非常重要，否则会带来安全隐患，导致一些重要信息泄漏。另外，对于传感器的信息整合而言，整个过程中需要避免其他外界信号的干扰，方可避免其转化成不精准的信息，这也是未来发展重要研究方向之一。

（5）节点智能化。节点的智能化配置是目前一个重要研究课题，其目的是如何将大量节点设计成一个网络，同时使其遵循特定的运行规律。当其中一个节点出现故障或异常，能够第一时间发现，然后通过其他节点取代，以确保整个网络系统的正常运行，避免微小的故障而对整个系统造成不利影响。

4 结 论

基于网络技术的无线传感器规模大、应用广、可动态变化，可实现数据的完整性、新鲜性、机密性，因此在各行各业都拥有广阔的前景。但是对于这一技术的应用来说，信息的安全性、稳定性要求是非常苛刻的，必须要提供一个具备良好人机互动界面的WSN 监控平台。本文主要讨论了WSN的组成特点和目前的应用领域，无线网络技术正朝着高精度、低功耗、小型化、智能化、数字化方向发展。相关的关键技术也会随着应用领域的不同而有所差别，这些技术也是未来工程师和技术人员需要努力的方向。