无线传感器网络及应用研究

摘要：随着微电子技术、计算机技术、无线通信和传感器技术的飞速发展和日益成熟，无线传感器网络得到迅速发展。无线传感器网络能实时监测、感知、采集和处理各种监测对象信息，已经成为了科学研究领域最前沿的课题之一。文章主要介绍了无线传感器网络的概念、结构、特点及其在一些领域的应用，并展望了无线传感器网络未来发展。
关键词：无线传感器网络(WSN)；传感器节点；自组织；应用

    微电子技术、计算机技术、无线通信和传感器技术的飞速发展和日益成熟，推动了低成本、低功耗无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)的发展。无线传感器网络研究具有很广泛的应用前景：军事侦察、环境科学、医疗卫生、工业自动化、商业应用等。传感器网络的研究是很有必要的。这里主要介绍无线传感器网络的概念、结构、特点，及在一些领域的应用情况，并对无线传感器网络未来的发展情况进行了展望。

1 无线传感器网络
    无线传感器网络是一组传感器以Ad hoc方式组成的有线或者无线网络，其目的是协作地感知、收集和处理传感器网络所覆盖地理区域中感知对象的信息，并传递给观察者。这种传感器网络集中了传感器技术、嵌入式计算机技术和无线通信技术，能协作地感知、监测和收集各种环境下所感知对象的信息，通过对这些信息的协作式信息处理，获得感知对象的准确信息，然后通过Ad hoc方式传送给需要这些信息的用户。

2 WSN的主要特点
    作为一种新型网络，相比传统的无线网络，无线传感器网络具有如下特点：
    1)大面积的空间分布 比如在军事应用方面，可以将无线传感器网络部署在战场上跟踪敌人的军事行动，智能化的终端可以被大量装在宣传品、子弹或炮弹壳中，在目标地点撤落下去，形成大面积的监视网络。
    2)能源受限制 网络中每个节点的电源是有限的，网络大多工作在无人区或者对人体有伤害的恶劣环境中，几乎不可能更换电源，这要求网络功耗小，以延长网络的寿命。而且要尽最可能节省电源消耗。
    3)网络自动配置，自动识别节点 包括自动组网、对入网的终端进行身份验证泐止非法用户入侵。相对于那些布置在预先指定地点的传感器网络而言，无线传感器网络可以借鉴Ad hoc方式来配置，当然前提是要有一套合适的通信协议保证网络在无人干预的情况下自动运行。
    4)网络的自动管理和高度协作性 在无线传感器网络中，数据处理由节点自身完成，以数据为中心的特性是无线传感器网络的又一特点。每个节点仅知道自己邻近节点的位置和标识，传感器网络通过相邻节点之间的相互协作来进行信号处理和通信，具有很强的协作性。
    5)传感器网络的拓扑结构变化快 传感器网络自身的特点使得传感器网络的拓扑结构变化很快，这对网络各种算法的有效性提出了挑战。此外，如果节点具备移动能力，也有可能带来网络的拓扑变化。

3 WSN节点的结构
    传感器节点一般由传感、数据处理、无线通信和供电等4个模块组成，如图l所示。

    传感模块包括传感器和模数转换模块，负责检测区域内信息的采集和数据转换；数据处理模块由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等，负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据：无线通信模块由网络、MAC、收发器等组成，负责与其他传感器节点进行无线通信、交换控制信息和收发采集数据：供电模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。

4 WSN的应用领域
    1)军事应用 WSN具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合在军事上应用。利用WSN能够实现对敌军兵力和装备的监控、战场的实时监视、目标定位、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。通过飞机或炮弹直接将传感器节点播撒到敌方阵地，就能够非常隐蔽且准确地收集战场信息。
    2)农业及环境应用 无线传感器网络的农业及环境应用包括：对影响农作物的环境条件的监控(精细农业监控)，对鸟类、昆虫等小动物运动进行追踪，海洋、土壤、大气成分的探测，森林防火监测，污染监控。降雨量监测，河水水位监测，洪水监测等。
    3)医疗护理 随着室内网络普遍化，无线传感器网络在医疗研究、护理领域也大展身手。主要的应用包括远程健康管理、重症病人或老龄人看护、生活支持设备、病理数据实时采集与管理、紧急救护等。
    4)智能家居 智能家居系统的设计目标是将住宅中各种家居设备联系起来，使它们能够自动运行，相互协作，为居住者提供尽可能多的便利和舒适。在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Intemet连接在一起，将为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。利用远程监控系统，可完成对家电的远程遥控。
    5)智能交通应用 智能交通监测系统采用声音、图像、视频、温度、湿度等传感器，节点部署于十字路口周围，部署于车辆上的节点还包括GPS全球定位设备。汇聚节点可以安装在路边立柱、横杠等交通设施上，网关节点可以集成在交叉路口的交通信号控制器内，专用传感器终端节点可以填埋在路面下或者安装在路边，道路上的运动车辆也可以安装传感器节点动态加入传感器网络。通过信号控制器的专有网络，将所采集到的数据发送到交管中心作进一步处理。

5 结束语
    无线传感器网络发展非常迅速，在世界许多国家的军事、工业和学术领域引起广泛关注，已成为国际上无线网络研究的热点之一。从国外的研究现状来看，大部分无线传感器网络的研究仍处于理论研究和小规模试验阶段，距离实际应用尚存在一定距离。我国的无线传感器网络的研究仍处于起步阶段。不论在理论研究还是商用领域，无线传感器网络的研究、开发均存在巨大的空间，具有巨大的研究和应用前景。