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无线传感器网络——WSN(WirelessSensorNetwork)即是由大量传感器节
点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统,它能够实现数据的采集
量化、处理融合和传输。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要
素,无线传感网络综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技
术、分布式信息处理技术等先进技术。它能够协同地实时监测、感知和采集网络
覆盖区域中各种环境或监测对象的信息并对其进行处理,处理后的信息通过无线
方式发送,并以自组多跳的网络方式传送给观察者。具体的来讲,WSN兼具感测、
运算与网络的能力,通过传感器来侦测周围环境如温度、湿度、光照、气体浓度、
震动幅度等,并由无线网络将搜集到的信息传送给监控者,监控者解读报表信息
后便可掌握现场状况进而维护和调整相关系统。
无线传感器网络系统通常由全功能设备节点、精简功能设备节点、协调节点
和路由节点组成。大量的微型传感器节点分布在监测区域的内部或附近,并且能
够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测到的数据沿着其他传感器节点逐步
跳跃地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由
到汇聚节点,最后通过互联网络到达管理节点。具体的来说无线传感网络可以分
为两个组成部分:传感器节点和传感器网络。
无线传感器网络是由传感器网络节点构成的,应用和监测物理信号的不同决
定了传感器的类型,从而节点的功能和性能也不尽相同。无线传感器网络节点一
般由传感器模块、处理器模块、无线通讯模块和能量供应模块4个模块单元组成,
如图1所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负
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;能量供应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。
传感器节点在无线传感网络中可以作为数据采集者、数据中转站或者是簇头节
点。作为数据采集者,数据采集节点收集周围环境的数据,通过通信路由协议直
接或间接将数据传输给远方基站或Sink节点;作为数据中转站,节点除了完成
数据采集任务外,还要接收邻居节点的数据,将其转发给距离基站更近的邻居节
点或者直接转发到基站或Sink节点;作为簇头节点,节点负责收集该簇内所有
节点采集的数据,经数据融合后,发送到基站或Sink节点。
传感器模块处理器模块无线通讯模块
能量供应模块
图1传感器节点结构图
无线传感网络系统结构的一般形式如图2所示[10],一个典型的传感器网络的
体系结构主要包括传感器节点、Sink节点、互联网和用户界面等。无线传感器
网络的拓扑结构有3种:星状网、网状网和混合网,每种拓扑结构都有各自的优
缺点。在传感器网络中,传感器节点通过飞机撒播、人工布置等方式大量部署在
感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线传感网络以协作的方
式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息,系统可以实现对任意地点信息
在任意时间的采集、处理和分析并以多跳中继方式将数据传回Sink节点(汇聚
节点)。Sink节点的发射能力较强,具有较高的电能可以将整个区域内的数据通
过传感器网络网关和数据传输网络传送到远程控制中心进行集中处理。
图2传感器网络结构图
无线传感网络具有无需固定设备支撑的特点,可以快速部署同时具有易于组
网、不受有线网络的约束,使其适合应用于难以使用传统有线通信机制的恶劣环
境,比如一些危险的工业环境如煤矿、核电厂等,工作人员可以通过它来实施实
时、高效的安全监测;同时无线传感器可以避免传统数据收集方式给环境带来的
侵入式破坏,因此可以被应用于水资源、大气等环境检测;随着无线终端设备的
广泛使用,无线传感网络利用无线通信技术高效的进行异构传感网络互连,数据
处理和融合,可被广泛的应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、
建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车问和仓库管理,
以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。下面就几个主要的应用方面进行详
细说明:
军事领域
因为传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的,自组织性和
容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃。美
国国防部远景计划研究局已投资几千万美元,帮助大学进行“智能尘埃”传感器
技术的研发。在军事应用中,与独立的卫星和地面雷达系统相比,传感器网络具
有高信噪比、强抗毁性和高容错力等优点。
环境监测
随着人们对环境的日益关注,环境科学所涉及的范围越来越广泛。通过传统
的方式采集原始数据是一件很困难的工作,无线传感器网络为野外随机性的数据
获取提供了方便。比如,跟踪候鸟和昆虫的迁移,研究环境变化对农作物的影响,
监测海洋、大气和土壤的成分等。ALERT系统中就有数种传感器来监测降雨量、
河水水位和土壤水分,并依此预测爆发山洪的可能性。类似地,无线传感器网络
对森林火灾准确、及时地预报也应该是有帮助的。此外,无线传感器网络也可以
应用在精细农业中,以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。
智能家居
家居无线监控问题是当今国际建筑智能化领域的前沿性研究课题。无线传感
网络的出现克服了家庭中布线的烦琐,充分体现了智能家居系统的灵活、方便和
高效。利用无线传感网络的远程监控系统可完成对家电的远程遥控,可以在到家
前就打开空调,开门就可以享受适宜的室温,也可以遥控电饭锅、微波炉、电冰
箱、电话机、电视机、录像机、电脑等家电,按照自己的意愿完成相应的煮饭、
烧菜、查收电话留言、选择录制电视和电台节目以及下载网上资料到电脑中等工
作。另外,整个家居监控系统还能够对三表(水表、电表、燃气表)进行无线抄
表,最重要的是它可监测来自家庭安防传感器(火警、煤气泄露)的数据,以备
物业等部门监控。
医疗护理
无线传感网络在区疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学
家使用无线传感器创建了一个智能医疗房问,使用微尘来测量居住者的重要征兆
(血、压、脉搏和呼吸)、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也
推出了无线传感网络的家庭护理技术。该系统利用无线通信将各传感器联网可高
效传递必要的信息从而方便的接受护理。
其他应用
在煤矿应用中,将围绕在煤矿环境中的特定条件,结合无线传感网络在井下
应用的特性,研究基于无线传感网络技术的低成本、分布式煤矿安全监测网络系
统关键技术。该系统具有自组织、多跳式通信组网功能和在布网组网中的高度灵
活性,可望解决井下无线通信距离有限这一瓶颈。同时,在核电厂、长距离的输
送管线和工业流水生产线等场合也需要用到类似的监测网络。相信随着无线传感
网络技术的进一步深入发展,它也会得到越来越广泛的应用。