丁革媛1,，李振江2,，李詩(shī)涵3
（1．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 化工過(guò)程自動(dòng)化學(xué)院,，遼寧 遼陽(yáng) 111003,；2．中國(guó)石油遼陽(yáng)石化公司動(dòng)力廠，遼寧 遼陽(yáng) 111003；3．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院,，遼寧 沈陽(yáng) 110870）
摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也以前所未有的速度迅速拓展。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）具有覆蓋區(qū)域廣泛,、檢測(cè)精度高,、可以遠(yuǎn)程監(jiān)控和高容錯(cuò)性等優(yōu)點(diǎn)，使其在軍事,、工業(yè),、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù),、醫(yī)療系統(tǒng),、智能交通等各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。雖然無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景非常廣泛,，但仍存在很多技術(shù)問(wèn)題需要解決,，包括最大限度減少傳感節(jié)點(diǎn)的功耗，以及如何有效提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量,、減少碰撞阻塞等,。為了有效解決以上技術(shù)難題，通過(guò)對(duì)MSN的體系結(jié)構(gòu)以及具體應(yīng)用領(lǐng)域的研究,，提出了解決辦法,。
0引言
通信技術(shù),、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展,，使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks,WSN）由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,，是通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),，其目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息,，并發(fā)送給觀察者,。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要涉及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù),、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),、分布式處理技術(shù)、嵌入式技術(shù)等多種技術(shù),，是涉及多學(xué)科,、跨領(lǐng)域的交叉技術(shù),，表現(xiàn)出信息時(shí)代知識(shí)密度大、學(xué)科交叉領(lǐng)域?qū)挼忍卣鳎?］,。
傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展經(jīng)歷了傳感器,、無(wú)線傳感器、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三個(gè)階段,。在傳感器階段,，最早的應(yīng)用是在越南戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期。當(dāng)時(shí)美國(guó)軍隊(duì)使用傳感器系統(tǒng),，使越軍受到沉重打擊,。無(wú)線傳感器的發(fā)展是在20世紀(jì)80年代至90年代之間，主要設(shè)備是美國(guó)研制的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),、遠(yuǎn)程戰(zhàn)場(chǎng)傳感器系統(tǒng)等,，該系統(tǒng)具備感知能力、計(jì)算能力和通信能力,。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)階段始于21世紀(jì)初,，發(fā)展到目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用,。其最突出的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)傳輸可以實(shí)現(xiàn)自組織方式,，加上低功耗特性，更進(jìn)一步推動(dòng)了它的應(yīng)用進(jìn)程［2］,。
1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)包括無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn),、匯聚節(jié)點(diǎn)、外部網(wǎng)絡(luò)以及任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)和用戶等幾個(gè)組成部分,，如圖1所示,。
由圖1可以看出，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器按一定規(guī)律部署在目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域,，通過(guò)無(wú)線多跳方式形成網(wǎng)絡(luò),，負(fù)責(zé)本地信息收集、數(shù)據(jù)處理任務(wù),，同時(shí)還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合,。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)傳感器測(cè)量得到的數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^(guò)程中可能經(jīng)過(guò)其他傳感器節(jié)點(diǎn),，因此，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)還可以由其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)操作和處理,。測(cè)量到的數(shù)據(jù)到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn),，最終可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)等傳送至遠(yuǎn)程任務(wù)管理節(jié)點(diǎn),，再提供給用戶進(jìn)行收集［3］,。
設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí),，對(duì)于其體系結(jié)構(gòu)，要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面,。
(1)有效利用節(jié)點(diǎn)資源,。由于低成本微型傳感器節(jié)點(diǎn)的資源有限，如何有效地管理和使用這些資源并最大限度地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命,，是WSN面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,。常用的方法有下面幾種：
①選擇低功耗的硬件設(shè)備,，設(shè)計(jì)低功耗的MAC協(xié)議和路由協(xié)議,；
②各功能模塊間保持必要的同步,，即同步休眠與喚醒,，有效降低設(shè)備功耗；
?、墼O(shè)計(jì)能耗均衡的路由協(xié)議,，避免因?yàn)樽非蟮凸亩鲆曄到y(tǒng)的分層設(shè)計(jì)。
(2)支持在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部完成數(shù)據(jù)處理功能,。傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心,，而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以傳輸數(shù)據(jù)為目的。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不實(shí)現(xiàn)任何與分組內(nèi)容相關(guān)的功能,，只是簡(jiǎn)單地用存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)發(fā)的模式為用戶傳送分組,。而WSN僅僅實(shí)現(xiàn)分組和傳輸功能是不夠的，有時(shí)特別需要在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的聚合,、壓縮或過(guò)濾等操作,，同時(shí)減少分組傳輸，才能有效控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧髁?，保證網(wǎng)絡(luò)暢通,。
(3)保障網(wǎng)絡(luò)的安全性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用無(wú)線方式進(jìn)行通信,，因此網(wǎng)絡(luò)信道沒(méi)有必要的物理屏蔽,，容易受到外部黑客等的惡意攻擊。所以對(duì)于WSN,，要加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全考慮,，提供可靠的安全保護(hù)措施，保障網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性［4］,。
可以看出WSN綜合了傳感器,、嵌入式計(jì)算、分布式信息處理,、無(wú)線通信等技術(shù),，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),、感知、采集網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息,，并通過(guò)系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理,，以便進(jìn)一步獲取更詳盡準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，傳送給需要這些數(shù)據(jù)信息的用戶,。它具有以下突出特點(diǎn)：
(1)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大,。工作時(shí)，為使獲取的信息更準(zhǔn)確,，往往需要在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置大量傳感器節(jié)點(diǎn),。除此之外，WSN也可以建立在面積較大的地理空間范圍內(nèi),，通過(guò)緊密布置,、功能各異的傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳送，還能有效減少檢測(cè)空洞或盲區(qū),。
(2)自組織性,。具有較好的自組織能力是WSN能夠廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。當(dāng)被監(jiān)測(cè)的區(qū)域處于人力難以到達(dá),，或者是比較危險(xiǎn)的區(qū)域時(shí),，就需要傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)揮其自組織能力，通過(guò)系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置和管理,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和通信等功能,。
(3)低功耗。一般傳感器節(jié)點(diǎn)都是利用電池進(jìn)行供電,，為確保其能夠長(zhǎng)時(shí)間地使用,，要求各節(jié)點(diǎn)的功耗要盡可能降低，這樣才能有效地保證傳感器的工作時(shí)效和使用壽命,。
(4)高可靠性,。在正常情況下，WSN的傳感器都是直接暴露在其地理環(huán)境中,，很容易遭到破壞,。所以，當(dāng)WSN需要建立在比較惡劣的復(fù)雜環(huán)境時(shí),，要求傳感器必須具有較高的可靠性,，才能保證在復(fù)雜環(huán)境中依然能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)裙δ埽?］,。
2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用目前已經(jīng)擴(kuò)展到很多領(lǐng)域，主要包括農(nóng)業(yè),、軍事,、環(huán)境及土壤監(jiān)測(cè),、智能家居、健康護(hù)理,、智能交通,、機(jī)械制造流程監(jiān)控、空間探索以及機(jī)場(chǎng),、火車站的安全監(jiān)測(cè)等,。
(1)在軍事相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用
利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)敵我雙方戰(zhàn)場(chǎng)的監(jiān)視、尋找敵方目標(biāo)并進(jìn)行定位等功能,，而且在攻擊范圍,、目標(biāo)搜索和監(jiān)視等功能領(lǐng)域的應(yīng)用已得到很好的驗(yàn)證。在這些應(yīng)用中,，通過(guò)相關(guān)的生物傳感器,，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出生化武器的化學(xué)成分，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將檢測(cè)信息及時(shí)傳送給指揮系統(tǒng),，幫助指揮人員制定做戰(zhàn)計(jì)劃,。
(2)在自然環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
在自然環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，WSN可以發(fā)揮更大的作用,。利用WSN能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的灌溉,、空氣的溫度和濕度、家禽的生長(zhǎng)環(huán)境,、遷移時(shí)間及距離,、家畜的生長(zhǎng)環(huán)境及生長(zhǎng)規(guī)律、地球表面大面積的監(jiān)測(cè)等,。此外,，WSN還能夠應(yīng)用在氣象研究、行星探測(cè),、洪水易發(fā)地域特殊監(jiān)測(cè)等,。基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),，可以通過(guò)數(shù)量繁多,、功能各異的多種傳感器監(jiān)測(cè)一個(gè)地區(qū)的河水水位、夏季的降雨量以及土壤溫度和濕度的變化情況,，利用這些數(shù)據(jù)作為自然環(huán)境生態(tài)描述,、山洪爆發(fā)等的參考數(shù)據(jù)。
(3)在醫(yī)療和健康護(hù)理中的應(yīng)用
在醫(yī)療和保健系統(tǒng),，可以通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控病患的病情,。例如將具有心跳速率和血壓監(jiān)測(cè)功能的設(shè)備佩戴到病患胳膊上，醫(yī)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)患者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,，當(dāng)患者出現(xiàn)異常情況時(shí),，可以隨時(shí)掌握病人的病情迅速出救,。
(4)在信息家電設(shè)備中的應(yīng)用
通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立的智能家居系統(tǒng)，可以通過(guò)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)遙控器,，對(duì)家居中的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,。(5)在建筑物狀態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用
任何一個(gè)建筑都有它的生命周期，可以通過(guò)WSN對(duì)城市中的所有建筑物的存在狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測(cè),，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器獲得建筑物的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息,，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患，保障建筑物處于安全狀態(tài),。如果用傳統(tǒng)方法進(jìn)行建筑物狀態(tài)監(jiān)控往往需要使建筑物封閉幾個(gè)月,，而用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控，就可以實(shí)時(shí)報(bào)告建筑物的相關(guān)信息給管理部門,，同時(shí)還能夠按照系統(tǒng)設(shè)置的程序選擇合適的方案進(jìn)行修復(fù)操作,。WSN在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用使得建筑物具有智能控制系統(tǒng)［6］。
(6)在空間探索中的應(yīng)用
用航天器在外星體上撒播一些傳感器節(jié)點(diǎn),，可用于探索外星體表面,。通過(guò)這種方式，傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以互相通信,，還可以與地面站通信,。 NASA的JPL實(shí)驗(yàn)室的傳感器網(wǎng)目前正在研究用于火星探測(cè)技術(shù)的項(xiàng)目。
3結(jié)論
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋區(qū)域廣,、檢測(cè)精度高,、可以遠(yuǎn)程監(jiān)控、可自組織和高容錯(cuò)性等優(yōu)點(diǎn),，再加上其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大,、低功耗、高可靠性等特點(diǎn),，使得其在工業(yè),、農(nóng)業(yè)、軍事,、環(huán)境保護(hù),、智能交通等各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。雖然無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景非常廣泛,，但也存在很多技術(shù)上的難題沒(méi)有得到有效解決,，其中最主要的便是如何最大限度地減少傳感節(jié)點(diǎn)的功耗問(wèn)題。隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的進(jìn)步,，可以通過(guò)聯(lián)合路由協(xié)議和MAC協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn),。另外，如何有效提高WSN系統(tǒng)容量、減少碰撞和阻塞也是急需解決的問(wèn)題,。目前,，可以考慮更多地使用并行傳輸技術(shù)，這樣可以有效提高中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸能力,，有效提高網(wǎng)絡(luò)容量，減少阻塞［7］,。
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