无线传感器网络技术特点与运用

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无线传感器网络是由大量分布广泛的、能够进行简单计算的微小传感器节点，以无线通讯的方式，同时能够自行组织起网络的系统，是能够在不断变化的环境中自主完成指定任务的智能系统。随着无线通信、嵌入式计算技术、传感器技术、微机电技术的不断发展，无线传感器网络改变了人类与自然界的交互方式，在军事、环境监测、空间探索、反恐防暴、灾难援救、医疗卫生、智能家居等方面展现出了巨大的应用价值。

1无线传感器网络的结构

1.1网络结构。无线传感器网络通常由传感器节点、汇集节点和管理节点组成。通过在需要监测的区域内散布大量传感器来探测温度、湿度、压力、光照强度、介质浓度等环境数据，并且每个传感器之间以自组织的形式拓展成网络。传感器将探测到的环境数据以特定的方式汇集到某个节点或多个节点，最终所有数据都经过卫星、互联网或者移动通信网络传送给管理节点。1.2节点结构。传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如下图所示。传感器模块的功能是监测区域内的信息，将信息进行采集并转换成特定格式的数据；处理器模块的功能是处理好相关数据的采集和存储，包括自身采集的数据和其他节点传来的数据；无线通信模块的功能是与其他传感器节点进行无线通信，交换信息和数据；能量供应模块的功能是为传感器节点供能，而供能介质通常采用微型电池。

2无线传感器网络的特点

2.1分布式和网络自组。在无线传感器网络中并没有原先设置中心节点，所有的节点都拥有相同的权限，各节点之间都是通过分布式算法来协调，可以在无人操作的情况下自动将所有节点组织到一起，自动地进行网络配置和管理，通过相应的协议和算法自动形成一个具有收发大量环境数据的无线网络。为了应对环境的复杂性，无线传感器网络可以随时加入或者切除一部分节点，网络不会因此而失效或者崩溃。2.2规模大密度高。无线传感器网络通常由成千上万个传感器节点组成，覆盖区域大，节点密集，以尽可能获得更为精确、完整的数据，如森林火灾监护和环境监测等。同时，也正因为无线传感器网络的规模大，密度高，网络中存在大量的冗余节点，从而使得能够从不同的角度获得尽可能多的数据，挺高了监测的精度，也降低了对单个传感器节点的精度要求，所以无线传感器网络的造价相对便宜。2.3网络拓扑动态变化。无线传感器网络的拓扑结构通常是不断变化的，节点的移动、故障，节点能源的耗尽，新节点的加入，无线信道的不稳定等都有可能造成网络拓扑结构的变化，变化的时间点和方式都很难预测。这就要求无线传感器网络具有自组织和动态调整的能力，可通过各种组网技术，对各节点进行动态的管理，最大程度的利用节点资源。2.4以数据为中心。无线传感器网络通常是为了完成某些任务为创建的。用户关心的是监测区域内的信息，而不是某个传感器节点上的数据。用户在使用传感器网络时，是将需要查询的信息发给网络，而不是发给某个节点，然后传感器网络收集相关数据后整合成信息汇报给用户。与以连接为中心的传统网络相比，无线传感器网络是以数据为中心的，各节点要有能聚合数据，对数据进行缓存和压缩的功能。2.5资源受限。由于无线传感器网络通常用于一些特殊场所和领域，传感器往往在价格、体积和功耗上受到限制，单个节点的计算能力、存储空间、续航能力相对较弱，无法做大规模的存储和计算。所以在网络创建过程中，如何降低网络的功耗，最大化网络的生存周期是无线传感器网络要面临的一大挑战。

3无线传感器网络的应用领域

3.1军事应用。军事应用是无线传感器网络技术最先应用的领域。早在1978年，美国军方就委托卡耐基-梅隆大学研究分布式传感器网络，以满足军方对军用侦察系统的需求。由于无线传感器网络具有快速部署、可自组织、高容错率等优点，是军队在战场上进行无线通信的首选技术，目前已成为军事C4ISRT系统不可缺少的一部分。C4ISRT系统的目标是利用先进的高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统，受到了军事发达国家的普遍重视。打仗时，指挥员往往需要及时准确地知道部队和敌方的相关信息情况。前期铺设的传感器可以采集前方的信息，汇聚相关信息后发送给指挥所，形成战场上所需的数据供指挥员调用来完成决策。由于无线传感器网络密度大、成本低、隐蔽性高，同时具有自组织和高的容错率，所以即使被敌人破坏掉部分节点也不会对系统造成太大影响。与传统无线通信技术相比，传感器网络非常适合于恶劣的战场环境，能安全有效地实现战场监控、地形探测与布防、目标探测和定位等功能。3.2环境监测。随着我国人民生活水平的不断提高，人们对环境的关注度也在日益增加。而在环境监控方面，无线传感器网络将取代原有的低效的监测手段，特别是大规模的野外环境监测中显示出了很大的应用潜力。无线传感器网络可以用于监测农作物灌溉情况、土壤空气变更情况、病虫害预报、牲畜和家禽的环境状况、大面积的地表监测、行星探测、气象和地理研究、洪水监测和珍稀鸟类等濒临危机种群的跟踪研究等。无线传感器网络在预防森林火灾中得到广泛的应用，通常是将可以长期工作的传感器部署在容易发生火灾的森林中，通过实时监测森林的状态，可以准确、及时的预报森林的火灾可能性。在室内环境监考方面，无线传感器网络广泛应用于供暖、通风和空调系统，传感器被放置在大楼内不同房间的不同位置，实时、精确地采集大楼内各处的环境参数，为大楼内的环境控制提供决策信息。3.3医疗应用。无线传感器网络在医疗上的应用主要是在医疗系统和健康护理两个方面，包括人体各种生理数据的监测、跟踪和监考医院内医生和患者的行动、医院药物管理及远程医疗等。通过在患者需要进行监测的部位植入微型传感器节点，来获得患者的心率、血压、心电等生理参数的实时数据，并将监测到的信息汇总发送给监护中心进行反馈；另外，还可以利用无线传感器网络对患者的生理数据进行长期的收集和观察，对了解患者的健康状况以及诊断疾病都很有帮助；将基于无线传感器网络下的医疗、健康护理体系与居家环境相结合，能更为有效地降低大众就医的费用，提升就医的便利性，为未来的远程医疗和监护提供了无限可能。3.4工农商业应用。无线传感器网络在工业上的应用主要有安全监控、工业生产、距离定位几个方面。安全监控方面，广泛应用于一些有毒气体或者具有放射性危险的场所，如煤矿、石油钻井、核电厂等工作场所的数据监测，传感器节点可以代替人在危险的地方采集现场数据，将数据汇总到控制室进行处理。工业生产方面，由于从原本的有线传感器网络变成了无线传感器网络，节省了大量的控制电缆，特别是对于大的监控系统，不仅节省下了电缆费用，而且能够实现多点的实时监控，实现高度的工业智能化和自动化。无线传感器网络在农业上的应用主要是通过将传感器布置在农田中，实时的监测农田中的温湿度数据，从而精确计算出需要的灌溉量和施肥量，甚至可以控制灌溉设备来保持农田时刻处于适宜的状态，从而完成农业的自动化。无线传感器网络在商业上的典型应用是物流供应链的管理，传感器网络可以帮助定位货品信息，包括存放位置、货品状态和销售情况等，实现大型车间和仓库的智能化、自动化管理。3.5智能家居。无线传感器网络在智能家居中的应用是近几年比较热门的方面，包括华为、小米、百度、联想、格力等互联网企业、制造业企业都早已开始在智能家居上进行布局。通过将无线传感器和执行机构嵌入各种家具和家电中，可以实现家具家电的自动控制，如果将无线传感器网络与广域网相连接的话，则可以实现远程的监视和操作，甚至可以在手机上对其进行操作，比如回家前打开空调、启动电饭煲或者让扫地机器人开始工作等。无线传感器与家具的融合使得人们能够拥有更加舒适的体验，能够实现许多人性化的功能。

4结束语

无线传感器网络是一个分布式的自组织网络，规模大，密度高，网络结构可动态变化，以有用数据为最终目的，在各行各业都拥有广阔的前景。除了在军事、工业、农业、医疗上广泛应用外，近些年在物联网和智能家居上的应用也是发展迅速的。本为主要讨论了无线传感器网络的特点和目前的应用情况，相关的关键技术会随着应用领域的不同而有所差别，这些技术也是未来我国工程师和技术人员需要努力方向。

参考文献

［1］李志杰.无线传感器网络的研究现状及主要应用［J］.南方农机，2018，49（18）：152，175.

［2］周琦.无线传感器网络在工业控制领域的发展和应用［J］.石油化工自动化，2010（3）：51-54.

［3］向模军，邹承俊.无线传感器网络在农业应用中的特点和前景［J］.中国沼气，2018，36（4）：54-60.

作者:龙俊 单位:长江工程职业技术学院