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研究無線傳感器網(wǎng)絡的應用與發(fā)展
摘要:本文簡述了無線傳感器網(wǎng)絡的定義、組成及特點，并結(jié)合其特點介紹了無線傳感器網(wǎng)絡在各行各業(yè)廣泛的應用價值和未來發(fā)展前景以及目前存在的技術(shù)問題。
關鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡；組成；應用；發(fā)展
科技發(fā)展的腳步越來越快，人類已經(jīng)置身于信息時代。而作為信息獲取最重要和最基本的技術(shù)——傳感器技術(shù)，也得到了極大的發(fā)展。傳感器信息獲取技術(shù)已經(jīng)從過去的單一化漸漸向集成化、微型化和網(wǎng)絡化方向發(fā)展，并將會帶來一場信息革命。具有感知能力、計算能力和通信能力的無線傳感器網(wǎng)絡（WSN, wireless sensor networks）綜合了傳感器技術(shù)、嵌人式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳盡而準確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。
由于WSN的巨大應用價值，它已經(jīng)引起了世界許多國家的軍事部門、工業(yè)界和學術(shù)界的廣泛關注，被廣泛地應用于軍事，工業(yè)過程控制、國家安全、環(huán)境監(jiān)測等領域。
無線傳感器網(wǎng)絡綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等多種領域，是當前計算機網(wǎng)絡研究的熱點。
一、發(fā)展概述
早在上世紀70年代，就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點對點傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡雛形，我們把它歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡。隨著相關學科的不斷發(fā)展和進步，傳感器網(wǎng)絡同時還具有了獲取多種信息信號的綜合處理能力，并通過與傳感控制器的相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡，這是第二代傳感器網(wǎng)絡。而從上世紀末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應用于傳感器網(wǎng)絡，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡，大量多功能傳感器被運用，并使用無線技術(shù)連接，無線傳感器網(wǎng)絡逐漸形成。
無線傳感器網(wǎng)絡是新一代的傳感器網(wǎng)絡，具有非常廣泛的應用前景，其發(fā)展和應用，將會給人類的生活和生產(chǎn)的各個領域帶來深遠影響。發(fā)達國家如美國，非常重視無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展，IEEE正在努力推進無線傳感器網(wǎng)絡的應用和發(fā)展，波士頓大學（Boston University）還于最近創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡協(xié)會（Sensor Network Consortium），期望能促進傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)。美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時，更是將無線傳感器網(wǎng)絡列為第一項未來新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》預測的未來四大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡也列入其中。可以預計，無線傳感器網(wǎng)絡的廣泛是一種必然趨勢，它的出現(xiàn)將會給人類社會帶來極大的變革。
二、無線傳感器網(wǎng)絡的定義和特點
無線傳感器網(wǎng)絡可以看成是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點,各節(jié)點通過協(xié)議自組成一個分布式網(wǎng)絡,再將采集來的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化后經(jīng)無線電波傳輸給信息處理中心。 無線傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng)Tiny0S141的研制者，Jason Hill博士把WSN定義為：
Sensing＋CPU＋Radio＝Thousands of potential application
哈爾濱工業(yè)大學的李建中教授將WSN定義為：WSN是由一組傳感器節(jié)點以自組織的方式構(gòu)成的有線或無線網(wǎng)絡，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。從硬件上看，WSN節(jié) 點主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線數(shù)據(jù)收發(fā)單元以及小型電池單元組成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特點；從軟件上看，它借助于節(jié)點中內(nèi)置傳感器有效探測所處區(qū)域的溫度、濕度、光強度、壓力等環(huán)境參數(shù)以及待測對象的電壓、電流等物理參數(shù)，并通過無線網(wǎng)絡將探測信息傳送到數(shù)據(jù)匯聚中心 進行處理、分析和轉(zhuǎn)發(fā)。
WSN與傳統(tǒng)傳感器和測控系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢。它采用點對點或點對多點的無線連接，大大減少了電纜成本，在傳感器節(jié)點端即合并了模擬信號／數(shù)字信號轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理和網(wǎng)絡通信功能，節(jié)點具有自檢功能，系統(tǒng)性能與可靠性明顯提升而成本明顯縮減。
無線傳感器網(wǎng)絡具有以下特點：
1、硬件資源有限。WSN節(jié)點采用嵌入式處理器和存儲器，計算能力和存儲能力十分有限。所以，需要解決如何在有限計算能力的條件下進行協(xié)作分布式信息處理的難題。
2、電源容量有限。為了測量真實世界的具體值,各個節(jié)點會密集地分布于待測區(qū)域內(nèi),人工補充能量的方法已經(jīng)不再適用。每個節(jié)點都要儲備可供長期使用的能量,或者自己從外汲取能量（太陽能）。當自身攜帶的電池的能量耗盡，往往被廢棄，甚至造成網(wǎng)絡的中斷。所以，任何WSN技術(shù)和協(xié)議的研究都要以節(jié)能為前提。
3、無中心。在無線傳感器網(wǎng)絡中,所有節(jié)點的地位都是平等的,沒有預先指定的中心, 是一個對等式網(wǎng)絡。各節(jié)點通過分布式算法來相互協(xié)調(diào),在無人值守的情況下,節(jié)點就能自動組織起一個測量網(wǎng)絡。而正因為沒有中心,網(wǎng)絡便不會因為單個節(jié)點的脫離而受到損害。節(jié)點可以隨時加入或離開網(wǎng)絡，任何節(jié)點的故障不會影響整個網(wǎng)絡的運行，具有很強的抗毀性。
4、自組織。網(wǎng)絡的布設和展開無需依賴于任何預設的網(wǎng)絡設施，節(jié)點通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網(wǎng)絡。
5、多跳（Multi-hop）路由。WSN節(jié)點通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十到幾百米，節(jié)點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信，則需要通過中間節(jié)點進行路由。WSN中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡節(jié)點完成的。
6、動態(tài)拓撲。WSN是一個動態(tài)的網(wǎng)絡，節(jié)點可以隨處移動；一個節(jié)點可能會因為電池能量耗盡或其他故障，退出網(wǎng)絡運行；也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡中。這些都會使網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡應該具有動態(tài)拓撲組織功能。
7、節(jié)點數(shù)量眾多，分布密集。WSN節(jié)點數(shù)量大、分布范圍廣，難于維護甚至不可維護。所以，需要解決如何提高傳感器網(wǎng)絡的軟、硬件健壯性和容錯性。
8、傳輸能力的有限性。無線傳感器網(wǎng)絡通過無線電波進行數(shù)據(jù)傳輸,雖然省去了布線的煩惱,但是相對于有線網(wǎng)絡,低帶寬則成為它的天生缺陷。同時,信號之間還存在相互干擾,信號自身也在不斷地衰減,諸如此類。不過因為單個節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不算大,這個缺點還是能忍受的。
9、安全性的問題。無線信道、有限的能量,分布式控制都使得無線傳感器網(wǎng)絡更容易受到攻擊。被動偷聽、主動入侵、拒絕服務則是這些攻擊的常見方式。因此,安全性在網(wǎng)絡的設計中至關重要。
三、應用現(xiàn)狀
雖然無線傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模商業(yè)應用，由于技術(shù)等方面的制約還有待時日，但是最近幾年，隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經(jīng)為數(shù)不少的無線傳感器網(wǎng)絡開始投入使用。目前無線傳感器網(wǎng)絡的應用主要集中在以下領域
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