無線傳感器網絡應用系統介紹

??? 無線傳感器網絡是由部署在監測區域內部或附近的大量廉價的、具有通信、感測及計算能力的微型傳感器節點通過自組織構成的“智能”測控網絡^[1][2]。無線傳感器網絡在軍事、農業、環境監測、醫療衛生、工業、智能交通、建筑物監測、空間探索等領域有著廣闊的應用前景和巨大的應用價值，被認為是未來改變世界的十大技術之一、全球未來四大高技術產業之一。
目前，國內外眾多研究機構都已開展了無線傳感器網絡技術及其應用的相關研究。本文主要針對無線傳感器網絡技術在不同領域的應用情況及未來發展趨勢和制約因素進行介紹。

無線傳感器網絡概述

??? 無線傳感器網絡體系結構如圖1所示，系統通常包括傳感器節點、網關和服務器。

??? 傳感器節點可以完成環境監測、目標發現、位置識別或控制其他設備的功能；此外還具有路由、轉發、融合、存儲其他節點信息等功能。
??? 網關負責連接無線傳感器網絡和外部網絡的通信，實現兩種網絡通信協議之間的轉換，發送控制命令到傳感器網絡內部節點，以及傳送節點的信息到服務器。
??? 服務器用于接收監測區域的數據，用戶可遠程訪問服務器，從而獲得監測區域內監測目標的狀態以及節點和設備的工作情況。
??? 無線傳感器網絡通常具有如下主要特點：
???(1)自組織。傳感器網絡系統的節點具有自動組網的功能，節點間能夠相互通信協調工作。
?? (2)多跳路由。節點受通信距離、功率控制或節能的限制，當節點無法與網關直接通信時，需要由其他節點轉發完成數據的傳輸，因此網絡數據傳輸路由是多跳的。
?? (3)動態網絡拓撲。在某些特殊的應用中，無線傳感器網絡是移動的，傳感器節點可能會因能量消耗完或其他故障而終止工作，這些因素都會使網絡拓撲發生變化。
?? (4)節點資源有限。節點微型化要求和有限的能量導致了節點硬件資源的有限性。

無線傳感器網絡應用現狀

??? 傳感器網絡的應用與具體的應用環境密切相關，因此針對不同的應用領域，存在性能不同的無線傳感器網絡系統^[3]。

軍事領域應用

??? 在軍事應用領域，利用無線傳感器網絡能夠實現監測敵軍區域內的兵力和裝備、實時監視戰場狀況、定位目標物、監測核攻擊或者生物化學攻擊等。
??? 美國軍方研究的用于軍事偵查的NSOF（Networked Sensors for the Objective Force)系統^[4]是美國軍方目前研究的未來戰斗系統的一部分，能夠收集偵查區域的情報信息并將此信息及時地傳送給戰術互聯網。系統由大約100個靜態傳感器和用于接入戰術互聯網的指揮控制節點C2（command and control）構成，系統架構如圖2所示。

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??? 2005年，美國軍方采用Crossbow公司節點構建了槍聲定位系統^[5]，節點部署于目標建筑物周圍，系統能夠有效地自組織構成監測網絡，監測突發事件(如槍聲、爆炸等)的發生，為救護、反恐提供了有力的幫助。
??? 美國科學應用國際公司采用無線傳感器網絡構建了一個電子防御系統^[5]，為美國軍方提供軍事防御和情報信息。系統采用多個微型磁力計傳感器節點來探測監測區域中是否有人攜帶槍支、是否有車輛行駛，同時，系統利用聲音傳感器節點監測車輛或者人群的移動方向。

環境監測應用

??? 無線傳感器網絡應用于環境監測，能夠完成傳統系統無法完成的任務。環境監測應用領域包括：植物生長環境、動物的活動環境、生化監測、精準農業監測、森林火災監測、洪水監測等。
??? 加州大學伯克利分校利用傳感器網絡監控大鴨島（Great Duck Island）的生態環境^[6]，在島上部署30個傳感器節點，傳感器節點采用Berkeley大學的Mica mote[7]節點，包括監測環境所需的溫度、光強、濕度、大氣壓力等多種傳感器。系統采用分簇的網絡結構，傳感器節點采集的環境參數傳輸到簇首（網關），然后通過傳輸網絡、基站、Internet網絡傳輸數據到數據庫中。用戶或管理員可以通過Internet遠程訪問監測區域。
??? 加州大學在南加利福尼亞San Jacinto山建立了可擴展的無線傳感器網絡系統[8]，主要監測局部環境條件下小氣候和植物甚至動物的生態模式。監測區域(25公頃)分為100多個小區域，每個小區域包含各種類型的傳感器節點，該區域的網關負責傳輸數據到基站，系統由多個網關，經由傳輸網絡到Internet互聯網。
??? 加州大學伯克利分校利用部署于一顆高70m的紅杉樹上的無線傳感器系統來監測其生存環境[9]，節點間距2m，監測周圍空氣溫度、濕度、太陽光強（光合作用）等變化。
??? 文獻[10]利用無線傳感器網絡系統監測牧場中牛的活動，目的是防止兩頭牛相互爭斗。系統中節點是動態的，因此要求系統采用無線通信模式和高數據速率。
??? 在印度西部多山區域監測泥石流部署的無線傳感器網絡系統^[11]，目的是在災難發生前預測泥石流的發生，采用大規模、低成本的節點構成網絡，每隔預定的時間發送一次山體狀況的最新數據。Intel公司利用Crossbow公司的Mote系列節點在美國俄勒岡州的一個葡萄園中部署了監測其環境微小變化的無線傳感器網絡^[12]。

建筑結構監測

??? 無線傳感器網絡用于監測建筑物的健康狀況，不僅成本低廉，而且能解決傳統監測布線復雜、線路老化、易受損壞等問題。
　　斯坦福大學提出了基于無線傳感器網絡的建筑物監測系統[13]，采用基于分簇結構的兩層網絡系統。傳感器節點由EVK915模塊和ADXL210加速度傳感器構成，簇首節點由Proxim RangelLAN2無線調制器和EVK915連接而成。
??? 南加州大學的一種監測建筑物的無線傳感器網絡系統NETSHM[14]，該系統除了監測建筑物的健康狀況外，并且能夠定位出建筑物受損傷的位置。系統部署于Los Angeles的The Four Seasons大樓內。系統采用分簇結構，采用Mica-Z系列節點。

醫療衛生應用

??? 加利福尼亞大學提出了基于無線傳感器網絡的人體健康監測平臺CustMed[15]，采用可佩戴的傳感器節點，傳感器類型包括壓力、皮膚反應、伸縮、壓電薄膜傳感器、溫度傳感器等。節點采用加州大學伯克利分校研制、Crossbow公司生產的dot-mote節點，通過放在口袋里的PC機可以方便直觀地查看人體當前的情況。
??? 紐約Stony Brook大學針對當前社會老齡化的問題提出了監測老年人生理狀況的無線傳感器網絡系統（Health Tracker 2000），除了監測用戶的生理信息外，還可以在生命發生危險的情況下及時通報其身體情況和位置信息。節點采用Crossbow公司的MICA2和MICA2DOT系列節點，采用溫度、脈搏、呼吸、血氧水平等類型傳感器。

智能交通應用

??? 圖3所示為上海市重點科技研發計劃中的智能交通監測系統^[17]，采用聲音、圖像、視頻、溫度、濕度等傳感器，節點部署于十字路口周圍，部署于車輛上的節點還包括GPS全球定位設備。重點強調了系統的安全性問題，包括耗能、網絡動態安全、網絡規模、數據管理融合、數據傳輸模式等。

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??? 1995年，美國交通部提出了到2025年全面投入使用的“國家智能交通系統項目規劃”。該計劃利用大規模無線傳感器網絡，配合GPS定位系統等資源，除了使所有車輛都能保持在高效低耗的最佳運行狀態、自動保持車距外，還能推薦最佳行使路線，對潛在的故障可以發出警告。
??? 中國科學院沈陽自動化所提出了基于無線傳感器網絡的高速公路交通監控系統，節點采用圖像傳感器，在能見度低、路面結冰等情況下，能夠實現對高速路段的有效監控。
??? 除了上述提到的應用領域外，無線傳感器網絡還可以應用于工業生產、智能家居、倉庫物流管理、空間海洋探索等領域。

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無線傳感器網絡應用的制約因素

??? 無線傳感器網絡技術的實際應用過程中，主要存在著以下制約因素：
??? (1)成本：傳感器網絡節點的成本是制約其大規模廣泛應用的重要因素，需根據具體應用的要求均衡成本、數據精度及能量供應時間。
?? ?(2)能耗：大部分的應用領域需要網絡采用一次性獨立供電系統，因此要求網絡工作能耗低，延長網絡的生命周期，這是擴大應用的重要因素。
??? (3)微型化：在某些領域中，要求節點的體積微型化，對目標本身不產生任何影響，或者不被發現以完成特殊的任務。
??? (4)定位性能：目標定位的精確度和硬件資源、網絡規模、周圍環境、錨點個數等因素有關，目標定位技術是目前研究的熱點之一。
??? (5)移動性：在某些特定應用中，節點或網關需要移動，導致在網絡快速自組上存在困難，該因素也是影響其應用的主要問題之一。
??? (6)硬件安全：在某些特殊環境應用中，例如海洋、化學污染區、水流中、動物身上等，對節點的硬件要求很高，需防止受外界的破壞、腐蝕等。
??? 影響無線傳感器網絡實際應用的因素很多，而且也與應用場景有關，需要在未來的研究中克服這些因素，使網絡可以應用到更多的領域。

目前研究的熱點問題

通信協議

?? ?(1)物理層通信協議：研究傳感器網絡的傳輸媒體、頻段選擇、調制方式等。
? ? (2)數據鏈路層協議：研究網絡拓撲、信道接入方式，拓撲包括平面結構、分層結構、混合結構以及Mesh結構，信道接入包括固定分配、隨機競爭方式或以上兩者的混合方式。
??? (3)網絡層協議：即路由協議的研究，路由協議分為平面和集群兩種，平面協議節點地位平等，簡單易擴展，但缺乏管理；集群路由即分簇為簇首和簇成員，便于管理和維護，研究的熱點是集成兩種路由方式的優點。
??? (4)傳輸層協議：研究提供網絡可靠的數據傳輸和錯誤恢復機制。

網絡管理

?? ?(1)能量管理：研究在不影響網絡性能的基礎上，控制節點的能耗、均衡網絡的能量消耗以及動態調制射頻功率和電壓。
?? ?(2)安全管理：研究無線傳感器網絡的安全問題，包括節點認證、處理干擾信息、攻擊信息等。

應用層支撐技術

?? ?(1)時間同步：針對網絡時間同步要求較高情況的應用，例如基于TDMA的MAC協議和特殊敏感時間監測應用，要求網絡時間同步。
??? (2)定位技術：針對節點定位要求較高情況的應用，基于少數已知節點的位置，研究以最少的硬件資源、最低的成本和能耗定位節點位置的技術。

硬件資源

??? (1)微型化：基于特定應用的要求，研究微型化的節點。
??? (2)低成本：在不影響節點性能情況下，研究降低節點硬件的成本。
??? (3)新型電源：研究太陽能電源及其他大容量可再生電源，解決制約傳感器網絡發展應用的能耗問題。
??? 本文主要就無線傳感器網絡的廣泛應用進行了探討，介紹了其在各個領域應用的典型實例，總結了當前制約無線傳感器網絡實際應用的因素及目前的研究熱點。無線傳感器網絡最終將成為聯系信息世界和客觀物理世界的接口，從而人類可以通過傳感器網絡獲知客觀物理世界的信息并做出相應的措施。