論析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用
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李振 張磊1由 分享
【論文關(guān)鍵詞】無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用；未來展望
【論文摘要】本文從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義出發(fā)，簡單闡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成和介紹無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史，用幾個(gè)實(shí)例展示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用，最后展望了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景。
1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
1 .1定義
就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。
1.2發(fā)展歷史
早在上世紀(jì)70年代，就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)雛形，我們把它歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨著相關(guān)學(xué)科的的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)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(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。而從上世紀(jì)末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運(yùn)用，并使用無線技術(shù)連接，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。
1.3組成
一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括三要素，即傳感器、感知對象和觀察者。傳感器由電源、感知部件、嵌人式處理器、存儲器、通信部件和軟件等幾個(gè)部分組成，這些部分相互協(xié)調(diào)，共同完成對外界信息的感知功能;感知對象是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測目標(biāo);觀察者是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶，是傳感信息的接收者和應(yīng)用者。
1.4特點(diǎn)
(1)自組織。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)具有自動組網(wǎng)的功能，節(jié)點(diǎn)間能夠相互通信協(xié)調(diào)工作。(2)多跳路由。節(jié)點(diǎn)受通信距離、功率控制或節(jié)能的限制，當(dāng)節(jié)點(diǎn)無法與網(wǎng)關(guān)直接通信時(shí)，需要由其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)完成數(shù)據(jù)的傳輸，因此網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路由是多跳的。(3)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。在某些特殊的?yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是移動的，傳感器節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化。(4)節(jié)點(diǎn)資源有限。節(jié)點(diǎn)微型化要求和有限的能量導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)硬件資源的有限性。
2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)雖未形成大規(guī)模的市場應(yīng)用，但擁有十分廣闊的前景，在軍事、國防、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑物監(jiān)測等等許多領(lǐng)域都有重要的研究價(jià)值和巨大的實(shí)用價(jià)值，被譽(yù)為對十一世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。
2.1軍事應(yīng)用
同很多高科技技術(shù)一樣，，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生也是源于網(wǎng)絡(luò)在軍事應(yīng)上的需求，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的概念更貼近其在軍事上的應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在戰(zhàn)場上的應(yīng)用主要是信息搜集、跟蹤敵人、戰(zhàn)場監(jiān)測、目標(biāo)分類。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由低成本、低功耗的密集型節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，擁有自組織性和相當(dāng)?shù)娜蒎e能力，即使部分節(jié)點(diǎn)遭到惡意破壞，也不會導(dǎo)致枯個(gè)系統(tǒng)的崩潰，正是這一點(diǎn)保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境下工作，從而最大程度地減少傷亡，同時(shí)提供準(zhǔn)確可靠的信息傳輸。
在和平年代，主要用于國士安全保護(hù)、邊境監(jiān)視等應(yīng)用。例如，在保護(hù)國土、防止人侵的時(shí)候，用成千上萬的傳感器節(jié)點(diǎn)代替原來的地雷埋設(shè)，用地雷埋設(shè)的方法會對自身構(gòu)成巨大威脅，用傳感器通過對聲音和震動信號的分類分析的方法，探測敵方的人侵。
2.2環(huán)境農(nóng)業(yè)應(yīng)用
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境方面也有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。例如:對鳥類、小型動物生活規(guī)律的觀測和種群復(fù)雜度的研究，天氣預(yù)報(bào)和天象現(xiàn)象的觀側(cè)，農(nóng)作物灌溉情況，土壤溫度情況，肥料含量、光照強(qiáng)度等的監(jiān)視，森林火情監(jiān)控等等。
這類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般需要具備部署簡單，便宜，長期不需要更換電池，無需派人現(xiàn)場維護(hù)等特點(diǎn)。一般是一次性產(chǎn)品，傳感器也需要具備適應(yīng)野外環(huán)境的能力，由于長時(shí)間不更換電池，系統(tǒng)必須要低功耗工作，或者從環(huán)境中尋求一定能力補(bǔ)給手段，譬如使用太陽能電池。
2.3醫(yī)療應(yīng)用
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療方面也日漸發(fā)揮作用。通過在病人或易發(fā)病人身上佩戴一些血壓、脈搏、體溫等微型無線傳感器，通過住宅內(nèi)的傳感器網(wǎng)關(guān)，醫(yī)生可以從醫(yī)院里遠(yuǎn)程監(jiān)視這些測試人群的健康狀況，通過這種方法，還可以對一些高危病人進(jìn)行24小時(shí)病情檢測，而不妨礙病人的日常起居和生活質(zhì)量。
還有一種方式，通過在人體器官中植人一些微型傳感器或吞服的方式讓傳感器進(jìn)入人體，隨時(shí)觀測器官的生理狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)器官的功能惡化，及時(shí)采取治療措施從而挽救病人生命。
2:4城市及城市管理
結(jié)構(gòu)安全檢測在國外稱之為SHM。目前一般通過在結(jié)構(gòu)體上安置傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測，廣泛應(yīng)用在結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測上的傳感器是MEMS加速傳感器。同樣，可以在建筑物內(nèi)不知圖像、聲音、氣體檢測、溫度、壓力、輻射等傳感器，發(fā)現(xiàn)異常事件及時(shí)報(bào)警，自動啟動應(yīng)急措施。
2.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的制約因素
(1)成本。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的成本是制約其大規(guī)模廣泛應(yīng)用的重要因素，需要根據(jù)具體應(yīng)用的要求均衡成本、數(shù)據(jù)精度及能量供應(yīng)時(shí)間。(2)能耗:大部分的應(yīng)用領(lǐng)域需要網(wǎng)絡(luò)采用一次性獨(dú)立供電系統(tǒng)，因此要求網(wǎng)絡(luò)工作能耗低，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，這是擴(kuò)大應(yīng)用的重要因素,(3)微型化。在某些領(lǐng)域中，要求節(jié)點(diǎn)的體積微型化，對目標(biāo)本身不產(chǎn)生任何影響，或者不被發(fā)現(xiàn)完成特殊的任務(wù)。(4)移動性。在某些特定應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)需要移動，導(dǎo)致在網(wǎng)絡(luò)中快速自組織上存在困難，該因素也是影響其應(yīng)用的主要問題之一。(5)硬件安全。在一些環(huán)境中，例如海洋、化學(xué)污染區(qū)、水流中、動物身上等，對節(jié)點(diǎn)的硬件要求很高，需防止受外界的破壞、腐蝕等。
3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)未來展望
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣泛的應(yīng)用前景，它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域有具有巨大的運(yùn)用價(jià)值，在未來還將在許多新興領(lǐng)域體現(xiàn)其優(yōu)越性，如家用、保健、交通等領(lǐng)域。我們可以大膽的預(yù)見，將來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將無處不在，將完全融入我們的生活。比如微型傳感器網(wǎng)最終可能將家用電器、個(gè)人電腦和其他日常用品同互聯(lián)網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離跟蹤，家庭采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)安全調(diào)控、節(jié)電等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來的一個(gè)無孔不人的十分龐大的網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用可以涉及到人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的所有領(lǐng)域。
4結(jié)語
本篇文章從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義出發(fā)，敘述了無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的發(fā)展歷史及組成特點(diǎn)，文章大部分的篇幅用在傳感器的幾個(gè)應(yīng)用上面。無線傳感器在應(yīng)用上還存在一些制約，相信在未來發(fā)展的道路上能夠有好的解決方案，這些難點(diǎn)也為科研人員指明了研究方向。
【論文摘要】本文從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義出發(fā)，簡單闡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成和介紹無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史，用幾個(gè)實(shí)例展示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用，最后展望了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景。
1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
1 .1定義
就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。
1.2發(fā)展歷史
早在上世紀(jì)70年代，就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)雛形，我們把它歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨著相關(guān)學(xué)科的的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)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(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。而從上世紀(jì)末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運(yùn)用，并使用無線技術(shù)連接，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。
1.3組成
一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括三要素，即傳感器、感知對象和觀察者。傳感器由電源、感知部件、嵌人式處理器、存儲器、通信部件和軟件等幾個(gè)部分組成，這些部分相互協(xié)調(diào)，共同完成對外界信息的感知功能;感知對象是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測目標(biāo);觀察者是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶，是傳感信息的接收者和應(yīng)用者。
1.4特點(diǎn)
(1)自組織。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)具有自動組網(wǎng)的功能，節(jié)點(diǎn)間能夠相互通信協(xié)調(diào)工作。(2)多跳路由。節(jié)點(diǎn)受通信距離、功率控制或節(jié)能的限制，當(dāng)節(jié)點(diǎn)無法與網(wǎng)關(guān)直接通信時(shí)，需要由其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)完成數(shù)據(jù)的傳輸，因此網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路由是多跳的。(3)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。在某些特殊的?yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是移動的，傳感器節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化。(4)節(jié)點(diǎn)資源有限。節(jié)點(diǎn)微型化要求和有限的能量導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)硬件資源的有限性。
2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)雖未形成大規(guī)模的市場應(yīng)用，但擁有十分廣闊的前景，在軍事、國防、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑物監(jiān)測等等許多領(lǐng)域都有重要的研究價(jià)值和巨大的實(shí)用價(jià)值，被譽(yù)為對十一世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。
2.1軍事應(yīng)用
同很多高科技技術(shù)一樣，，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生也是源于網(wǎng)絡(luò)在軍事應(yīng)上的需求，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的概念更貼近其在軍事上的應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在戰(zhàn)場上的應(yīng)用主要是信息搜集、跟蹤敵人、戰(zhàn)場監(jiān)測、目標(biāo)分類。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由低成本、低功耗的密集型節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，擁有自組織性和相當(dāng)?shù)娜蒎e能力，即使部分節(jié)點(diǎn)遭到惡意破壞，也不會導(dǎo)致枯個(gè)系統(tǒng)的崩潰，正是這一點(diǎn)保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境下工作，從而最大程度地減少傷亡，同時(shí)提供準(zhǔn)確可靠的信息傳輸。
在和平年代，主要用于國士安全保護(hù)、邊境監(jiān)視等應(yīng)用。例如，在保護(hù)國土、防止人侵的時(shí)候，用成千上萬的傳感器節(jié)點(diǎn)代替原來的地雷埋設(shè)，用地雷埋設(shè)的方法會對自身構(gòu)成巨大威脅，用傳感器通過對聲音和震動信號的分類分析的方法，探測敵方的人侵。
2.2環(huán)境農(nóng)業(yè)應(yīng)用
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境方面也有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。例如:對鳥類、小型動物生活規(guī)律的觀測和種群復(fù)雜度的研究，天氣預(yù)報(bào)和天象現(xiàn)象的觀側(cè)，農(nóng)作物灌溉情況，土壤溫度情況，肥料含量、光照強(qiáng)度等的監(jiān)視，森林火情監(jiān)控等等。
這類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般需要具備部署簡單，便宜，長期不需要更換電池，無需派人現(xiàn)場維護(hù)等特點(diǎn)。一般是一次性產(chǎn)品，傳感器也需要具備適應(yīng)野外環(huán)境的能力，由于長時(shí)間不更換電池，系統(tǒng)必須要低功耗工作，或者從環(huán)境中尋求一定能力補(bǔ)給手段，譬如使用太陽能電池。
2.3醫(yī)療應(yīng)用
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療方面也日漸發(fā)揮作用。通過在病人或易發(fā)病人身上佩戴一些血壓、脈搏、體溫等微型無線傳感器，通過住宅內(nèi)的傳感器網(wǎng)關(guān)，醫(yī)生可以從醫(yī)院里遠(yuǎn)程監(jiān)視這些測試人群的健康狀況，通過這種方法，還可以對一些高危病人進(jìn)行24小時(shí)病情檢測，而不妨礙病人的日常起居和生活質(zhì)量。
還有一種方式，通過在人體器官中植人一些微型傳感器或吞服的方式讓傳感器進(jìn)入人體，隨時(shí)觀測器官的生理狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)器官的功能惡化，及時(shí)采取治療措施從而挽救病人生命。
2:4城市及城市管理
結(jié)構(gòu)安全檢測在國外稱之為SHM。目前一般通過在結(jié)構(gòu)體上安置傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測，廣泛應(yīng)用在結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測上的傳感器是MEMS加速傳感器。同樣，可以在建筑物內(nèi)不知圖像、聲音、氣體檢測、溫度、壓力、輻射等傳感器，發(fā)現(xiàn)異常事件及時(shí)報(bào)警，自動啟動應(yīng)急措施。
2.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的制約因素
(1)成本。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的成本是制約其大規(guī)模廣泛應(yīng)用的重要因素，需要根據(jù)具體應(yīng)用的要求均衡成本、數(shù)據(jù)精度及能量供應(yīng)時(shí)間。(2)能耗:大部分的應(yīng)用領(lǐng)域需要網(wǎng)絡(luò)采用一次性獨(dú)立供電系統(tǒng)，因此要求網(wǎng)絡(luò)工作能耗低，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，這是擴(kuò)大應(yīng)用的重要因素,(3)微型化。在某些領(lǐng)域中，要求節(jié)點(diǎn)的體積微型化，對目標(biāo)本身不產(chǎn)生任何影響，或者不被發(fā)現(xiàn)完成特殊的任務(wù)。(4)移動性。在某些特定應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)需要移動，導(dǎo)致在網(wǎng)絡(luò)中快速自組織上存在困難，該因素也是影響其應(yīng)用的主要問題之一。(5)硬件安全。在一些環(huán)境中，例如海洋、化學(xué)污染區(qū)、水流中、動物身上等，對節(jié)點(diǎn)的硬件要求很高，需防止受外界的破壞、腐蝕等。
3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)未來展望
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣泛的應(yīng)用前景，它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域有具有巨大的運(yùn)用價(jià)值，在未來還將在許多新興領(lǐng)域體現(xiàn)其優(yōu)越性，如家用、保健、交通等領(lǐng)域。我們可以大膽的預(yù)見，將來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將無處不在，將完全融入我們的生活。比如微型傳感器網(wǎng)最終可能將家用電器、個(gè)人電腦和其他日常用品同互聯(lián)網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離跟蹤，家庭采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)安全調(diào)控、節(jié)電等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來的一個(gè)無孔不人的十分龐大的網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用可以涉及到人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的所有領(lǐng)域。
4結(jié)語
本篇文章從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義出發(fā)，敘述了無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的發(fā)展歷史及組成特點(diǎn)，文章大部分的篇幅用在傳感器的幾個(gè)應(yīng)用上面。無線傳感器在應(yīng)用上還存在一些制約，相信在未來發(fā)展的道路上能夠有好的解決方案，這些難點(diǎn)也為科研人員指明了研究方向。