【導(dǎo)讀】無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless SensorNetwork， WSN）是一種新型的信息獲取系統(tǒng)，是由部署在監(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，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié) 作地監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)各種感知對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，最終發(fā)送給觀察者。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種低功耗、自組織網(wǎng)絡(luò)，一般由一個(gè) 或多個(gè)基站（Sink節(jié)點(diǎn)）和大量部署于監(jiān)測(cè)區(qū)域、配有各類傳感器的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)成本低，功耗小，具有一定計(jì)算處理能力、通信能力。雖然單 個(gè)節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)并不精確，也不可靠，但是大量節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作形成高度統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度和運(yùn)行的可靠性，可部署于在敵占區(qū)、災(zāi)害區(qū)、核 反應(yīng)堆等人力不可達(dá)的特殊區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)龋哂衅渌W(wǎng)絡(luò)無(wú)法比擬的特性，可廣泛用于國(guó)防、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居等領(lǐng)域。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的顯著特點(diǎn)
與蜂窩網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)等其它無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有其自身的顯著特點(diǎn)：
1） 分布式、自組織性。無(wú)線傳感網(wǎng)是由對(duì)等節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，不存在中心控制。管理和組網(wǎng)都非常簡(jiǎn)單靈活。不依賴固定的基礎(chǔ)設(shè)施，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有路由功能，可以通過(guò)自我協(xié)調(diào)、自動(dòng)布置而形成網(wǎng)絡(luò)，不需要其它輔助設(shè)施和人為手段。
2）健壯性。由于能量限制、環(huán)境干擾和人為破壞等因素的影響，傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)損壞，導(dǎo)致一些傳感器節(jié)點(diǎn)不能正常工作，但隨機(jī)分布的大量節(jié)點(diǎn)之間可以協(xié)調(diào)互補(bǔ)，保證部分傳感器節(jié)點(diǎn)的損壞不會(huì)影響到全局任務(wù)。
3）可擴(kuò)展性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中增加新的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，也不需要其它外界條件，原有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以有效地融納新增節(jié)點(diǎn)，使新增節(jié)點(diǎn)快速融入網(wǎng)絡(luò)，參與全局工作。
4）動(dòng)態(tài)拓?fù)洹o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)槟芰亢谋M或其他故障退出網(wǎng)絡(luò)；有些節(jié)點(diǎn)可能處于工作狀態(tài)，有些節(jié)點(diǎn)可能處于關(guān)閉狀態(tài)，沒(méi)有參與網(wǎng)絡(luò)通訊；也有可能又會(huì)新增大量的節(jié)點(diǎn)融入網(wǎng)絡(luò)，這些都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化。
5） 應(yīng)用相關(guān)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用來(lái)感知客觀物理世界，獲取物理世界信息。不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，因此不同應(yīng)用背景將導(dǎo)致不同的節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)、 軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不能象Internet一樣具有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺(tái)，必須針對(duì)具體應(yīng)用來(lái)研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這也是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū) 別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的顯著特征。[page]
6）規(guī)模大。為了提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，通常在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)可能包含多達(dá)數(shù)千甚至上萬(wàn)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性還能夠通過(guò)不同空間視角獲得更大的信噪比，從而提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。
7）高冗余。節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模部署使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有較高的節(jié)點(diǎn)冗余，網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余以及采集的數(shù)據(jù)冗余，從而使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力。
8） 空間位置尋址。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般不需要支持任意兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，傳感器節(jié)點(diǎn)不必具有全球唯一的標(biāo)識(shí)，不必采用因特網(wǎng)的IP尋址。用戶往 往不關(guān)心數(shù)據(jù)采集于哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而關(guān)心數(shù)據(jù)所屬的空間位置，因此可采取空間位置尋址方式。從這個(gè)意義上講，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索， 因此傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用分析
由于技術(shù)等方面的制約，雖然無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模商用還有待時(shí)日。但隨著微處理器體積的縮小和性能的提升，已經(jīng)有中小規(guī)模的WSN在工業(yè)市場(chǎng)上開始投入商用。其應(yīng)用主要集中在以下領(lǐng)域：
①環(huán)境監(jiān)測(cè)
隨 著人們對(duì)于環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注程度越來(lái)越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來(lái)越多，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù) 收集方式給環(huán)境帶來(lái)的侵入式破壞。比如，英特爾研究實(shí)驗(yàn)室研究人員曾經(jīng)將32個(gè)小型傳感器連進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)，以讀出緬因州“大鴨島”上的氣候，用來(lái)評(píng)價(jià)一種海燕 巢的條件。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響，監(jiān)測(cè)海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，來(lái) 監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。
②醫(yī)療護(hù)理
羅徹斯特 大學(xué)的科學(xué)家使用無(wú)線傳感器創(chuàng)建了一個(gè)智能醫(yī)療房間，使用微塵來(lái)測(cè)量居住者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺(jué)姿勢(shì)以及每天24小時(shí)的活動(dòng)狀況。英特爾 也推出了基于WSN的家庭護(hù)理技術(shù)。該技術(shù)是做為探討應(yīng)對(duì)老齡化社會(huì)的技術(shù)項(xiàng)目Centerfor Aging ServicesTechnologies（CAST）的一個(gè)環(huán)節(jié)開發(fā)的。該系統(tǒng)通過(guò)在鞋、家具以家用電器等家中道具和設(shè)備中嵌入半導(dǎo)體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。利用無(wú)線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)可高效傳遞必要的信息從而方便接受護(hù)理。而且還可以減輕護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)。
③軍事領(lǐng)域
由 于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機(jī)分布的特點(diǎn)，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備 和物資，判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途。美國(guó)國(guó)防部遠(yuǎn)景計(jì)劃研究局已投資幾千萬(wàn)美元，幫助大學(xué)進(jìn)行“智能塵埃”傳感器技術(shù)的研發(fā)。
④目標(biāo)跟蹤
DARPA 支持的SensorIT項(xiàng)目探索如何將WSN技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)所謂“超視距”戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。UCB的教授主持的SensorWeb是SensorIT 的一個(gè)子項(xiàng)目。原理性地驗(yàn)證了應(yīng)用WSN進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)跟蹤的技術(shù)可行性，翼下攜帶WSN節(jié)點(diǎn)的無(wú)人機(jī)（UAV）飛到目標(biāo)區(qū)域后拋下節(jié)點(diǎn)，最終隨機(jī)布撤落在 被監(jiān)測(cè)區(qū)域，利用安裝在節(jié)點(diǎn)上的地震波傳感器可以探測(cè)到外部日標(biāo)，如坦克、裝甲車等，并根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱估算距離，綜合多個(gè)節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，最終定位目標(biāo)， 并繪制出其移動(dòng)的軌跡。
⑤其他用途
WSN還被應(yīng)用于一些危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過(guò)它來(lái)實(shí)施安全監(jiān)測(cè)。也可以用在交通領(lǐng)域作為車輛監(jiān)控的有力工具。此外，還可以在工業(yè)自動(dòng)化生 產(chǎn)線等諸多領(lǐng)域，英特爾正在對(duì)工廠中的一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，該網(wǎng)絡(luò)由40臺(tái)機(jī)器上的210個(gè)傳感器組成，這樣組成的監(jiān)控系統(tǒng)將可以大大改善工廠的運(yùn)作條 件。它可以大幅降低檢查設(shè)備的成本，同時(shí)由于可以提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，因此將能夠縮短停機(jī)時(shí)間，提高效率，并延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間。相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推 進(jìn)，無(wú)線傳感器技術(shù)一定會(huì)得到更大的應(yīng)用。
