WSN应用研究

袁 平

（重庆第二师范学院 数学与信息工程系，重庆 400067）

1 引言

人类社会一直以来都梦想能“眼观六路，耳闻八方”，这只能在神话故事里出现的情景如今在现实生活中有了实现的可能。虽然现代卫星技术能洞察全局，却不能明察秋毫，而WSN（Wireless Sensor Network，无线传感网络）［1－3］技术的出现完美无缺地弥补了这一缺撼。自二十世纪七十年代WSN诞生以来，它在军事探测、森林火灾、药品管理，智能家居、洪水和地震以及人体生理数据监测等领域正发挥着，并继续发挥着巨大的作用，1999年的商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一，未来的WSN技术将深入人类社会的各个领域而引起人们的广泛关注［7］。

2 概述

2.1 WSN 概念

WSN（wireless sensor network，无线传感网络）是由部署在监测区域内大量微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。由此，传感器、感知对象、观察者构成了WSN的三要素。

2.2 WSN的体系结构

2.2.1 传感器网络结构

图1 无线传感网络体系结构

由上图可知，无线传感网络系统由采集结点（或传感器结点，sensor node），汇聚节点（sink node），管理节点等组成。被监测区域内随机部署了许多传感器节点，它们通过自组织方式构成网络，结点检测数据经过多跳到达汇聚节点，然后通过卫星和互联网到达管理节点，用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布检测任务和收集检测数据等。

2.2.2 传感器结点结构

图2 传感器结点硬件体系结构

由上图可知，一个典型的无线传感网络的传感器节点主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块以及能量供应模块组成。其中，传感器模块主要负责监测区域内信息采集和数据转换；处理器模块主要负责整个传感器节点的控制操作，存储处理自身采集以及其它节点传来的数据；无线通信模块主要负责与其它传感器节点进行无线通信，收发采集数据和交换控制信息等；而能量供应模块则主要为传感器节点提供运行所需的能量。

2.2.3 传感器网络协议栈

图3 传感器网络协议栈

由上图可知，该协议栈由五层协议和三层平台组成。其中五层协议的物理层提供简单而健壮的信号调制和无线收发技术；数据链路层主要负责数据成帧，帧检测，媒体访问及差错控制；网络层主要负责路由生成与路由选择；传输层主要负责数据流的传输控制以确保通信服务质量；应用层则包含一系列基于检测任务的应用层软件。三层平台的功能中能量管理用于管理传感器节点能量的使用，节能是其首先考虑的；移动控制管理平台主要用于检测和注册传感器节点的移动，维护到路由节点的路由以便传感器节点能动态跟踪其相邻节点的位置；任务管理平台用于给定区域内平衡和调度检测任务。

3 WSN的发展历程

WSN的构想最初是由美国军方提出的，美国国防部高级研究所计划署（DARPA）于1978年开始资助卡耐基——梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，从而拉开了WSN在军事上应用的序幕。二十世际七十年代，美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，美军曾采用狂轰滥炸术却收效甚微，后来，美军在此区域投放了2万多棵“热带树”（即传感器），这些“传感树”落入土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，只要越方车队经过，“传感树”就能探测出车队产生的震动和声响信息，并将探测到的信息自动发送到美军指挥中心，美航空兵就立即展开追杀，共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。传感器技术在军事上的初露锋芒，引来了各研究机构的备受关注。从此以后，WSN的项目在全美高校间广泛展开，著名的有UC Berkeley的Smart Dust项目，UCLA的WINS项目，以及多所机构联合攻关的SensIT计划等。在这些项目取得进展的同时，其应用也从军用转向了民用。

我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。在2006年我国发布的 《国家中长期科学与技术发展规划纲要》中，为信息技术确定了三个前沿方向，其中有两项就与传感器网络直接相关，这就是智能感知和自组网技术。当然，传感器网络的发展也是符合计算设备的演化规律。

4 WSN的特点

与传统网络以数据传输服务为主要目的不同，WSN是一种以测控为目的的无线网络，其自身固有的特点如下:

4.1 节点计算能力较低，能量和存储容量有限

由于WSN应用环境的复杂性和条件的限制，传感器功能专一性，结构简单化发展，WSN节点也趋于微型化，由于节点大多采用一次性供电的电池，节点能量非常有限［2］；同时，由于节点硬件结构大多采用单片机作为主控和管理单元，其计算能力和存储空间都较低，因此在网络协议设计方面应追求简单化。

4.2 节点数量规模大，密度高

为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义:一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。高密度的节点分布有利于利用简单节点通过相互协作来提高系统的可靠性和工作质量，从而提高网络的健壮性和鲁棒性。

4.3 自组织网络

在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点都是随机撒布在监测区域，无法事先了解和设定网络的拓扑状态，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这就需要网络具备自组织能力，在工作时能有效建立网络拓扑和路由链路来完成节点的组网和数据采集传输功能。

此外，当监测区域部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，或者由于添加新的节点到网络中时，都需要网络能够自我进行拓扑调整变换，从而保证整个网络能够持续正常地工作。

4.4 应用相关的网络

传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多样，不可穷尽。不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。

不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。所以传感器网络不能像Internet一样，有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在开发传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。

4.5 以数据为中心，节点具有数据融合能力

传统的数据通信网络是以地址为中心的，各终端是通过网络中惟一的IP地址来标识和进行数据交换的，每个终端在脱离网络的情况下都能独立工作；而WSN是任务型的网络，网络中的各节点采用节点编号标识，节点编号是否需要全网惟一取决于网络通信协议的设计。各节点协同监测数据，用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。脱离整个网络，单个节点采集的数据是毫无意义的，因此，WSN是以数据为中心的网络。

WSN中可能有多个节点同时收集到用户感兴趣的数据，为避免冗余数据重复发送造成能量浪费，这些数据需要经过数据融合处理后再传输。

5 WSN的应用领域

鉴于无线传感网络中的传感器节点能有效感知所处环境中的电磁、压力、热、红外、声纳、雷达、和地震波信号等，从而帮助人们了解环境的湿度、温度、光照、噪声、土壤成分、移动物体的速度、方向、大小等非常感兴趣的数据而备受青睐，因而WSN在各个领域，特别是恶劣环境中的应用潜力非常巨大，这也是各个国家高度重视并纷纷列为国家战略计划项目的重要原因，目前，WSN的应用领域已涉及到军事、防爆、反恐、救灾、医疗、保健、环保、家居、工商业等，可以说是无孔不入。下面就WSN应用作一简要介绍。

5.1 军事领域

由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战争环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划局已投资几千万美元，帮助大学进行“智能尘埃”传感器技术的研发。

5.2 医疗护理

无线传感网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（体温、血压、脉搏和心电图、血氧监测和呼吸等）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感网络系统的家庭护理技术。该技术是做为探讨对老龄化社会的技术项目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以及家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老年人、以及残障患者的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称，“在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。

5.3 环境监测和保护

随着人们对于环境问题的关注度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。

5.4 探测领域

空间和海洋探索一直是人类梦寐以求的理想，借助航天器布撒的传感器节点实现对星球表面大范围、长时间、近距离的监测和探索是一种经济可行的方案。NASA的JPL实验室研制的Sensor Webs项目已在佛罗里达宇航中心的环境监测项目中进行测试和完善，该项目主要是为将来的火星探测、选择着陆场地等需求进行技术准备的。

5.5 智能交通系统

智能交通系统（ITS）是利用现代信息技术为核心，利用先进的通讯、计算机、自动控制、传感器技术，实现对交通的实时控制与指挥管理。交通信息采集被认为是ITS的关键子系统，是发展ITS的基础，成为交通智能化的前提。无论是交通控制还是交通违章管理系统，都涉及交通动态信息的采集，交通动态信息采集也就成为交通智能化的首要任务。

5.6 文物保护

文物保护单位长期以来的一个工作重点就是对珍贵的古老建筑物进行保护。将具有温度、湿度、光照、压力等传感器节点布放在重点保护对象中，无需拉线钻孔，便可有效地对建筑物进行长期监测。

5.7 畜牧溯源

给放养的牲畜中的每一只羊都贴上一个二维码，这个二维码会一直保持到超市出售的肉品上，消费者可通过手机阅读二维码，知道牲畜的成长历史，确保食品安全。我国已有10亿存栏动物贴上了这种二维码。

5.8 无线葡萄园

2002年，英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤湿度、温度或该区域有害物的数量，以确保葡萄可以健康生长。研究人员发现，葡萄园气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的质量，通过多年的数据记录以及相关分析，便能精确的掌握葡萄酒的质地与葡萄生长过程中的日照、温度、湿度等的确切关系，这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。

5.9 其它领域

无线传感器网络还被应用于其它一些领域。利用部署在大街小巷的全球眼监控探头，实现图像敏感性智能分析并与112、110、119等交互，实现探头与探头之间、探头与人、探头与报警系统之间的联动，从而为构建平安和谐的城市生活环境提供了强有力保障。现在比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可通过它来实施安全监测。也可用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外还可用在工业自动化等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统可以大大改善工厂的动作条件，可大幅降低检查设备的成本，同时由于可提前发现问题，因此将能缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍然处于初步应用阶段，但已展示出非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。

我国上海浦东国际机场率先在防入侵系统中得到应用，该系统铺设了3万多个传感节点，覆盖了地面、栅栏和低空探测，多种传感手段组成一个协同系统后，可防止人员翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵；而济南园博园中使用的ZigBee无线路灯照明节能也成了一大亮点；江西省电网对分布在全省范围内的2万台配电变压器安装传感装置，对运行状态进行实时监测，实现用电检查、电能质量监测、负荷管理、线损管理、需求管理等高效一体化管理，年降低电损1.2亿千瓦时。

6 制约WSN发展的因素

（1）网络内通信问题:无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其它电子信号干扰而受影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。

（2）成本问题:在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这是制约其大规模广泛应用的主要因素，因此应根据具体应用要求来均衡成本、数据精度以及能量供应时间等。

（3）系统能耗问题:绝大多数应用领域需要网络采用一次性独立供电系统，这就要求网络工作能耗低，从而延长网络的生命周期。目前主要的解决方案有:使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。

（4）高效的无线传感器网络结构:无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。在这里面还包括网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。

（5）安全性问题:在如化学污染区、洪水监测、森林火灾、海洋、动物身上等特殊环境中，为防止外界的破坏、腐蚀等，对节点的硬件要求会很高的。

（6）定位性能及微型化问题:目标定位的精确度与网络规模、硬件资源、周边环境、锚点个数等有关，它也是目前研究的热点之一；在某些应用领域中，为对目标本身不产生任何影响或为完成特殊任务而不被发现，要求节点的体积微型化等。

7 小结

作为一种新兴技术，无线传感器网络拥有广泛的发展空间和应用前景。利用无线网络能够实现灵活、可靠、安全的数据采集，我们坚信随着技术的进一步发展，无线传感器网络必将被应用在人类活动的方方面面，实现人与自然的无缝沟通，“智慧地球”的到来将不再是梦想。WSN未来的发展主要涉及节点微型化、低成本、系统节能策略、节点的自动配置、传感器网络安全性问题和抗干扰问题等，今后将重点对无线传感器网络的路由和安全策略等进行研究。

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