无线传感器网络：探索与实践

1.无线传感器网的功能及组成要素

无线传感器网始于20世纪90年代末，随着无线自组网技术的日趋成熟，无线通信、微电子、传感器技术的快速发展，为无线传感器网络奠定了重要基础。

无线传感器网由部署在监测区域内大量的、廉价的微型传感器结点组成，通过无线通信形成一个多跳的、自组织的无线自组网系统，其目的是将网络覆盖区域内感知对象的信息发送给观察者。军事领域无线自组网与传感器技术结合，构成战场无线网，用于兵力与装备监控，战场实测、目标定位、战场评估及攻击后的监测与搜索。

无线传感器网涉及微电芯片、无线传输、网络架构、嵌入式计算与软件等，其实现技术包括：路由协议、定位技术、时间同步、数据融合、数据管理、嵌入式操作系统及网络安全。

传感器、感知对象和观察者构成无线传感器网络的三大要素。一度认为成熟的互联网技术与无线自组网技术的结合，就可以设计无线传感器网络，但随着研究的深入，发现无线传感器网络有自己独特的技术要求。传统计算机网强调的是端—端的数据传输和共享，中间结点的路由器只起到分组转发的功能，而无线传感器网络的所有结点除了需要参与数据转发的功能之外，同时具有数据的采集、处理、融合和缓存的功能。

2.无线传感器网的特点

无线传感器网的特点主要表现在以下几方面：

1）网络规模。无线传感器网络规模与其应用目的相关。如应用于原始森林防火和环境监测，须部署大量传感器以获取精确信息，网络结点数量可能达到成千上万或更多。同时，这些结点必须分布在所有被检测的地理区域内。因此网络规模表现在结点的数量与分布的地理范围两方面。

2）自组织网络。在实际应用中，传感器结点位置不能预先精确设定，结点之间相互邻居关系预先不可知，结点通常被放置在无电力基础设施的地方。如通过飞机大面积播撒的大量传感器结点，或随意放置在人不可到达的地方或危险地域，这就要求结点具有自组织能力，能自动进行配置与管理，通过拓扑控制机制和网络协议，自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。因此无线传感器网络是一种典型无线自组网。

3）拓扑结构动态变化。传感器结点作为一种微型嵌入式系统，结点处理器能力较弱，存储器容量较小，但需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚结点的任务请求、结点控制等多种工作。使用过程中，可能有部分结点因能量耗尽或环境因素失效，因此就必须增加一些新结点以补充失效结点，传感器网络中的结点数量的动态增减将带来网络拓扑结构的动态变化。

4）无线传感器网络的结点结构。结点内部结构主要由4个部分组成，如图12-4所示。

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图12-4 无线传感网络结点的结构

传感器模块：负责监控区域内信息采集和数据转换。

处理器模块：负责整个传感器结点的操作，存储和处理传感器采集的数据，以及其他结点传送的数据。

无线通信模块：负责与其他传感器结点通信，接收和发送收集的信息，交换控制信息。

能量供应模块：通常是采用微型电池，为传感器结点提供运行所需要的能量。

3.无线传感器网应用

无线自组网的技术成熟与实用，使无线传感器网的应用领域更加广阔，并不仅仅局限在军事和某些特殊领域，民用领域也大量应用。如应用于抗震救灾、突发事件处理、精准农业、环境监测预报、人体健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市智能交通、空间探索、大型车间和仓储管理，以及机场、园区安全监测等方面。

在军事领域，无线传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性等特点。无线传感器网络能实现对敌军兵力和装备的监控、战场实时监视、目标定位、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等。由大量的、随机分布的结点部署传感器网，以隐蔽和近距离准确地收集战场信息，迅速获取有利于作战的信息。

在环境监测和预报等方面，无线传感器网络可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、家畜和家禽的环境和迁移状况、土壤生态、大面积的地表监测。也能在行星探测、气象与地理研究、洪水监测等方面发挥作用。基于无线传感器网络，可通过传感器监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测洪水汛情。

无线传感器网在医疗系统和健康护理方面也有很多应用。如监测人体的各种生理数据，跟踪和监控医院医生和患者的行动，医院药物管理等。在住院病人身上安装特殊用途的传感器，如心率和血压监测设备，医生就可随时了解被监护病人的病情，在发现异常情况时能迅速抢救。

在智能家居领域，在家电设备中嵌入传感器结点，通过无线网与互联网连接，为人们提供更舒适、方便和人性化的智能家居环境，利用远程监控实现对家电的远程遥控及安全监控。