無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）發(fā)展現(xiàn)狀及困境 - 全文

　　科技發(fā)展的腳步越來越快，人類已經(jīng)置身于信息時代。而作為信息獲取最重要和最基本的技術(shù)——傳感器技術(shù)，也得到了極大的發(fā)展。傳感器信息獲取技術(shù)已 經(jīng)從過去的單一化漸漸向集成化、微型化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，并將會帶來一場信息革命。具有感知能力、計算能力和通信能力的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) （WSN，wirelesssensornetworks）綜合了傳感器技術(shù)、嵌人式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知 和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。

　　由于WSN的巨大應(yīng)用價值，它已經(jīng)引起了世界許多國家的軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，被廣泛地應(yīng)用于軍事，工業(yè)過程控制、國家安全、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等多種領(lǐng)域，是當(dāng)前計算機網(wǎng)絡(luò)研究的熱點。

　　一、發(fā)展概述

　　早在上世紀(jì)70年代，就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點對點傳輸、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 不斷發(fā)展和進步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時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用，并使用無線技術(shù)連接，無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會給人類的生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響。發(fā)達(dá)國家如美國，非 常重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，IEE（E正在努力推進無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，波士頓大學(xué)（BostonUNIversity）還于最近創(chuàng)辦了傳感器中國測控網(wǎng)絡(luò)協(xié)會（SensorNetworkConsortium），期望能促進傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)。美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時，更是將 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項未來新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》預(yù)測的未來四大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中?？梢灶A(yù)計，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛是一種必然趨 勢，它的出現(xiàn)將會給人類社會帶來極大的變革。

　　二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義和特點

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以看成是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡(luò)和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié) 點，各節(jié)點通過協(xié)議自組成一個分布式網(wǎng)絡(luò)，再將采集來的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化后經(jīng)無線電波傳輸給信息處理中心。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)Tiny0S141的研制 者，JasonHill博士把WSN定義為：Sensing＋CPU＋Radio＝Thousandsofpotentialapplication

　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李建中教授將WSN定義為：WSN是由一組傳感器節(jié)點以自組織的方式構(gòu)成的有線或無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆 蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。從硬件上看，WSN節(jié)點主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線數(shù)據(jù)收發(fā)單元以及小型電池單元組成，通常 尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特點；從軟件上看，它借助于節(jié)點中內(nèi)置傳感器有效探測所處區(qū)域的溫度、濕度、光強度、壓力等環(huán)境參數(shù)以及待測對象 的電壓、電流等物理參數(shù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將探測信息傳送到數(shù)據(jù)匯聚中心進行處理、分析和轉(zhuǎn)發(fā)。

　　WSN與傳統(tǒng)傳感器和測控系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢。它采用點對點或點對多點的無線連接，大大減少了電纜成本，在傳感器節(jié)點端即合并了模擬信號／數(shù)字信號轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理和網(wǎng)絡(luò)通信功能，節(jié)點具有自檢功能，系統(tǒng)性能與可靠性明顯提升而成本明顯縮減。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點：

　　1、硬件資源有限。WSN節(jié)點采用嵌入式處理器和存儲器，計算能力和存儲能力十分有限。所以，需要解決如何在有限計算能力的條件下進行協(xié)作分布式信息處理的難題。

　　2、電源容量有限。為了測量真實世界的具體值，各個節(jié)點會密集地分布于待測區(qū)域內(nèi)，人工補充能量的方法已經(jīng)不再適用。每個節(jié)點都要儲備可供長期使用 的能量，或者自己從外汲取能量（太陽能）。當(dāng)自身攜帶的電池的能量耗盡，往往被廢棄，甚至造成網(wǎng)絡(luò)的中斷。所以，任何WSN技術(shù)和協(xié)議的研究都要以節(jié)能為 前提。

　　3、無中心。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點的地位都是平等的，沒有預(yù)先指定的中心，是一個對等式網(wǎng)絡(luò)。各節(jié)點通過分布式算法來相互協(xié)調(diào)，在無人值守 的情況下，節(jié)點就能自動組織起一個測量網(wǎng)絡(luò)。而正因為沒有中心，網(wǎng)絡(luò)便不會因為單個節(jié)點的脫離而受到損害。節(jié)點可以隨時加入或離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點的故障不 會影響整個網(wǎng)絡(luò)的運行，具有很強的抗毀性。

　　4、自組織。網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網(wǎng)絡(luò)。

　　5、多跳（Multi-hop）路由。WSN節(jié)點通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十到幾百米，節(jié)點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信，則需要通過中間節(jié)點進行路由。WSN中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點完成的。

　　6、動態(tài)拓?fù)?。WSN是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點可以隨處移動；一個節(jié)點可能會因為電池能量耗盡或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò)運行；也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。這些都會使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動態(tài)拓?fù)浣M織功能。

　　7、節(jié)點數(shù)量眾多，分布密集。WSN節(jié)點數(shù)量大、分布范圍廣，難于維護甚至不可維護。所以，需要解決如何提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件健壯性和容錯性。

　　8、傳輸能力的有限性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過無線電波進行數(shù)據(jù)傳輸，雖然省去了布線的煩惱，但是相對于有線網(wǎng)絡(luò)，低帶寬則成為它的天生缺陷。同時，信號之間還存在相互干擾，信號自身也在不斷地衰減，諸如此類。不過因為單個節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不算大，這個缺點還是能忍受的。

　　9、安全性的問題。無線信道、有限的能量，分布式控制都使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易受到攻擊。被動竊聽、主動入侵、拒絕服務(wù)則是這些攻擊的常見方式。因此，安全性在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中至關(guān)重要。

　　三、應(yīng)用現(xiàn)狀

　　雖然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，由于技術(shù)等方面的制約還有待時日，但是最近幾年，隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經(jīng)為數(shù)不少的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開始投入使用。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要集中在以下領(lǐng)域：

　　1．環(huán)境監(jiān)測和保護

　　隨著人們對于環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機性的研究數(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)境帶來的侵入式破壞。

　　2．醫(yī)療護理

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療研究、護理領(lǐng)域也可以大展身手。羅徹斯特大學(xué)的科學(xué)家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個智能醫(yī)療房間，使用微塵來測量居住者的重要征兆 （血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天24小時的活動狀況。英特爾公司也推出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的家庭護理技術(shù)。該技術(shù)是做為探討應(yīng)對老齡化社會的技術(shù)項 目CenterforAgingServicesTechnologies（CAST）的一個環(huán)節(jié)開發(fā)的。該系統(tǒng)通過在鞋、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理。而 且還可以減輕護理人員的負(fù)擔(dān)。英特爾主管預(yù)防性健康保險研究的董事EricDishman稱，“在開發(fā)家庭用護理技術(shù)方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是非常有前途的 領(lǐng)域”。

　　3．軍事領(lǐng)域

　　由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(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。

　　4．商業(yè)化用途

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還被應(yīng)用于其他一些領(lǐng)域。比如一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監(jiān)測。也可以用在交通領(lǐng)域作為車輛 監(jiān)控的有力工具。盡管無線傳感器技術(shù)目前仍處于初步應(yīng)用階段，但已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng)用價值，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進，一定會得到更大的應(yīng)用。從應(yīng) 用的情況來看，北美的狀況最好，在樓宇自動化、環(huán)境監(jiān)控等方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始大展拳腳。

　　四、需要解決的問題

　　就目前的技術(shù)水平來說，讓無線傳感器網(wǎng)正常運行并大量投入使用還面臨著許多問題：

　　1．網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)正常通信聯(lián)系中，信號可能被一些障礙物或其他電子信號干擾而受到影響，怎么安全有效的進行通信是個有待研究的問題。

　　2．成本問題。在一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面，需要使用數(shù)量龐大的微型傳感器，這樣的話成本會制約其發(fā)展。

　　3．系統(tǒng)能量供應(yīng)問題。目前主要的解決方案有：使用高能電池；降低傳感功率；此外還有傳感器網(wǎng)絡(luò)的自我能量收集技術(shù)和電池?zé)o線充電技術(shù)。其中后兩者備受關(guān)注。

　　4．高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是組織無線傳感器的成網(wǎng)技術(shù)，有多種形態(tài)和方式，合理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以最大限度的利用資源。在這里面，還包括網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議問題和大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點移動性管理等諸多問題有待解決。

　　總之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景非常誘人。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）被認(rèn)為是影響人類未來生活的重要技術(shù)之一，這一新興技術(shù)為人們提供了一種全新的獲 取信息、處理信息的途徑。由于WSN本身的特點，使得它與現(xiàn)有的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間存在較大的區(qū)別，給人們提出了很多新的挑戰(zhàn)。由于WSN對國家和社會意義 重大，國內(nèi)外對于WSN的研究正熱烈開展，希望能夠引起測控領(lǐng)域?qū)@一新興技術(shù)的重視，推動對這一具有國家戰(zhàn)略意義的新技術(shù)的研究、應(yīng)用和發(fā)展。
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