無線傳感網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用探析

1概述
1.1無線傳感網(wǎng)簡介
無線傳感網(wǎng)絡(luò)是集數(shù)據(jù)采集，信息傳輸，信息處理等多個(gè)技術(shù)為一體的綜合智能信息系統(tǒng)。它融合了電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，無線通信技術(shù)，分布式信息處理等理 論，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測并感知其覆蓋區(qū)域中的環(huán)境以及各被監(jiān)控對象的狀態(tài)，而后將數(shù)據(jù)信息通過無線傳輸方式發(fā)送到到控制中心，供觀察者進(jìn)行處理。

1.2無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)
和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通用的模式不同，WSN可以針對不同的應(yīng)用，需要調(diào)整自身的配置，如節(jié)點(diǎn)密度，通信協(xié)議等，其主要特點(diǎn)如下。
（1）節(jié)點(diǎn)能量受限。WSN中的節(jié)點(diǎn)通常由電池供電，由于電池的容量一般不能維持節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)間過長，并且無線傳感節(jié)點(diǎn)往往部署于野外環(huán)境中，無法及時(shí)充電或更換電池，當(dāng)電池電量耗盡，節(jié)點(diǎn)也就隨之失效。
（2）節(jié)點(diǎn)處理能力受限。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)受體積和成本的影響，內(nèi)存和處理器均不能和普通計(jì)算機(jī)相比，其處理程序和運(yùn)算數(shù)據(jù)的能力也有限，這決定了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不能過于復(fù)雜。
（3）WSN是一種自組織網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織分布形成WSN，網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)采用Adhoc方式進(jìn)行配置，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)中同時(shí)充當(dāng)主機(jī)和路由器的 角色，具有路徑尋址和維護(hù)功能。由于傳感器節(jié)點(diǎn)自身的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生變化，因此要求節(jié)點(diǎn)需要有維護(hù)動(dòng)態(tài)路由的功能，以保證網(wǎng)絡(luò)正常工作。
（4）以數(shù)據(jù)為中心。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，為了節(jié)省能量的消耗，要求在保證通信質(zhì)量的前提下，盡可能的減少信息傳輸量，只需將用戶關(guān)心的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集傳輸，即WSN是一種以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。

2無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)
2.1網(wǎng)絡(luò)的自組織和自我管理
WSN采用無線自組織方式進(jìn)行組網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)放入檢測區(qū)域后，搜集被檢測信息，并把這些信息發(fā)于鄰接節(jié)點(diǎn)，并將其周圍的鏈路連接信息發(fā)回給sink節(jié)點(diǎn)，sink節(jié)點(diǎn)把從所有信息進(jìn)行匯總分析后，可得到網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳輸路由等信息。

WSN的拓?fù)湫问揭话阌腥N：簇方式、 平面結(jié)構(gòu)、棧結(jié)構(gòu)。三種結(jié)構(gòu)各有利弊，需在具體的應(yīng)用中靈活選取，當(dāng)節(jié)點(diǎn)失效或加入新節(jié)點(diǎn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^大時(shí)，需要能很快的適應(yīng)這種變化，快速的使網(wǎng)絡(luò)正常工作，即WSN需要良好的自適應(yīng)性。

2.2節(jié)點(diǎn)軟硬件系統(tǒng)集成
無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是嵌入式系統(tǒng)，包括電源系統(tǒng)，存儲器，微處理器，無線收發(fā)模塊等。近年來，隨著芯片技術(shù)、嵌入式技術(shù)。MEMS技術(shù)的發(fā)展，已 經(jīng)可以將這些部件很好的集成。由于節(jié)點(diǎn)能量有限，在設(shè)計(jì)部件如：無線收發(fā)器和微處理器要求其功耗較小，且能自動(dòng)節(jié)省能量，比如休眠模式等，以便在不參與工 作時(shí)候消耗較低的電量。這些功能需要通過操作系統(tǒng)來集成，目前最常用的操作系統(tǒng)有uC-OS-2、嵌入式linux、TInyOS操作系統(tǒng)，這些操作系統(tǒng) 具有內(nèi)核小，模塊化設(shè)計(jì)，占用資源少等特點(diǎn)，可以大大提無線傳感網(wǎng)絡(luò)性能。

2.3相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
WSN和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在職能上有較大的不同。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是以傳輸數(shù)據(jù)為中心，中間的節(jié)點(diǎn)主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，而不需要處理分析數(shù)據(jù)的。而傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中 心，中間節(jié)點(diǎn)不僅僅只是將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效融合和其他處理等功能，因此傳統(tǒng)Ad-自組織網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議并不完全適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和 要求，因此所以在路由選擇上也必須有更加適合的協(xié)議。

2.4能源管理
在WSN中，為了節(jié)省能量，不管是節(jié)點(diǎn)自身還是通信協(xié)議都需要更為合理的設(shè)計(jì)，以適應(yīng)節(jié)點(diǎn)在工作和休眠之間的轉(zhuǎn)換的需要。可以通過在應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、接入 層協(xié)議的控制，引入能源控制的理念，以延長網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。此外，還可以通過將鏈路層應(yīng)答和網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)答跨層結(jié)合起來進(jìn)行設(shè)計(jì)，既可以滿足性能的要求，也可 降低功耗。

2.5無線傳感網(wǎng)絡(luò)的安全問題
無線傳感網(wǎng)絡(luò)由于其傳輸信道的特殊性，其安全問題更顯得尤為重要。例如802.11無線協(xié)議就存在嚴(yán)重的安全漏洞，黑客可以通過軟件和硬件工具來干擾無線網(wǎng)絡(luò)。目前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全研究有：信息認(rèn)證、信息加密、入侵檢測、防止而已攻擊等。

3無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用分析
無線傳感網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)分布的特點(diǎn)，廣泛用于環(huán)境、醫(yī)療和家庭辦公等。

3.1環(huán)境監(jiān)測
傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的成本較低、容易布局的特點(diǎn)非常適合環(huán)境監(jiān)測，比如在水環(huán)境應(yīng)用中，針對水環(huán)境監(jiān)測和WSN各自的特性，重點(diǎn)研究數(shù)據(jù)融合和聚集技術(shù)，以保證水污染等報(bào)警的正確率；此外還可以應(yīng)用在鳥類、昆蟲的遷徙跟蹤，大面積地質(zhì)結(jié)構(gòu)監(jiān)控，森林火災(zāi)的預(yù)警等方面。

3.2醫(yī)療方面
無線傳感網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療方面的應(yīng)用有：對人類生理數(shù)據(jù)的無線監(jiān)測，WSN可以長期收集人類的生理數(shù)據(jù)，供醫(yī)學(xué)部門研究應(yīng)用；在醫(yī)院對醫(yī)護(hù)人員和患者進(jìn)行監(jiān)控和 追蹤，讓患者佩戴完成特殊任務(wù)的微型傳感器，可以監(jiān)視患者的心率，血壓、體溫等指標(biāo)，醫(yī)生可以實(shí)時(shí)保持與患者的聯(lián)絡(luò)。從而能及時(shí)的處理問題。

3.4家庭及辦公自動(dòng)化
隨著技術(shù)的發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以嵌入吸塵器、微波爐、冰箱等家用電器，這些電器可以通過手機(jī)，PDA、手機(jī)和傳感器節(jié)點(diǎn)一起，接入到英特網(wǎng)中，用戶可以與 其進(jìn)行交互，方便遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作使用；也可以將傳感器放在書本，辦公文檔和其他文件中，就能準(zhǔn)確定位這些文件的位置，實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化。

4結(jié)語
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是新興的下一代無線網(wǎng)絡(luò)，在社會(huì)生產(chǎn)和人民生活各方面都有著廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，討論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)和在工業(yè)、環(huán)境、人民生活等方面的應(yīng)用。