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無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及應(yīng)用分析

發(fā)布時(shí)間:2014-08-20 責(zé)任編輯:willwoyo

【導(dǎo)讀】無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述


無(wú)線(xiàn)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(lèi)傳感器的無(wú)線(xiàn)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)?,具有其他網(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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的顯著特點(diǎn)

與蜂窩網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等其它無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)相比,無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(lài)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(xiàn)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(xiàn)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)?。無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(hù)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(xún)或傳輸線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(kāi)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(xiàn)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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以跟蹤候鳥(niǎo)和昆蟲(chóng)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(chóng)、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(xiàn)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(kāi)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(xiàn)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(xiàn)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(chē)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(chē)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(xiàn)等諸多領(lǐng)域,英特爾正在對(duì)工廠中的一個(gè)無(wú)線(xiàn)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(xiàn)傳感器技術(shù)一定會(huì)得到更大的應(yīng)用。
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