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385080668本专科信息管理与信息系统安阳师范学院人文管理学院无线传感网络的应用与发展

无线传感网络的应用与发展

摘要

无线传感器网络技术是一种全新的信息获取和信息传输技术，它将传感器技术、嵌入式计算机技术和无线网络通信技术融为一体。

无线传感器网络的节点间能够相互协作地实时感知、监测网络分布区域内的各种环境参数的信息，并能够对所检测的信息进行相应的处理，通过节点间的信息传递，从而及时、准确地将这些信息传送给上层的监控中心。

无线传感网络融合了传感技术、信息技术和网络通信技术，是信息技术领域一种全新的发展方向。

介绍了无线传感网络技术的节点结构、网络体系，重点研究分析了无线传感网络中的各项关键热点技术；介绍了无线传感网络技术在实际生活中的广泛应用；对无线传感网络的未来发展进行了展望。

关键词：

无线传感器网络，应用，关键技术

1引言

随着无线通信技术、嵌入式计算机技术、传感器技术以及半导体技术的快速发展和日益成熟，无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）作为具有感知能力、训一算能力和无线通信能力的新兴网络，其应用越来越广泛。

这种新兴的传感器网络的基本组成单位一一节点具有能够相互协作地实时感知、监测网络节点分布区域内的各种环境或是监测对象信息的能力，并可以对这些信息进行相应的处理，从而获得详细且准确的信息，最后通过相关技术传送给需要这些信息的用户。

由众多传感器节点以移动自组网、多跳网络（Ad-hoc）方式构成的一种新兴无线网络即无线传感器网络。

其主要目的是在网络所覆盖的范围内感知和采集所需要的信息并通过相关技术传送给监测者。

无线传感器网络技术作为涉及多门前沿学科的一项综合性技术，无论是在军事领域，还是在民用领域都具有相当可观的应用前景，例如军事侦察、环境监测、医疗监护、空间探索、城市交通的管理、仓库管理、智能家居等等。

2无线传感器网络的原理及系统特点

2.1无线传感器网络的原理

大量无线传感器节点互连而成的无线传感器网络，标志着传感器向微型化、智能化和无线通信化等方向的延伸。

根据在使用过程中是否移动节点，可将无线传感器网络分为两种网络：

静态网络和动态网络。

大多数的无线传感器网络是静态网络，在这种网络中，随机地或按一定要求布置在所监测区域内布置了一定数量的传感器节点，并根据用户的要求，可以实现对所监测区域内的温度、湿度、噪声、光强度、压力等参数的检测。

在动态网络中，一般是在可以移动的物体上安置传感器节点，检测物体的运动速度和方向等，如车辆或被监测的动物，它将随物体的移动而移动。

传感器节点

传感器节点

传感器网络

Sink节点

Sink节点

传输网络

基站

远程客户端

互联网

远程数据

服务器

图2-1具有代表性的WSN系统结构

具有代表性的无线传感器网络系统结构如图2-1所示。

由图可知，传感器节点、Sink节点、传输网络、基站、互联网等部分组成了无线传感器网络。

通常，为了能够获得较为准确的数据，在所检测的环境区域内布置高密度的无线传感器节点，并目_在不同的分布区域内可能需要组建多个传感器网络。

通常，是一种微型嵌入式系统设备可以构成无线传感器节点，它集传感器、控制器和无线通信模块十一体，它能够在资源有限的形式下进行采集数据，处理以及无线通信等操作。

Sink节点同传统无线网络中的网关具有相似的功能。

Sink节点由于要把数据转发给远程控制节点，因此它通常具有较高的电能和较高的发射功率。

传输网络作为一个局部网络的作用是协同各个无线传感器网络中的Sink节点、综合网关节点信息。

一台能够和互联网相连的计算机成为基站，接收传输网络传送过来的所有数据，并由它收集并将这些数据通过互联网发送至数据处理中心，同时基站还拥有一个缓存最新的传感数据的本地数据库副本，能够将传感数据的口志保存到本地的数据库中。

远程服务器可以向科研人员提供接入互联网终端的远程数据服务，并进一步分析处理传感器节点采集到的初级数据。

根据无线传感器网络的通信模式可将无线传感器网络分为两类典型的应用模式，分别是由传感器节点将监测环境中发生的事件或环境变化的状态报告给监控中心，称为多到一的通信模式；由监控中心向所监测区域内的传感器节点发布命令，传感器节点在接收到命令后执行相关命令并向监控中心发送相应的监测数据，称之为一到多的通信模式。

两者相比较而言，多到一的通信模式的数据量较一对多的通信模式大。

虽然无线传感器网络应用十不同的环境中，但是其节点都具有相似的构架，可以将节点划分成数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和供电单元这四部分，具体的传感器节点组成框图如图2-2所示。

数据采集单元数据处理单元数据传输单元

无线

收发模块

传感器

A/D转换器等

处理器

存储器

供电单元

图2-2无线传感器网络节点组成框图

数据采集单元负责使用传感器对监测区域内的信息进行采集；数据处理单元实现数据的分析、处理和存储功能；数据传输单元负责低功耗短距离节点间的通信；供电单元为其他各个单元提供所需要的电能以保证各个单元电路的正常工作。

2.2无线传感网络的系统特点

无线传感器网络节点往往都是通过多跳形式完成通信的，大部分节点既有数据采集功能也有路由功能。

它具有无中心、自组织、自动配置、自动路由等特点。

在现有的网络模型中，只有移动的Ad-hoc网络（MobileAd-hocNetwork，MANET）与无线传感器网络最为接近。

例如：

网络拓扑都是动态可变的，能量都十分有限，网络节点之间通信都是通过无线方式进行联系的等等。

然而，由于无线传感器网络的自身特点以及应用不同决定了它与传统的Ad-hoc网络具有以下不同的特点。

（1）由于无线传感器网络是在监测区域内布置了大量的传感器节点，所以在网络规模方面要比传统的Ad-hoc网络大的多。

因为布置的节点数量众多，所以在无线传感器网络中的节点没有统一的网络标识（ID）。

（2）为了能够获得较为准确的数据，监测环境中一般要求布置高密度的节点。

所以具有网络分布密度大的特点。

（3）由于无线传感器网络节点需要对环境数据进行实时的监测，节点的电池一般不能更换，能源具有不可替代性。

所以电源能量受到限制是其严重问题。

（4）节点需要对检测到的大量数据进行处理，存储。

在考虑低成本的情况下，其节点的能量、计算能力和存储能力都受到很大的限制。

（5）无线传感器网络中的数据主要流向数据处理中心并集中在数据处理中心，而且流向处理中心的数据量一般情况下都大于相反方向的流量，从而导致流量不均衡的特点。

（6）与以传输数据为中心的传统网络相比，无线传感器网络节点的信息转发节点不但负责数据的转发，还负责数据的处理，使其中间节点具有双重功能。

（7）节点采集的数据具有很大的相似性，网络中的冗余程度较大。

2.3无线传感器网络研究所面临的困难

无线传感器网络是一种能通过无线传输数据的自组织分布式网络系统，能根据环境自主完成指定任务，其是针对某种数据采集需求而专门建立的，其数据速率低，且由于要满足低成本、低功耗、体积小、野外部署等要求，与一般的网络相比具有数据处理慢、存储空间小、覆盖范围广、节点布置密度高、通信能力有限、网络拓扑结构变化频繁感知数据流巨大等特点。

使得对无线传感器网络的研究存在以下困难：

（1）通信能力有限

由于无线传感器网络占用的通信带宽窄容易受到外界噪声的影响，其通信距离只有几十到几百米，而且节点之间的通信容易出现断接，导致节点之间通信失败。

在恶劣自然环境下甚至出现节点长时间的脱离网络，离线工作。

（2）电池续航能力有限

无线传感器网络节点的电池续航能力是一个制约性问题。

由于大部分的网络节点需要布置在野外等特殊环境，大多数的节点会由于能源耗光问题，导致网络失效。

如何减小节点功耗，提高节点工作时间成为一个研究热点。

虽然从理论上可以用太阳能电池补给电能，但是在实际工程中还有很大的难度。

（3）数据处理能力有限

虽然无线传感器网络节点结合了嵌入式技术并具有数据存储功能等，但是由于自身的功能限制，其数据处理和存储都受到限制。

（4）动态网络

无线传感器网络中的传感器、感知对象和观察者都可能具有移动性，使得无线传感器网络具有动态性，再加上经常有新的节点加入或由于电源耗尽导致节点的失效，从而使得网络拓扑随时可能发生变化。

（5）成本问题

由于无线传感器由大量的传感器节点组成，其成本问题将会在很大程度上制约它的发展。

3无线传感器网络关键技术

3.1无线传感器网络通信体系结构

要解决无线传感器网络中的通信能力有限、数据流量不均衡以及数据融合等问题，就要设计和选择合适的网络体系结构。

无线传感器网络一般采用分层的通信体系结构，其通信体系结构如图3-1所示。

由图可以看出其通信结构主要由通信协议、WSN管理和支撑技术构成，该结构图清晰的描述了无线传感器网络组成中各部分的逻辑关系。

无线传感器

网络管理接口

无线传感器网络服务接口

应用层

能源

管理

无线网络管理

节点定位

时钟同步

传输层

安全

机制

QoS

传输控制

网络层

拓扑管理

路由算法

数据

链路层

红外传输

接入信道

物理层

红外传输

无线电传输

图3-1无线传感器网络通信体系结构图

3.2无线传感网络协议分析

无线传感网络协议主要是由物理层､数据链路层､网络层和传输层组成｡物理层:

主要功能是信道频率选择,无线信号的监测､数据的发送与接受等｡物理层的设计目标是以尽可能少的减少能量消耗获得较大的链路容量｡目前使用的频段有3个:

2.4GHz频段､915MHz频段､868MHz频段｡其中目前广泛应用的频段是915MHz频段｡

数据链路层:

分为媒体访问控制层（MAC层）和逻辑链路层（LLC层）两部分｡这一层的主要功能是负责数据流的多路复用,数据帧的监测,媒介访问和差错控制,确保通信的可靠连接｡其中MAC协议决定了无线传感网络中无线信道的使用方式,在各个节点之间分配有限的无线通信资源,用来构造传感器网络系统的底层基础结构｡在MAC协议的研究中重要考虑节省能量､可扩展性､公平性､利用率和实时性等方面｡射频模块是节点中最大的耗能部件,是优化的主要目标,MAC协议直接控制射频模块,对节点功耗有重要影响｡因此MAC协议一般采用了“侦听\休眠”交替的信道侦听机制,节点空闲时自动转换为休眠状态,以减少空闲侦听消耗能量｡所以我们可以根据协议中减少数据碰撞和串音现象采用不同的方法,将MAC协议分为3类:

第一类利用时分复用（TDMA）机制的MAC协议,比较典型的协议有DEANA协议､TRAMA协议､DMAC协议等;第二类利用频分复用（FDMA）机制和码分复用（CDMA）机制的MAC协议,典型的协议有SMACS/EAR协议;第三类通过无线信道的随机竞争机制的MAC协议,典型的协议有S-MAC协议､T-MAC协议等｡

网络层:

主要负责路由发现､路由转发和维护｡在无线传感网络中,路由协议对于能量消耗､鲁棒性和扩展性等都起着非常重要的作用｡由于无线传感网络资源的局限性,路由协议在设计上不能执行非常复杂的计算,不能在节点设备上保存太多的状态信息｡当前,路由协议根据拓扑结构可以划分为平面路由协议和分级路由协议｡而在分级路由协议中最典型的是针对传感网络节点的低能耗所设计的低能量自适应分群协议（LEACH协议）和门限敏感的传感网络节能协议（TEEN）等｡

传输层:

主要负责无线传感网络节点所采集的数据信息提供给外部网络｡由于节点能量和存储能量的局限性,传输层协议的设计存在一定的难度,当前的这个方面的研究仍然处于探索阶段｡许多研究机构设计的模型一般是由网关节点（SINK）来收集无线传感网络采集的数据信息,然后通过卫星､移动网络､Internet和外部网络进行通信｡

3.3网络支撑技术分析

目前,在无线传感网络的中针对网络支撑技术的研究主要集中在定位技术和时间同步技术上｡

网络节点定位技术:

和传统的计算机网络相比,无线传感网络与实际物理世界建立了紧密的联系,在进行采集信息数据时必须确定位置,这样数据才有实际意义｡所以,定位技术在无线传感网络中占有非常重要的地位｡定位信息除了报告事件发生的地点外,还具有很多用途,如:

目标跟踪､路由协助和网络管理等等｡定位技术中根据是否测量实际节点间的距离将传感网络的定位算法分为基于距离的定位算法和距离无关的定位算法｡基于距离的定位算法需要测量相邻节点间的绝对距离,并利用节点间的实际距离来计算未知节点的位置｡采用这种机制的典型定位算法有基于TOA的定位协议,基于TDOA的定位协议以及基于AOA的定位协议等｡距离无关的定位算法利用节点间的估计距离来计算节点位置｡采取这种机制的典型算法有质心算法､DV-Hop算法､APIT算法和Amorphous算法等｡

时间同步技术:

传感网络中每个节点都有自己的本地时钟,由于各节点的晶体振荡器频率存在偏差,所以传感网络在实际应用中就必须采用时间同步机制将网络中的所有节点的本地时钟调整为统一的时间｡时间同步机制是无线传感网络的一项关键支撑技术｡对无线传感网络时间同步的研究主要集中在两个方面:

一是尽量减少同步算法对时间服务器及信道质量的依赖,缩短可能引起同步误差的关键路径,从而提高同步精度;二是从能耗角度,研究节能,高效的同步算法｡目前时间同步算法中最典型的有RBS协议､TPSN协议和FTSP协议等｡

3.4网络管理技术分析

在无线传感网络的实际应用中必不可少的就是对采集的信息数据进行管理和处理｡对于数据的存储而言,无线传感网络可以视为是一种分布式数据库,以数据库的方法来进行数据管理,可以将存储在网络中的数据的逻辑视图和网络中的实现进行分离｡目前,在许多研究机构中主要集中在半分布式结构方面｡美国加州大学伯克利分校的TinyDB系统和Cornell大学的Cougar系统是目前最具有代表性的无线传感网络管理系统。

4无线传感网络应用领域

无线传感网络是通过不同类型的传感器节点（例如:

温湿度感应器,光度感应器,图像获取感应器,声波感应器等等）对特定环境进行监控,采集和获取监控环境的信息,以便我们采取有效的控制措施｡目前,传感器网络已经广泛的应用于军事､商业､环境､医疗等各领域｡随着技术不断的成熟,将深入到我们日常生活的各个领域｡

4.1军事领域

最早提出的无线传感网络应用就是在军事领域方面｡应用无线传感网络的一个好处在于它能代替防御边界上的警卫和岗哨,通过在边界设置大量的无线传感器节点,士兵可以通过节点上特定的传感器设备实时采集获取边界的各种信息｡在地雷中采用无线传感网络后,这些地雷将和一般杀伤性地雷一样具有杀伤力,但是可以通过节点获取当前的信息,战后也可以通过实时的信息数据进行有效的处理｡无线传感网络还可以用于目标定位和识别目标以防范可能的袭击,还可通过定位友军部队和无人驾驶车辆来协助进攻｡战后我们也可以通过无线传感网络对整个战场中的核污染､环境破坏进行评估｡

4.2环境检测

随着人们对于环境的日益关注,环境科学所涉及的范围越来越广泛,通过传统方式采集原始数据是一件非常困难的工作｡无线传感器网络为野外环境随机性的研究提供了方便｡

WSN在环境方面的应用包括:

跟踪鸟类运动;监测影响庄稼和牲畜的环境条件;在海洋､陆地､大气里进行生物､地球和环境监视;森林火灾监测;气象和地球物理的研究;洪灾监测;污染研究等｡加州大学伯克利分校利用传感器网络监控大鸭岛（GreatDuckIsland）的生态环境,在岛上部署了一个多层次的网络系统,用来监测岛上海燕的生活习性｡

4.3医疗卫生

应用无线传感网络在医疗和健康护理方面的应用包括监控患者和医生的行为,监测病人身体里的各种生理数据等｡如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点,如血压和心率监测设备,利用无线传感网络医生就可以随时了解被监护病人的病情,发现异常能够迅速抢救｡还可以利用无线传感网络实时地收集人体的生理数据,分析这些数据信息不仅可以了解人体活动机理,而且可以用在新药品的研制中｡随着无线传感技术发展的日益成熟,无线传感网络将成为远程医疗提供更加快捷､便利的技术基础｡

4.4家庭应用

随着无线传感技术的进步,智能传感器节点安装在一些家电和家居里,将为人们提供更加舒适､方便和更具人性化的智能家居环境｡比如:

真空吸尘器､微波炉､冰箱和录像机内安装特定的传感器设备,这些传感器之间相互协作并通过因特网或通信卫星与外部网络交互｡这样就允许终端用户更加容易地遥控家用产品,通过图像传感器设备随时监控家里的安全｡

4.5其他方面的应用

在工业上,无线传感网络主要用于对大型设备的监控,以掌握设备的运行情况或者设备所处环境的情况,从而实时掌握当前设备的工作状态,避免一些重大的安全隐患｡无线传感器网络在智能交通领域也有着很大的应用前景,通过在道路两侧安放传感器节点,构造无线传感器网络来获取交通信息,从而实现交通控制､交通诱导､紧急车辆优先､停车场信息提供､不停车收费､事故避免等智能交通的特色功能｡

5总结

无线传感网络将在未来有着十分广泛的应用,可以涉及到人类生活的方方面面,所以目前很多国家的高校和研究机构都开展了大量的研究工作｡由于传感网络是一门新兴技术,我国与国际水平差距不大,所以及时开展这项技术的深入研究对整个国家都有重大的战略意义,随着今后信息技术的发展,关于无线传感网络的若干关键问题都将被解决,其必将对21世纪人类的生活产生重大的影响

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致谢

在此，衷心感谢我的毕业论文老师，在老师的耐心指导下，经过奋战，我终于完成了本毕业论文。

没有她的耐心辅导，我的论文将无从谈起，每当我遇到困难的时候，是她在我身边耐心地指导，并指引我走进新的领域，让我由陌生到熟悉，从而学到了许多平时在课堂上没有学到的东西。

我要感谢那些曾经、现在或者将来工作在这一领域的人，他们锲而不舍的精神一直是我前进的动力，正是借鉴了他们积累的丰富知识、经验，我才能顺利完成这篇论文。

另外，还要特别感谢我的家人，你们时刻关心我，是你们给了我学习的机会,是你们时时刻刻为我鼓劲、为我加油，进而促使我不断成长。

同时也要感谢寝室的室友以及所有关心我的朋友，跟你们走过了很多美好的时光，在我遇到困难时你们关心我、帮助我，在此次毕业论文中很多朋友也给我解决了当中出现的一些问题，真的很感谢。

最后，再次感谢你们，祝愿你们工作顺利，生活愉快！