无线传感器网络应用综述.docx

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无线传感器网络应用综述

无线传感器网络应用综述

ResearchOnSensorTechnologyFaceToWirelessSensorNetwork

Abstract：

Thewirelesssensornetworkisapresentdomesticandforeignresearchkeydirection,hastheextremelywidespreadapplicationprospect.Itsapplicationanddevelopmentwillbringtheprofoundinfluencetohumanity'slifeandproductioneachdomain.Thispaperhasbeenappliedtothespecificsensortechnologyforwirelesssensornetworksanalyzed,summedupthewirelesssensornetworkapplicationsforthesensortechnologydemandconstraints.Basedonthesedemandslookedtothefutureofwirelesssensornetwork.

摘要：

无线传感器网络是目前国内外研究的一个热点方向,具有非常广泛的应用前景,其应用与发展,将对人类的生活和生产的各个领域带来深刻的影响。

对目前已经应用于无线传感器网络的具体传感器技术进行了分析,总结了无线传感器网络应用对传感器技术的需求约束。

依据这些需求展望了未来可能应用于无线传感器网络的传感器技术。

一、前言

无线传感器网络（WSN）是由一组传感器节点以自组织方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被监测对象的信息，并发布给观察者。

它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，在军事、工业、医疗、交通、环保等诸多方面有着巨大的应用价值。

WSN技术是2003年美国《技术评论》杂志评出的十种将改变世界的新兴技术之一，也是美国《商业周刊》评出的未来将掀起新的产业浪潮的四大高新技术之一，它引起了军事部门、工业界和学术界越来越多的关注。

二、无线传感器网络的主要特点[1，2]

目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、ADhoc网络等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下特点：

1、集感知、处理、传输为一体。

无线传感器网络节点是集传感器（感知部件）、处理器单元（例如AMR7、8680等）、短距离无线通信模块（例如RFM公司的TR1000、Zigbee传输单元等）于一体的综合系统，通过综合的处理，完成了数据采集，转换和传输，同时由于集成，它实现了节点的微型化，无线传感器网络的应用领域大大拓宽。

2、硬件资源有限。

节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。

这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。

3、电源容量有限。

网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。

其特殊的应用领域决定了使用过程中，不能给电池充电或是换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用（死亡）。

因此在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。

4、无中心。

无线传感器网络中没有严格的控制中心，所以节点地位平等，是一个对等式网络。

节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。

5、自组织。

网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。

6、多跳路由。

网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与它邻居直接通信。

如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由选择。

固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。

这样每个节点既可以是信息的发起者，也是信息的转发者。

7、动态拓扑。

无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动：

一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行：

一个节点也能由于工作的需要而被添加到网络中。

这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。

8、节点数量众多，分布密集。

为了对一个区域执行检测任务，往往有成千上万传感器节点空投到该区域。

传感器节点分布非常密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。

这些特性都决定了无线传感器网络在诸多方面都有广阔的应用前景。

三、无线传感器网络的应用

无线传感器网络发端于军事领域[3]相关研究不仅对推动了军事科技的发展，其应用还扩展到环境监测、医疗保健、家居、商业、工业等其它众多领域，执行传统系统难以完成的任务。

它以微型节点自主网络为核心的一系列技术，也推动了人们对网络技术的进一步深入了解。

1、无线传感器网络在军事方面的应用

在军事领域，传感器网络将会成为C4ISRT（commandcontrolcommunicationcomputingintelligencesurveillancereconnaissanceandtargeting）系统不可或缺的一部分，C4ISRT系统的目标是利用先进的高科技技术，为未来的现代化战争设计的一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统，受到了军事发达国家的普遍重视，因为传

感器网络是密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，也正是这一点，使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，并实时监控我军兵力、装备和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防定位攻击目标，评估损失等。

具体在军事方面比较典型的研究项目有：

（1）智能微尘（smartdust）[4]

智能微尘（smartdust）是一个具有电脑功能的超微型传感器，它由微处理器、无线电收发装置和使它们能够组成一个无线网络的软件共同组成。

将一些微尘散放在一定范围内，它们就能够相互定位，收集数据并向基站传递信息。

近几年，由于硅片技术和生产工艺的突飞猛进，集成有传感器、计算电路、双向无线通信模块和供电模块的微尘器件的体积已经缩小到了沙粒般大小，但它却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。

未来的智能微尘甚至可以悬浮在空中几个小时，搜集、处理、发射信息，它能够仅依靠微型电池工作多年。

智能微尘的远程传

感器芯片能够跟踪敌人的军事行动，可以把大量智能微尘装在宣传品、子弹或炮弹中，在目标地点撒落下去，形成严密的监视网络，敌国的军事力量和人员、物资的流动自然一清二楚。

（2）目标定位网络嵌入式系统技术

目标定位网络嵌入式系统技术（NetworkEmbedSystemTechnology）[5]是战场应用实验是美国国防高级研究计划局主导的一个项目，它将实现系统和信息处理融合。

项目的定量目标是建立包括10~100万个计算节点的可靠、实时、分布式应用网络。

这些节点包括连接传感器和作动器的物理和信息系统部件。

基础嵌入式系统技术节点采用现场可编程门阵列（FPGA）[6、7]模式。

该项目应用了大量的微型传感器、微电子、先进传感器融合算法、自定位技术和信息技术方面的成果。

项目的长期目标是实现传感器信息的网络中心分布和融合，显著提高作战态势感知能力。

2003年该项目成功验证了能够准确定位敌方狙击手的传感器网络技术，它采用多个廉价音频传感协同定位敌方射手并标识在所有参战人员的个人计算机中，三维空间的定位精度可达到1.5米，定位延迟达到2秒，甚至能显示出敌方射手采用跪姿和站姿射击的差异。

这对提高战斗员的打击精度起到了很大的帮助。

（3）战场环境侦察与监视系统美国陆军最近确立了“战场环境侦察与监视系统”项目。

该系统是一个智能化传感器网络，可以更为详尽、准确地探测到精确信息，如一些特殊地形地域的特种信息（登陆作战中敌方岸滩的详实地理特征信息，丛林地带的地面坚硬度、干湿度）等，为更准确地制定战斗行动方案提供情报依据，它通过“数字化路标”作为传输工具，为各作战平台与单位提供“各取所需”的情报服务，使情报侦察与获取能力产生质的飞跃。

2、无线传感器网络在工业方面的应用[8]

在计算机、通信和网络技术发展的推动下，工业通信技术的发展经历了20世纪六七十年代的模拟仪表控制系统、20世纪八九十年代的集散控制系统（DCS）[5]和20世纪末的现场总线控制系统（FCS）阶段，正朝着智能化和网络化的方向不断发展。

随着测控系统规模的不断扩大，降低投资和使用成本成为工业通信技术发展新阶段的迫切要求。

在这一背景下，无线传感器网络的低成本、易用、泛在感知等特征引起了人们广泛的关注。

利用它的这些特征，人们可以以较低的投资和使用成本实现对工业全流程的全面监测，获取传统由于成本原因无法在线监测的重要工业过程参数，并以此为基础实施优化控制，来达到提高产品质量，降低工业生产过程中的跑冒滴漏、提高能源效率的目标。

（1）工业安全

以煤炭工业[10]为例，近年来，煤矿发生事故的数量在不断增加，就现有的煤矿监控而言，存在着地而与井下人员的信息沟通不及时；地而人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况。

有线的通讯方式在动态生产的煤矿井下应用存在诸多不便，井下地形也复杂，有线布线不便，建设成本也高；另一方面现有的监控设备都是自成体系，没有统一的网络平台，兼容性很差。

离实时预警的目的还很远。

我国现有大型煤矿六百多家，中型煤矿两千多家，中小型煤矿一力一余家。

煤炭行业对先进的井下安全生产保障系统的需求巨大。

例如北京邮电大学的研究人员开展了煤矿瓦斯报警和矿工定位无线传感器网络系统的研究，一个节点上包括了温湿度传感器、瓦斯传感器、粉尘传感器等。

传感器网络经防爆处理和技术优化后，可用于危险工作环境，在煤矿工作的员工及其周围环境将可以得到随时监控。

（2）先进制造

随着制造业技术的发展，各类生产设备越来越复杂精密。

现在工作人员从生产流水线到复杂机器设备，都尝试着安装相应的传感器节点，以便时刻掌握设备的工作健康状况，及早发现问题及早处理，从而有效地减少损失，降低事故发生率。

电子科技大学、中国空气动力研究与发展中心以及北京航天指挥控制中心的研究人员，利用无线传感器网络进行大型风洞测控环境的监测，对旋转机构，气源系统、风洞运行系统，以及其他没有基础设施而有线传感器系统安装又不方便或不安全的应用环境进行全方位检测。

（3）交通控制管理

1995年美国交通部提出了“国家职能交通系统项目规划”，预计到2025年全而投入使用。

该系统综合运用大量传感器网络，配合GPS系统、区域网络系统等资源，目的是使所有车辆都能保持在高效、低耗的最佳运行状态，前后自动保持车距，推荐最佳路线，并在潜在的故障发出警告。

目前在美国的宾夕法尼亚州的匹兹堡市就己经建有这样的交通信息系统，并由电台媒体附带产生了一定的商业价值。

武汉理工大学开展了无线传感器网络在火车车厢环境中的测控应用，对车厢内的空气质量、安全隐患等等进行全程检测。

3、无线传感器网络在生活方面的应用—智能家居系统

家庭自动化系[11][12][13]指利用微处理电子技术，来集成或控制家中的电子电器产品或系统，例如：

照明灯、咖啡炉、电脑设备、保安系统、暖气及冷气系统、视讯及音响系统等。

家庭自动化系统主要是以一个中央微处理机（CentralProcessorUnit，CPU）接收来自相关传感器所探测的外界环境因素的变化信息，如太阳初升或西落等所造成的光线变化等）的讯息后，再以既定的程序发送适当的信息给其它电子电器产品。

现代的大多数学者研究的主要方向是数据采集的具体方案，并对已有方案进行改进。

现代化居住格局使家庭生活的封闭性越来越强，安全问题显得尤为重要。

当前安全防范及报警系统是确保住宅、住户安全的极为重要的途径之一，同时也是数字化家庭的重要组成部分。

遇到匪警、火警、煤气泄漏等紧急情况时，及时通过电话完成对外报警求助十分必要。

有了无线传感器网络，这些问题都可以得到很好的解决。

（1）防盗防火系统

对于防火设施我们并不陌生，但是我们熟悉的大多是传统的消防器材，传统的消防器材还是主要依赖人的操作，在实时性方面不能满足要求，而传感器网络就是恰恰弥补了这方面的缺陷，在出现火情时，特殊传感器能迅速探测环境种的烟雾浓度和温度等参数，当达到所设定的阈值时，就会控制相应的消防设施进行灭火，并通知所在区域的人员，让其有充足的时间撤离现场。

（2）车辆定位[14，15]

车辆定位主要的方法有很多种，以检测超声波强度的传感器为例，实现了一个无线传感器网络，根据传感器所检测的超声波强弱来决定开启或关闭车位指示灯，从而判断是否有车辆进入检测区域。

这种传感器网络综合了嵌入式技术、传感器技术、短程无线通信技术，有着广泛的应用。

该系统不需要对现场结构进行改动，不需要原先任何固定网络的支持，能够快速布置，方便调整，并且具有很好的可维护性和拓展性。

四、结束语

无线传感器网络的应用很广泛，本文在这里介绍是无线传感器网络应用的主要方面，但无线传感器网络的应用远不止这些，它还可以应用到环境监测，医疗卫生，物流，以及机器人的控制等等。

随着人们生活水平的不断提高，人们对所在的生存条件的要求将越来越高，这样大量的无线传感器将成为现代人的“眼睛，耳朵，鼻子”，不断提高人们的生产效率，提高人类对自然的认识。

使得人们更好的趋利避害。

保证生命财产的安全。

【参考文献】

[1]ESTRIND,GOVINDANR,HEIDEMANNJ.Nextcenturychallenges:

scalablecoordinationinsensornetworks[A].ProceedingsoftheFifthAnnualInternationalConferenceonMobileComputingandNetworks（MobiCOM'99）[C].Washington,USA,1999.263-270.

[2]AGREJ,CLAREL.Anintegratedarchitectureforcooperativesensingnetworks[J].IEEEComputerMagazine,2000,33（5）:

106-108.

[3]wsn的关键问题及军事应用,韩红彦,张西红,王卫国,张晓,军械工程学院,石家庄,050031.

[4]WarnekeB,LastM,LiebowitzB,PisterKSJ.Smartdust:

Communicatingwithacubic-millimetercomputer.IEEEComputerMagazine,2001,34

（1）:

44~51.

[5]MENGFan-rongHUOYanZHOUYongSchoolofComputerScienceandTechnology,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou,Jiangsu221008,ChinaNingboCityCollegeofVocationalTechnology,Ningbo,Zhejiang315211,China.ofMining&Technology,Xuzhou,Jiangsu221008,ChinaNingboCityCollegeofVocational

Technology,Ningbo,Zhejiang315211,China.

[6]基于现场可编程门阵列的束流快引出控制系统设计,郭玉辉,乔卫民,李桂花,王彦瑜,强激光与粒子束>19卷>10期.

[7]大规模现场可编程门阵列（FPGA）开发系统电源设计研究（转贴）虞露,李儆,冯兴光,浙江大学信电系信息与通信工程研究所,浙江,杭州.

[8]无线传感器网络应用实例荟萃,陈建峰,西安成峰科技有限公司.

[9]论DCS控制系统可靠性的提高,孙铎（哈尔滨电机厂有限责任公司大电机研究所,黑龙江哈尔滨,150040）.

[10]无线传感网络技术在煤矿人体安全监测系统中的应用,李胜明,白铁成,吕实诚.

[11]中国智能家居网.

[12]基于无线传感器网络技术智能家居报警系统设计《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》2008年,第24卷,第02期.作者:

郑君刚,吴成东,刘大任,韩中华,白亮.

[13]基于无线传感器网络的智能家居数据采集系统设计《科技信息（学术版）》2007年,第03期.作者:

张鹤,张莺.

[14]AlanMainwaring，JosephPolastre,RobertSzewczyk,DAVCullerandJohnAnderson.WirelessSensorNetworksforHabitMonitoring[C].In:

FirstACMInternationalWorkshoponWirlessSensorNetworksandApplications，Atlanta，Georgia,USANewYork,NY,USA:

ACMPress,2002:

88~975.

[15]YOUNISO,FAHMYS.HEED:

ahybrid,energyefficiendistributedclusteringapproachforAdHocsensornetwork[J].IEEETransactionsonMobileComputing,2004,3（4）366-379.