論析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用
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李振 張磊1由 分享
【論文關(guān)鍵詞】無線傳感器;網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用;未來展望
【論文摘要】本文從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義出發(fā),簡單闡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成和介紹無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史,用幾個(gè)實(shí)例展示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用,最后展望了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景。
1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
1 .1定義
就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。
1.2發(fā)展歷史
早在上世紀(jì)70年代,就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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)科的的不斷發(fā)展和進(jìn)步,傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還具有了獲取多種信息信號(hào)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(yùn)用,并使用無線技術(shù)連接,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。
1.3組成
一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括三要素,即傳感器、感知對(duì)象和觀察者。傳感器由電源、感知部件、嵌人式處理器、存儲(chǔ)器、通信部件和軟件等幾個(gè)部分組成,這些部分相互協(xié)調(diào),共同完成對(duì)外界信息的感知功能;感知對(duì)象是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測目標(biāo);觀察者是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶,是傳感信息的接收者和應(yīng)用者。
1.4特點(diǎn)
(1)自組織。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)具有自動(dòng)組網(wǎng)的功能,節(jié)點(diǎn)間能夠相互通信協(xié)調(diào)工作。(2)多跳路由。節(jié)點(diǎn)受通信距離、功率控制或節(jié)能的限制,當(dāng)節(jié)點(diǎn)無法與網(wǎng)關(guān)直接通信時(shí),需要由其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)完成數(shù)據(jù)的傳輸,因此網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路由是多跳的。(3)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。在某些特殊的?yīng)用中,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是移動(dòng)的,傳感器節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因能量消耗完或其他故障而終止工作,這些因素都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化。(4)節(jié)點(diǎn)資源有限。節(jié)點(diǎn)微型化要求和有限的能量導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)硬件資源的有限性。
2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)雖未形成大規(guī)模的市場應(yīng)用,但擁有十分廣闊的前景,在軍事、國防、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑物監(jiān)測等等許多領(lǐng)域都有重要的研究價(jià)值和巨大的實(shí)用價(jià)值,被譽(yù)為對(duì)十一世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。
2.1軍事應(yīng)用
同很多高科技技術(shù)一樣,,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生也是源于網(wǎng)絡(luò)在軍事應(yīng)上的需求,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的概念更貼近其在軍事上的應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在戰(zhàn)場上的應(yīng)用主要是信息搜集、跟蹤敵人、戰(zhàn)場監(jiān)測、目標(biāo)分類。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由低成本、低功耗的密集型節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,擁有自組織性和相當(dāng)?shù)娜蒎e(cuò)能力,即使部分節(jié)點(diǎn)遭到惡意破壞,也不會(huì)導(dǎo)致枯個(gè)系統(tǒng)的崩潰,正是這一點(diǎn)保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境下工作,從而最大程度地減少傷亡,同時(shí)提供準(zhǔn)確可靠的信息傳輸。
在和平年代,主要用于國士安全保護(hù)、邊境監(jiān)視等應(yīng)用。例如,在保護(hù)國土、防止人侵的時(shí)候,用成千上萬的傳感器節(jié)點(diǎn)代替原來的地雷埋設(shè),用地雷埋設(shè)的方法會(huì)對(duì)自身構(gòu)成巨大威脅,用傳感器通過對(duì)聲音和震動(dòng)信號(hào)的分類分析的方法,探測敵方的人侵。
2.2環(huán)境農(nóng)業(yè)應(yīng)用
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境方面也有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。例如:對(duì)鳥類、小型動(dòng)物生活規(guī)律的觀測和種群復(fù)雜度的研究,天氣預(yù)報(bào)和天象現(xiàn)象的觀側(cè),農(nóng)作物灌溉情況,土壤溫度情況,肥料含量、光照強(qiáng)度等的監(jiān)視,森林火情監(jiān)控等等。
這類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般需要具備部署簡單,便宜,長期不需要更換電池,無需派人現(xiàn)場維護(hù)等特點(diǎn)。一般是一次性產(chǎn)品,傳感器也需要具備適應(yīng)野外環(huán)境的能力,由于長時(shí)間不更換電池,系統(tǒng)必須要低功耗工作,或者從環(huán)境中尋求一定能力補(bǔ)給手段,譬如使用太陽能電池。
2.3醫(yī)療應(yīng)用
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療方面也日漸發(fā)揮作用。通過在病人或易發(fā)病人身上佩戴一些血壓、脈搏、體溫等微型無線傳感器,通過住宅內(nèi)的傳感器網(wǎng)關(guān),醫(yī)生可以從醫(yī)院里遠(yuǎn)程監(jiān)視這些測試人群的健康狀況,通過這種方法,還可以對(duì)一些高危病人進(jìn)行24小時(shí)病情檢測,而不妨礙病人的日常起居和生活質(zhì)量。
還有一種方式,通過在人體器官中植人一些微型傳感器或吞服的方式讓傳感器進(jìn)入人體,隨時(shí)觀測器官的生理狀態(tài),可以發(fā)現(xiàn)器官的功能惡化,及時(shí)采取治療措施從而挽救病人生命。
2:4城市及城市管理
結(jié)構(gòu)安全檢測在國外稱之為SHM。目前一般通過在結(jié)構(gòu)體上安置傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測,廣泛應(yīng)用在結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測上的傳感器是MEMS加速傳感器。同樣,可以在建筑物內(nèi)不知圖像、聲音、氣體檢測、溫度、壓力、輻射等傳感器,發(fā)現(xiàn)異常事件及時(shí)報(bào)警,自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急措施。
2.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的制約因素
(1)成本。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的成本是制約其大規(guī)模廣泛應(yīng)用的重要因素,需要根據(jù)具體應(yīng)用的要求均衡成本、數(shù)據(jù)精度及能量供應(yīng)時(shí)間。(2)能耗:大部分的應(yīng)用領(lǐng)域需要網(wǎng)絡(luò)采用一次性獨(dú)立供電系統(tǒng),因此要求網(wǎng)絡(luò)工作能耗低,延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期,這是擴(kuò)大應(yīng)用的重要因素,(3)微型化。在某些領(lǐng)域中,要求節(jié)點(diǎn)的體積微型化,對(duì)目標(biāo)本身不產(chǎn)生任何影響,或者不被發(fā)現(xiàn)完成特殊的任務(wù)。(4)移動(dòng)性。在某些特定應(yīng)用中,節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)需要移動(dòng),導(dǎo)致在網(wǎng)絡(luò)中快速自組織上存在困難,該因素也是影響其應(yīng)用的主要問題之一。(5)硬件安全。在一些環(huán)境中,例如海洋、化學(xué)污染區(qū)、水流中、動(dòng)物身上等,對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件要求很高,需防止受外界的破壞、腐蝕等。
3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)未來展望
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣泛的應(yīng)用前景,它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域有具有巨大的運(yùn)用價(jià)值,在未來還將在許多新興領(lǐng)域體現(xiàn)其優(yōu)越性,如家用、保健、交通等領(lǐng)域。我們可以大膽的預(yù)見,將來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將無處不在,將完全融入我們的生活。比如微型傳感器網(wǎng)最終可能將家用電器、個(gè)人電腦和其他日常用品同互聯(lián)網(wǎng)相連,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離跟蹤,家庭采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)安全調(diào)控、節(jié)電等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來的一個(gè)無孔不人的十分龐大的網(wǎng)絡(luò),其應(yīng)用可以涉及到人類日常生活和社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。
4結(jié)語
本篇文章從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義出發(fā),敘述了無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的發(fā)展歷史及組成特點(diǎn),文章大部分的篇幅用在傳感器的幾個(gè)應(yīng)用上面。無線傳感器在應(yīng)用上還存在一些制約,相信在未來發(fā)展的道路上能夠有好的解決方案,這些難點(diǎn)也為科研人員指明了研究方向。
【論文摘要】本文從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義出發(fā),簡單闡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成和介紹無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史,用幾個(gè)實(shí)例展示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用,最后展望了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景。
1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
1 .1定義
就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。
1.2發(fā)展歷史
早在上世紀(jì)70年代,就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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)科的的不斷發(fā)展和進(jìn)步,傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還具有了獲取多種信息信號(hào)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(yùn)用,并使用無線技術(shù)連接,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。
1.3組成
一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括三要素,即傳感器、感知對(duì)象和觀察者。傳感器由電源、感知部件、嵌人式處理器、存儲(chǔ)器、通信部件和軟件等幾個(gè)部分組成,這些部分相互協(xié)調(diào),共同完成對(duì)外界信息的感知功能;感知對(duì)象是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測目標(biāo);觀察者是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶,是傳感信息的接收者和應(yīng)用者。
1.4特點(diǎn)
(1)自組織。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)具有自動(dòng)組網(wǎng)的功能,節(jié)點(diǎn)間能夠相互通信協(xié)調(diào)工作。(2)多跳路由。節(jié)點(diǎn)受通信距離、功率控制或節(jié)能的限制,當(dāng)節(jié)點(diǎn)無法與網(wǎng)關(guān)直接通信時(shí),需要由其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)完成數(shù)據(jù)的傳輸,因此網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路由是多跳的。(3)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。在某些特殊的?yīng)用中,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是移動(dòng)的,傳感器節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因能量消耗完或其他故障而終止工作,這些因素都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化。(4)節(jié)點(diǎn)資源有限。節(jié)點(diǎn)微型化要求和有限的能量導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)硬件資源的有限性。
2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)雖未形成大規(guī)模的市場應(yīng)用,但擁有十分廣闊的前景,在軍事、國防、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑物監(jiān)測等等許多領(lǐng)域都有重要的研究價(jià)值和巨大的實(shí)用價(jià)值,被譽(yù)為對(duì)十一世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。
2.1軍事應(yīng)用
同很多高科技技術(shù)一樣,,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生也是源于網(wǎng)絡(luò)在軍事應(yīng)上的需求,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的概念更貼近其在軍事上的應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在戰(zhàn)場上的應(yīng)用主要是信息搜集、跟蹤敵人、戰(zhàn)場監(jiān)測、目標(biāo)分類。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由低成本、低功耗的密集型節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,擁有自組織性和相當(dāng)?shù)娜蒎e(cuò)能力,即使部分節(jié)點(diǎn)遭到惡意破壞,也不會(huì)導(dǎo)致枯個(gè)系統(tǒng)的崩潰,正是這一點(diǎn)保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境下工作,從而最大程度地減少傷亡,同時(shí)提供準(zhǔn)確可靠的信息傳輸。
在和平年代,主要用于國士安全保護(hù)、邊境監(jiān)視等應(yīng)用。例如,在保護(hù)國土、防止人侵的時(shí)候,用成千上萬的傳感器節(jié)點(diǎn)代替原來的地雷埋設(shè),用地雷埋設(shè)的方法會(huì)對(duì)自身構(gòu)成巨大威脅,用傳感器通過對(duì)聲音和震動(dòng)信號(hào)的分類分析的方法,探測敵方的人侵。
2.2環(huán)境農(nóng)業(yè)應(yīng)用
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境方面也有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。例如:對(duì)鳥類、小型動(dòng)物生活規(guī)律的觀測和種群復(fù)雜度的研究,天氣預(yù)報(bào)和天象現(xiàn)象的觀側(cè),農(nóng)作物灌溉情況,土壤溫度情況,肥料含量、光照強(qiáng)度等的監(jiān)視,森林火情監(jiān)控等等。
這類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般需要具備部署簡單,便宜,長期不需要更換電池,無需派人現(xiàn)場維護(hù)等特點(diǎn)。一般是一次性產(chǎn)品,傳感器也需要具備適應(yīng)野外環(huán)境的能力,由于長時(shí)間不更換電池,系統(tǒng)必須要低功耗工作,或者從環(huán)境中尋求一定能力補(bǔ)給手段,譬如使用太陽能電池。
2.3醫(yī)療應(yīng)用
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療方面也日漸發(fā)揮作用。通過在病人或易發(fā)病人身上佩戴一些血壓、脈搏、體溫等微型無線傳感器,通過住宅內(nèi)的傳感器網(wǎng)關(guān),醫(yī)生可以從醫(yī)院里遠(yuǎn)程監(jiān)視這些測試人群的健康狀況,通過這種方法,還可以對(duì)一些高危病人進(jìn)行24小時(shí)病情檢測,而不妨礙病人的日常起居和生活質(zhì)量。
還有一種方式,通過在人體器官中植人一些微型傳感器或吞服的方式讓傳感器進(jìn)入人體,隨時(shí)觀測器官的生理狀態(tài),可以發(fā)現(xiàn)器官的功能惡化,及時(shí)采取治療措施從而挽救病人生命。
2:4城市及城市管理
結(jié)構(gòu)安全檢測在國外稱之為SHM。目前一般通過在結(jié)構(gòu)體上安置傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測,廣泛應(yīng)用在結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測上的傳感器是MEMS加速傳感器。同樣,可以在建筑物內(nèi)不知圖像、聲音、氣體檢測、溫度、壓力、輻射等傳感器,發(fā)現(xiàn)異常事件及時(shí)報(bào)警,自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急措施。
2.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的制約因素
(1)成本。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的成本是制約其大規(guī)模廣泛應(yīng)用的重要因素,需要根據(jù)具體應(yīng)用的要求均衡成本、數(shù)據(jù)精度及能量供應(yīng)時(shí)間。(2)能耗:大部分的應(yīng)用領(lǐng)域需要網(wǎng)絡(luò)采用一次性獨(dú)立供電系統(tǒng),因此要求網(wǎng)絡(luò)工作能耗低,延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期,這是擴(kuò)大應(yīng)用的重要因素,(3)微型化。在某些領(lǐng)域中,要求節(jié)點(diǎn)的體積微型化,對(duì)目標(biāo)本身不產(chǎn)生任何影響,或者不被發(fā)現(xiàn)完成特殊的任務(wù)。(4)移動(dòng)性。在某些特定應(yīng)用中,節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)需要移動(dòng),導(dǎo)致在網(wǎng)絡(luò)中快速自組織上存在困難,該因素也是影響其應(yīng)用的主要問題之一。(5)硬件安全。在一些環(huán)境中,例如海洋、化學(xué)污染區(qū)、水流中、動(dòng)物身上等,對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件要求很高,需防止受外界的破壞、腐蝕等。
3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)未來展望
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣泛的應(yīng)用前景,它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域有具有巨大的運(yùn)用價(jià)值,在未來還將在許多新興領(lǐng)域體現(xiàn)其優(yōu)越性,如家用、保健、交通等領(lǐng)域。我們可以大膽的預(yù)見,將來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將無處不在,將完全融入我們的生活。比如微型傳感器網(wǎng)最終可能將家用電器、個(gè)人電腦和其他日常用品同互聯(lián)網(wǎng)相連,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離跟蹤,家庭采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)安全調(diào)控、節(jié)電等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來的一個(gè)無孔不人的十分龐大的網(wǎng)絡(luò),其應(yīng)用可以涉及到人類日常生活和社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。
4結(jié)語
本篇文章從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義出發(fā),敘述了無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的發(fā)展歷史及組成特點(diǎn),文章大部分的篇幅用在傳感器的幾個(gè)應(yīng)用上面。無線傳感器在應(yīng)用上還存在一些制約,相信在未來發(fā)展的道路上能夠有好的解決方案,這些難點(diǎn)也為科研人員指明了研究方向。