无线传感器网络及其应用技术分析

摘要：无线传感器网络通过无线通信技术把不同的传感器节点进行组织与结合，传感器节点的单元包括：数据采集单元、数据传输单元、数据处理单元以及能量供应单元。无线网络传感器包括微控制器、存储器、通信装置、传感器等组件，通过跟外界物理环境交互，通过无线传感器网络将收集到的信息传送给其它的计算设备，在物理环境中大量地分布了这些传感器，从而组织成了一个无线传感器网络，在现实生活中配置了许多的这种网络，应用领域非常广泛，如军事领域的应用、农业领域的应用、工业领域的应用、生态环境的监测、智能交通方面的应用、智能家居领域的应用等。

关键词：无线传感器、分布式传感网络、智能交通、智能家居

1.1 无线传感器网络简介

无线传感器网络属于分布式传感网络，它的传感器可以感知和检查外部世界，可以通过无线方式通信，网络设置灵活，位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接，形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络主要由三大部分组成，即：节点、传感网络和用户。其中，节点一般是覆盖在一定的范围，这个范围应该能满足监测的要求;最主要的是传感网络，它通过固定的渠道将所有的节点信息收集起来，并对这些信息进行分析计算，然后将结果汇总到基站，再通过卫星通信传输到指定的地点，这样就实现无线传感。

无线传感器网络通过无线通信技术把不同的传感器节点进行组织与结合，传感器节点的单元包括：数据采集单元、数据传输单元、数据处理单元以及能量供应单元。其中数据采集单元能采集监测区域内的信息并加以转换，如环境的温度与湿度等;数据传输单元包括无线通信和交流信息以及发送接收那些采集进来的数据信息;数据处理单元能处理全部节点的路由协议和管理任务以及定位装置等;能量供应单元则常常选择微型电池的构成形式。无线传感器网络当中的节点分为两种，一个是汇聚节点，一个是传感器节点。汇聚节点能够在传感器节点当中将错误的报告数据剔除，并与相关的报告相结合将数据加以融合，对发生的事件进行判断，并对收集到的数据进行处理。

1.2 无线传感器网络的功能

传感器网络具有数据的采集、处理和传输三种功能，是信息技术的三大支柱之一。无线传感器网络是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。

无线传感器网络包括众多类型的传感器，可探测各种信息，包括地震、电磁、噪声、光强度、温度、湿度、压力、土壤成分等自然环境中各种的现象。应用领域包括：军事、航空、工业、商业、防爆、救灾、家居、医疗等领域。

1.3 无线传感器的功能模块

无线传感器的种类包含以下模块：

感知模块：主要由热敏元件、湿敏元件、光敏元件、气敏元件、色敏元件、力敏元件、磁敏元件、声敏元件和味敏元件等敏感元件组成，对被监控目标的一些参数进行记录。

信息处理模块：它是由嵌入式系统构成，通过采集存储感知模块的数据以及其他节点发过来的数据，协调传感器节点各部分的工作，同时控制电源工作模式，实现节能。

无線通信模块：它通过无线信道以及传输网络将处理器输出的数据传送给其他节点。

能量供应模块：将能量提供给其他三个模块。

1.4 无线传感器网络的特点

自组织方式组网：传感器节点的组网不需要任何固定的网络设施，仅通过分布式网络协议就能形成自组织网络，通过自动调整从而适应节点的移动、加入和退出。

无中心结构：该网络是一个对等式网络，所有传感器节点地位对等。节点可以随时加入和离开网络，不会影响整个网络的运行。

网络有动态拓扑：由于电池能量耗尽或者故障的原因，传感器节点可能会从网络中退出，或者是按照某种程序的设定，传感器节点从网络中退出;网络外的传感器节点也可以随时加入网络中。

高冗余：当传感器节点出现故障时，应采用节点周围的其他传感器节点代替该传感器节点继续工作，因此传感器网络的节点配置得比较多，冗余程度高。

资源及功能有限：考虑到价格、体积和携带能源等方面的因素，无线传感器节点的计算能力、数据处理能力及其存储空间都是非常有限的，导致了无线传感器网络的协议层次内容不能过于复杂。

电源续航能力较小：网络节点需要电池提供电源，但电池的续航能力比较小，并且在应用过程中难以更换电池。一旦节点电池电能用完，这个节点就会失去作用，为了防止这种情况就要考虑节能的问题。

1.5 无线传感器网络的应用

无线传感器网络主要在以下领域应用比较广泛：

1）军事领域的应用

在军事领域，无线传感器网络适合于恶劣的战场环境，具有密集型、随机分布的特点。实现敌军的兵力和装备的监测、实时战场状况的监视，也能够实现目标的定位、敌军攻击的监测等。

2）在农业生产领域的应用

无线传感器网络也适合于农业方面的生产和科学研究。像现在农村普遍存在的大棚种植蔬菜，可使用无线传感器网络来监测室内及土壤的温度、湿度、光照强度，了解经济作物生长规律等。建成一个农业环境自动监测系统，采集农业环境的风、光、水、电、热和农药等的数据，并进行环境控制，实现农业集约化生产，提高农业生产的科学种植。

3）在智能交通中的应用

交通信息的采集和传输是智能交通系统的一个重要方面，无线传感器网络可以为其提供一种有效手段，来对道路各个方向的车流量、车速等信息进行监测，并计算出最佳方案，同时给执行子系统输出控制信号，对车辆的通行起引导和控制的作用，达到预设目标。

4）在智能家居中的应用

智能家居通过无线传感器网络与互联网的连接，将家中的各种设备配置传感器节点，从全部连接在一起，可实现对家电的远程遥控、防盗报警、环境监测等。

5）在工业领域的应用

在工业领域，有很多危险的工作环境，如煤矿、石油钻井、核电厂等领域存在危险的工作岗位，在这些地方可以布置传感器节点，对工作环境的安全状况进行随时监测，保证这类工作岗位人员的安全。同时，还可以使用传感器节点代替部分工作人员到危险的环境中去执行任务，这样大大地降低了危险程度，也对险情的反应精度和速度有了很大的提高。

6）在生态环境监测和预报中的应用

无线传感器网络还可应用在环境监测和预报方面，对土壤空气情况、农作物灌溉情况进行监测，也可对家畜和家禽的环境和迁移状况进行监测，甚至对大面积的地表监测等，实现气象和地理研究、洪水监测等。通过数种传感器可以使用无线传感器网络来监测降雨的雨量、河流的水位和土壤的含水量，从而可以预测出山洪爆发等自然灾害。

7）在实时跟踪时定位的应用

在实际的应用中，经常会遇到实时跟踪对移动的物体进行定位的问题。随着无线传感技术的成本的降低，可以将无线传感技术应用于个体身上来进行定位，也可在车辆上安装无线传感器，然后将车辆的位置信息通过无线传感网络进行传输，再经过中转站对信息进行处理而后发送出去，这样就能够随时掌握车辆的位置信息，实现汽车的导航功能。另外，还可以采用无线传感技术对一些随身携带的物品进行定位，例如可以使用无线传感技术对老年人和儿童进行实时定位，避免发生意外事故。

参考文献：

1、杜晓明，陈岩. 无线传感器网络研究现状与应用，北京工商大学学报，2008.26

2、任丰原，黄海宁.无线传感器网络[J]，软件学报，2003，14.

3、孙利民，李建中.无线传感器网络【M】，北京：清华大圩出版社出版社，2005

4、宋文，无线传感器网络技术与应用【M】，北京：电子出版社，2007

作者简介 陈晓东 男 讲师 硕士 主要研究方向 物联网技术

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