无线传感器网络技术的应用

无线传感器网络技术的应用

1、无线传感器网络研究背景以及发展现状

  随着半导体技术、通信技术、计算机技术的快速发展，90年代末，美国首先出现无线传感器网络（WSN）。1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。WSN是由布置在监测区域内传感器节点以无线通信方式形成一个多跳的无线自组网（Ad hoc），其目的是协作的感知，采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者是WSN的三要素。将Ad hoc技术与传感器技术相结合，人们可以通过WSN感知客观世界，扩展现有网络功能和人类认识世界的能力。WSN技术现已经被广泛应用。图为WSN基本结构。

　　WSN经历了从智能传感器，无线智能传感器到无线传感器三个发展阶段，智能传感器将计算能力嵌入传感器中，使传感器节点具有数据采集和信息处理能力。而无线智能传感器又增加了无线通信能力，WSN将交换网络技术引入到智能传感器中使其具备交换信息和协调控制功能。

　　无线传感网络结构由传感器节点，汇聚节点，现场数据收集处理决策部分及分散用户接收装置组成，节点间能够通过自组织方式构成网络。传感器节点获得的数据沿着相邻节点逐跳进行传输，在传输过程中所得的数据可被多个节点处理，经多跳路由到协调节点，最后通过互联网或无线传输方式到达管理节点，用户可以对传感器网络进行决策管理、发出命令以及获得信息。无线传感器网络在农业中的运用是推进农业生产走向智能化、自动化的最可行的方法之一。近年来国际上十分关注WSN在军事，环境，农业生产等领域的发展，美国和欧洲相继启动了WSN研究计划，我国于1999年正式启动研究。国家自然科学基金委员会在2005年将网络传感器中基础理论在一篇我国20年预见技术调查报告中，信息领域157项技术课题中7项与传感器网络有直接关系，2006年初发布的《国家长期科学与技术发展规划纲要》明确的提出了信息技术的三个前沿方向，其中有两项与无线传感器网络直接相关。我国2010年远景规划和“十五”计划中，将WSN列为重点发展产业之一

图1 无线传感器的内部结构

无线传感器网络技术的军事应用

　　信息化战争中，战场信息的及时获取和反应对于整个战局的影响至关重要。由于WSN具有生存能力强、探测精度高、成本低等特点，非常适合应用于恶劣的战场环境中，执行战场侦查与监控、目标定位、战争效能*估、核生化监测以及国土安全保护、边境监视等任务。

1 战场侦查与监控

　　　战场侦查与监控的基本思想，是在战场上布设大量的WSN，以收集和中继信息，并对大量的原始数据进行过滤；然后把重要信息传送到数据融合中心，将大量信息集成为一幅战场全景图，以满足作战力量“知己知彼”的要求，大大提升指挥员对战场态势的感知水平。

　　　典型的WSN应用方式是用飞行器将大量微传感器节点散布于战场地域，并自组成网，将战场信息边收集、边传输、边融合。系统软件通过解读传感器节点传输的数据内容，将它们与诸如公路、建筑、天气、单元位置等相关信息，以及其他WSN的信息相互融合，向战场指挥员提供一个动态的、实时或近实时更新的战场信息数据库，为各作战平台更准确地制定战斗行动方案提供情报依据和服务，使情报侦察与获取能力产生质的飞跃。

　　对战场的监控可以分为对己方的监控和对敌方的监测，包括军事行动侦察与非军事行动的监测。通过在己方人员、装备上附带各种传感器，并将传感器采集的信息通过汇聚节点送至指挥所，同时融合来自战场的其他信息，可以形成己方完备的战场态势图，帮助指挥员及时准确地了解*、武器装备和军用物资的部署和供给情况。

　　通过飞机或其他手段在敌方阵地大量部署各种传感器，对潜在的地面目标进行探测与识别，可以使己方以远程、精确、低代价、隐蔽的方式近距离地观察敌方布防，迅速、全方位地收集利于作战的信息，并根据战况快速调整和部署新的WSN，及时发现敌方企图和对我方的威胁程度。通过对关键区域和可能路线的布控WSN，可以实现对敌方全天候的严密监控。

　　2．2 目标定位

　　WSN中感知目标信息的节点将感知信息广播(无线传送)到管理节点，再由管理节点融合感知信息，对目标位置进行判断的过程称为目标定位。目标定位是WSN的重要应用之一，为火力控制和制导系统提供精确的目标定位信息，从而实现对预定目标的精确打击。

　　由于WSN具有扩展性强、实时性和隐蔽性好等特点，使得它非常适合对运动目标进行跟踪定位，为指挥中心提供被跟踪对象的实时位置信息。WSN的目标定位应用方式可以分为侦测、定位、报告三个阶段。在侦测阶段，每个传感器节点随机“启动”以探测可能的目标，并在目标出现后计算自身到目标的距离，同时向网络广播包括节点位置及与目标的距离等内容的信息。在定位阶段，各节点根据接收到的目标方位与自身位置信息，通过最大似然、三边测量或三角测量等方法，获得目标的位置信息，然后进入报告阶段。在报告阶段，WSN会向距离目标较近的传感器节点广播消息，使之启动并加入跟踪过程，同时WSN将目标信息通过汇聚节点传输到管理节点或指挥所，实现对目标的精确定位。

　　2003年美国国防高级研究计划局主导的Network Embed and System Technology项目成功验证了WSN技术的准确定位能力。该项目采用多个廉价音频传感器节点协同定位敌方狙击手，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1．5 m，定位延迟达2 s，甚至能显示出敌方狙击手采用跪姿和站姿射击的差异，使指挥员和战斗员的作战态势感知能力产生了质的飞跃。

　　2．3 毁伤效果*估

　　战场目标毁伤效果*估是对火力打击后目标毁伤情况的科学*价，是后续作战行动决策的重要依据。当前应用较多的目标毁伤效果*估系统主要依托于无人机、侦察卫星等手段，但这些手段均受到飞行距离近、过顶时间短、敌方打击威胁或天气等因素的制约，无法全天时对打击目标进行抵近侦查并对毁伤效果做出正确*估。

　　WSN系统中，价格低、生存能力强的传感器节点可以通过飞机或火力打击时的导弹、精确制导炸弹附带散布于攻击目标周围。在火力打击之后，传感器节点通过对目标的可见光、无线电通信、人员部署等信息进行收集、传递，并经过管理节点进行相关指标分析，可以使作战指挥员及时准确地进行战场目标毁伤效果*估。这一方面可以使指挥员能够掌握火力打击任务的完成情况，适时调整火力打击计划和火力打击重点，实施正确的决策提供科学依据；另一方面，也可以最大限度地优化打击火力配置，集中优势火力对关键目标进行打击，从而大大提高作战资源利用率。

　　无线传感器网络在瓦斯监测系统中的应用

在传统的煤矿瓦斯监测系统中，由于监测系统的设施、装置等位置比较固定，因而使瓦斯探头不能随着采掘的进度跟进到位，从而使得监测系统往往形同虚设，再加上矿井下联网有一定的难度，使有关人员

无法进行有效的监管，以致事故无法预警。所以我们的设计思想是要让瓦斯监测系统能够随着采掘的进度跟进到位，能够把井下信息实时、准确地传送到相关人员手中。具体实施方法如下：在坑道中每隔几十米放置一个传感器节点，每个矿工身上也都佩带一个这样的节点，矿工身上佩带的节点和坑道中放置的节点可以自组织成一个大规模的无线传感器网络，在矿井的入口处放置一个具有网关功能的节点作为 Sink 节点，它可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。Sink 节点连接传感器网络与Internet 等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布监测中心的监测任务，并把收集的数据转发到外部网上，最后传至我们的监控中心系统

　　　　基于 ZIgBee 的无线传感器网络应用系统结构图

基于无线传感器网络的智能家居网络

在智能家居无线网络中最基本的单元是无线传感器节点, 它的功能是负责传感和对信息预处理, 响应监控主机的指令发送数据. 每一个传感器节点主要由4 个系统组成: 即由微处理器或微控制器构成的计算子系统; 用于无线通信的短距离无线收发电路, 即通信子系统; 将节点与物理世界联系起来, 由一组传感器和激励装置构成的传感

子系统; 能量供应子系统, 包括电池和AC - DC转换器. 节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或类头节点的角色. 除此之外根据具体应用的需要, 可能还会有定位系统、电源再生单元和

移动单元等. 其硬件结构如图所示.

由于家居环境的特点, 智能家居网络的无线传感器节点必须要求具有低功耗的特点[ 9, 10] , 为了解决这个问题, 在无线传感器节点的无线收发电路部分采用了基于IEEE802. 15. 4 技术的无线收发芯片, IEEE 802. 15. 4 技术是专为低功耗的无线互联应用而设计的. 而基于这种技术的无线芯片能够很好的解决低能耗问题. 无线传感器网

络的数据传输易出错, 由于家居内的干扰源较多,搜寻的是可达设备后, 相应的1evel 值在原来的基础之上加1, 作为当前的1evel 值并保存. 它所表达的实际物理意义是数据在传输过程中将会使设备多进行一次数据的转发. 数据在网络中传送时, 通过路由算法, 保证数据经过最佳路径, 让数据安全、快速地从发送设备到达目的设备.

　　　　　　　　　　　　　　　环境监测

随着人们对环境问题的日益关注重视，环境监测所涉及的范围越来越广，但传统的数据采集方式难以适应复杂多变的环境。因为具有自组织性和较好的容错能力，WSN非常适合应用于野外环境，极大地方便了环境研究所需的原始数据的获取。环境监控应用的典型案例有：

（1）夏威夷大学在夏威夷火山国家公园内铺设WSN以监测濒临灭种的植物所在地的微小气候变化。

（2）科学家们在加州北部Sonoma的小树林里组建了一个系统，该系统由捆绑在红杉树树枝和主干上的120个塑料封装的无线传感器组成。根据该系统所采集的数据，可绘制出详细的图表，从而说明这些树木周围的微气候如何变化，以及它们怎样通过树阴、呼吸作用、水

分输送等方式来影响当地环境。

（3）美国和日本的科学家在我国敦煌莫高窟利用WSN来监测洞内的湿度和光线强度。人们将根据搜集到的数据及时采取适当的保护措施，如通风等，从而降低含盐地下水的侵蚀

对洞内古迹的损害。

　　　　　WSN技术在农业生产中的应用

     2002年，英特尔公司在饿勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园，将无线传感器结点人工分布在葡萄园中，对园中土壤的温度以及养分含量等作物生长条件进行实时监控。杭州齐格科技有限公司与浙江农科院合作研发了远程农作物管理决策平台，该平台利用了WSN技术实现对农田的温度、湿度、光照等信息的监测。北京市“蔬菜生产智能化网络传感器体系研究与应用”项目，将WSN应用于温室蔬菜生产中。将温室作为一个监控区，使用WSN技术对温度、PH值、含水量、光照强度等进行测量，根据实际需要，对温室条件进行调整，以达到农作物生长的最佳条件，增加作物产量。在大规模部署传感器节点时可以通过飞机播撒，人工设置，火箭弹射等方式部署在预设区域。无线传感器网络具有的实时性监测，无线通信特点，使其在农业生产上有很大发展前景。典型应用如下：

2.2.1 农业灌溉自动化控制技术

      我国是个贫水国家，水资源总量居世界第四位，人均仅为第121位。农业用水占总用水量的七成，但我国农田灌溉十分落后，水的实际利用率很低，浪费严重，与发达国家相比仍有差距。采用自动灌溉系统，在土壤中人为安放水分传感器、温度传感器，对农作物的生长条件进行监控，根据实际，进行自动供水和自动按一定顺序进行灌溉。

2.2.1 温度自动调控

     蔬菜生产中，温室生产规模正在逐步扩大，传统温室监控系统成本高，移动性差等问题很突出。近年来，节能高效的WSN技术正在温室监控领域兴起。基于WSN的温度监控系统由汇聚节点和子节点构成。将传感器分布在温室中监控温室内土壤温度、湿度、PH值、光照强度等，通过无线网络传到汇聚结点，汇聚结点对数据进行处理，将命令通过无线网络下发给调控节点，调控节点根据所得命令对灌溉设备、加热器等进行控制，改变温室条件。汇聚节点还可接受人工控制，与互联网连接，使用户可以进行远程监控。

　　　　　无线传感器网络在交通的应用

不停车收费系统的关键技术是基于无线传感器网络的自动车辆识别技术实现对车辆、货物实时监控, 并能实现高效、准确的管理。系统由电脑、管理软件、智能电子标签、智能电子标签阅读器、控制箱、道闸、含有地感线圈的无线传感器节点组成。基于无线传感器网络的ETC 系统能实现自动检验、登记、放行等功能。每辆车在档风玻璃内放置一块记录本车基本信息的智能电子标签( 射频卡大小) 。在道口进出口上安放一台智能标签阅读器及一套控制箱,同时配置道闸和含有地感线圈的无线传感器节点。当带有智能电子标签的汽车进入地感线圈的节点时, 地感线圈得到信号, 同时智能标签阅读器也读到智能电子标签的信号, 光学识别系统识别车的车牌。如果是合法的, 就发出信号, 打开道闸, 允许车辆通过。另外, 自动识别系统读取电子标签中的用户费用信息、车型信息和入口车道信息进行收费计算, 完成IC 卡内收费额的扣除, 收费记录写入IC 卡, 并向用户显示有关收费状态信息后给予放行。如果有非法ETC 用户强行通过ETC 专用车道, 可进行车牌抓拍, 生成违章记录, 便于事后处理。此时车辆只要适当减速, 不需要停车, 也不需要伸手刷卡, 就可以顺利通过道口。车辆过道闸后通过门内地感线圈的无线节点时, 又产生信号, 让道闸关闭。车辆通过高峰时, 即车辆一辆接一辆进入时, 可以通过软件设置, 道闸处于常开状态, 当最后一辆车辆进入时道闸关闭。车辆出入的全部信息均由电脑实时记录, 并生成车流量的准确日报、月报统计表。 

四、需要解决的问题 

　　 

　　就目前的技术水平来说，让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题： 

　　1．网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他 电子 信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。 

　　2．成本问题。在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。 

　　3．系统能量供应问题。目前主要的解决方案有：使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。其中后两者备受关注。 

　　4．高效的无线传感器网络结构。无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。在这里面，还包括网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。 

　　总之。无线传感器网络应用前景非常诱人。无线传感器网络（WSN）被认为是影响人类未来生活的重要技术之一，这一新兴技术为人们提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径。由于WSN本身的特点，使得它与现有的传统网络技术之间存在较大的区别，给人们提出了很多新的挑战。由于WSN对国家和社会意义重大，国内外对于WSN的研究正热烈开展，希望能够引起测控领域对这一新兴技术的重视，推动对这一具有国家战略意义的新技术的研究、应用和发展。