無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)介紹
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介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，列舉了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍事、環(huán)境監(jiān)測、建筑物監(jiān)測、智能交通等應(yīng)用領(lǐng)域的典型應(yīng)用實(shí)例，總結(jié)了制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的因素及目前研究熱點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 應(yīng)用 綜述
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近的大量廉價(jià)的、具有通信、感測及計(jì)算能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織構(gòu)成的“智能”測控網(wǎng)絡(luò)[1][2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、智能交通、建筑物監(jiān)測、空間探索等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用價(jià)值，被認(rèn)為是未來改變世界的十大技術(shù)之一、全球未來四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。
目前，國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)都已開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用的相關(guān)研究。本文主要針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況及未來發(fā)展趨勢和制約因素進(jìn)行介紹。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述
傳感器節(jié)點(diǎn)可以完成環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、位置識別或控制其他設(shè)備的功能；此外還具有路由、轉(zhuǎn)發(fā)、融合、存儲其他節(jié)點(diǎn)信息等功能。
網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的通信，實(shí)現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，發(fā)送控制命令到傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，以及傳送節(jié)點(diǎn)的信息到服務(wù)器。
服務(wù)器用于接收監(jiān)測區(qū)域的數(shù)據(jù)，用戶可遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器，從而獲得監(jiān)測區(qū)域內(nèi)監(jiān)測目標(biāo)的狀態(tài)以及節(jié)點(diǎn)和設(shè)備的工作情況。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有如下主要特點(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)是移動的，傳感器節(jié)點(diǎn)可能會因能量消耗完或其他故障而終止工作，這些因素都會使網(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。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)狀
傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用與具體的應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān)，因此針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域，存在性能不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[3]。
軍事領(lǐng)域應(yīng)用
在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測敵軍區(qū)域內(nèi)的兵力和裝備、實(shí)時(shí)監(jiān)視戰(zhàn)場狀況、定位目標(biāo)物、監(jiān)測核攻擊或者生物化學(xué)攻擊等。
美國軍方研究的用于軍事偵查的NSOF（Networked Sensors for the Objective Force)系統(tǒng)[4]是美國軍方目前研究的未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)的一部分，能夠收集偵查區(qū)域的情報(bào)信息并將此信息及時(shí)地傳送給戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)。系統(tǒng)由大約100個(gè)靜態(tài)傳感器和用于接入戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的指揮控制節(jié)點(diǎn)C2（command and control）構(gòu)成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。
2005年，美國軍方采用Crossbow公司節(jié)點(diǎn)構(gòu)建了槍聲定位系統(tǒng)[5]，節(jié)點(diǎn)部署于目標(biāo)建筑物周圍，系統(tǒng)能夠有效地自組織構(gòu)成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測突發(fā)事件(如槍聲、爆炸等)的發(fā)生，為救護(hù)、反恐提供了有力的幫助。
美國科學(xué)應(yīng)用國際公司采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了一個(gè)電子防御系統(tǒng)[5]，為美國軍方提供軍事防御和情報(bào)信息。系統(tǒng)采用多個(gè)微型磁力計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)來探測監(jiān)測區(qū)域中是否有人攜帶槍支、是否有車輛行駛，同時(shí)，系統(tǒng)利用聲音傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測車輛或者人群的移動方向。
環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測，能夠完成傳統(tǒng)系統(tǒng)無法完成的任務(wù)。環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域包括：植物生長環(huán)境、動物的活動環(huán)境、生化監(jiān)測、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測、森林火災(zāi)監(jiān)測、洪水監(jiān)測等。
加州大學(xué)伯克利分校利用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控大鴨島（Great Duck Island）的生態(tài)環(huán)境[6]，在島上部署30個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)采用Berkeley大學(xué)的Mica mote[7]節(jié)點(diǎn)，包括監(jiān)測環(huán)境所需的溫度、光強(qiáng)、濕度、大氣壓力等多種傳感器。系統(tǒng)采用分簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境參數(shù)傳輸?shù)酱厥祝ňW(wǎng)關(guān)），然后通過傳輸網(wǎng)絡(luò)、基站、Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫中。用戶或管理員可以通過Internet遠(yuǎn)程訪問監(jiān)測區(qū)域。
加州大學(xué)在南加利福尼亞San Jacinto山建立了可擴(kuò)展的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[8]，主要監(jiān)測局部環(huán)境條件下小氣候和植物甚至動物的生態(tài)模式。監(jiān)測區(qū)域(25公頃)分為100多個(gè)小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域包含各種類型的傳感器節(jié)點(diǎn)，該區(qū)域的網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)到基站，系統(tǒng)由多個(gè)網(wǎng)關(guān)，經(jīng)由傳輸網(wǎng)絡(luò)到Internet互聯(lián)網(wǎng)。
加州大學(xué)伯克利分校利用部署于一顆高70m的紅杉樹上的無線傳感器系統(tǒng)來監(jiān)測其生存環(huán)境[9]，節(jié)點(diǎn)間距2m，監(jiān)測周圍空氣溫度、濕度、太陽光強(qiáng)（光合作用）等變化。
文獻(xiàn)[10]利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)監(jiān)測牧場中牛的活動，目的是防止兩頭牛相互爭斗。系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)是動態(tài)的，因此要求系統(tǒng)采用無線通信模式和高數(shù)據(jù)速率。
在印度西部多山區(qū)域監(jiān)測泥石流部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[11]，目的是在災(zāi)難發(fā)生前預(yù)測泥石流的發(fā)生，采用大規(guī)模、低成本的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，每隔預(yù)定的時(shí)間發(fā)送一次山體狀況的最新數(shù)據(jù)。Intel公司利用Crossbow公司的Mote系列節(jié)點(diǎn)在美國俄勒岡州的一個(gè)葡萄園中部署了監(jiān)測其環(huán)境微小變化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[12]。
建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于監(jiān)測建筑物的健康狀況，不僅成本低廉，而且能解決傳統(tǒng)監(jiān)測布線復(fù)雜、線路老化、易受損壞等問題。
斯坦福大學(xué)提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建筑物監(jiān)測系統(tǒng)[13]，采用基于分簇結(jié)構(gòu)的兩層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)由EVK915模塊和ADXL210加速度傳感器構(gòu)成，簇首節(jié)點(diǎn)由Proxim RangelLAN2無線調(diào)制器和EVK915連接而成。
南加州大學(xué)的一種監(jiān)測建筑物的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)NETSHM[14]，該系統(tǒng)除了監(jiān)測建筑物的健康狀況外，并且能夠定位出建筑物受損傷的位置。系統(tǒng)部署于Los Angeles的The Four Seasons大樓內(nèi)。系統(tǒng)采用分簇結(jié)構(gòu)，采用Mica-Z系列節(jié)點(diǎn)。
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