無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)介紹

醫(yī)療衛(wèi)生應(yīng)用

加利福尼亞大學(xué)提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的人體健康監(jiān)測平臺CustMed[15]，采用可佩戴的傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器類型包括壓力、皮膚反應(yīng)、伸縮、壓電薄膜傳感器、溫度傳感器等。節(jié)點(diǎn)采用加州大學(xué)伯克利分校研制、Crossbow公司生產(chǎn)的dot-mote節(jié)點(diǎn)，通過放在口袋里的PC機(jī)可以方便直觀地查看人體當(dāng)前的情況。
紐約Stony Brook大學(xué)針對當(dāng)前社會老齡化的問題提出了監(jiān)測老年人生理狀況的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（Health Tracker 2000），除了監(jiān)測用戶的生理信息外，還可以在生命發(fā)生危險(xiǎn)的情況下及時(shí)通報(bào)其身體情況和位置信息。節(jié)點(diǎn)采用Crossbow公司的MICA2和MICA2DOT系列節(jié)點(diǎn)，采用溫度、脈搏、呼吸、血氧水平等類型傳感器。

智能交通應(yīng)用

圖3所示為上海市重點(diǎn)科技研發(fā)計(jì)劃中的智能交通監(jiān)測系統(tǒng)^[17]，采用聲音、圖像、視頻、溫度、濕度等傳感器，節(jié)點(diǎn)部署于十字路口周圍，部署于車輛上的節(jié)點(diǎn)還包括GPS全球定位設(shè)備。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)的安全性問題，包括耗能、網(wǎng)絡(luò)動態(tài)安全、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、數(shù)據(jù)管理融合、數(shù)據(jù)傳輸模式等。

1995年，美國交通部提出了到2025年全面投入使用的“國家智能交通系統(tǒng)項(xiàng)目規(guī)劃”。該計(jì)劃利用大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，配合GPS定位系統(tǒng)等資源，除了使所有車輛都能保持在高效低耗的最佳運(yùn)行狀態(tài)、自動保持車距外，還能推薦最佳行使路線，對潛在的故障可以發(fā)出警告。
中國科學(xué)院沈陽自動化所提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速公路交通監(jiān)控系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)采用圖像傳感器，在能見度低、路面結(jié)冰等情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)對高速路段的有效監(jiān)控。
除了上述提到的應(yīng)用領(lǐng)域外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、智能家居、倉庫物流管理、空間海洋探索等領(lǐng)域。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的制約因素

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過程中，主要存在著以下制約因素：
(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，對目標(biāo)本身不產(chǎn)生任何影響，或者不被發(fā)現(xiàn)以完成特殊的任務(wù)。
(4)定位性能：目標(biāo)定位的精確度和硬件資源、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、周圍環(huán)境、錨點(diǎn)個(gè)數(shù)等因素有關(guān)，目標(biāo)定位技術(shù)是目前研究的熱點(diǎn)之一。
(5)移動性：在某些特定應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)需要移動，導(dǎo)致在網(wǎng)絡(luò)快速自組上存在困難，該因素也是影響其應(yīng)用的主要問題之一。
(6)硬件安全：在某些特殊環(huán)境應(yīng)用中，例如海洋、化學(xué)污染區(qū)、水流中、動物身上等，對節(jié)點(diǎn)的硬件要求很高，需防止受外界的破壞、腐蝕等。
影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的因素很多，而且也與應(yīng)用場景有關(guān)，需要在未來的研究中克服這些因素，使網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。

目前研究的熱點(diǎn)問題

通信協(xié)議

(1)物理層通信協(xié)議：研究傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸媒體、頻段選擇、調(diào)制方式等。
(2)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議：研究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、信道接入方式，拓?fù)浒ㄆ矫娼Y(jié)構(gòu)、分層結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)以及Mesh結(jié)構(gòu)，信道接入包括固定分配、隨機(jī)競爭方式或以上兩者的混合方式。
(3)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議：即路由協(xié)議的研究，路由協(xié)議分為平面和集群兩種，平面協(xié)議節(jié)點(diǎn)地位平等，簡單易擴(kuò)展，但缺乏管理；集群路由即分簇為簇首和簇成員，便于管理和維護(hù)，研究的熱點(diǎn)是集成兩種路由方式的優(yōu)點(diǎn)。
(4)傳輸層協(xié)議：研究提供網(wǎng)絡(luò)可靠的數(shù)據(jù)傳輸和錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制。

網(wǎng)絡(luò)管理

(1)能量管理：研究在不影響網(wǎng)絡(luò)性能的基礎(chǔ)上，控制節(jié)點(diǎn)的能耗、均衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗以及動態(tài)調(diào)制射頻功率和電壓。
(2)安全管理：研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題，包括節(jié)點(diǎn)認(rèn)證、處理干擾信息、攻擊信息等。

應(yīng)用層支撐技術(shù)

(1)時(shí)間同步：針對網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步要求較高情況的應(yīng)用，例如基于TDMA的MAC協(xié)議和特殊敏感時(shí)間監(jiān)測應(yīng)用，要求網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。
(2)定位技術(shù)：針對節(jié)點(diǎn)定位要求較高情況的應(yīng)用，基于少數(shù)已知節(jié)點(diǎn)的位置，研究以最少的硬件資源、最低的成本和能耗定位節(jié)點(diǎn)位置的技術(shù)。

硬件資源

(1)微型化：基于特定應(yīng)用的要求，研究微型化的節(jié)點(diǎn)。
(2)低成本：在不影響節(jié)點(diǎn)性能情況下，研究降低節(jié)點(diǎn)硬件的成本。
(3)新型電源：研究太陽能電源及其他大容量可再生電源，解決制約傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展應(yīng)用的能耗問題。
本文主要就無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用進(jìn)行了探討，介紹了其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的典型實(shí)例，總結(jié)了當(dāng)前制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的因素及目前的研究熱點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最終將成為聯(lián)系信息世界和客觀物理世界的接口，從而人類可以通過傳感器網(wǎng)絡(luò)獲知客觀物理世界的信息并做出相應(yīng)的措施。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器。