無線傳感網絡關鍵技術及應用探析

1概述
1.1無線傳感網簡介
無線傳感網絡是集數據采集，信息傳輸，信息處理等多個技術為一體的綜合智能信息系統(tǒng)。它融合了電子技術，計算機技術，無線通信技術，分布式信息處理等理 論，能夠實時監(jiān)測并感知其覆蓋區(qū)域中的環(huán)境以及各被監(jiān)控對象的狀態(tài)，而后將數據信息通過無線傳輸方式發(fā)送到到控制中心，供觀察者進行處理。

1.2無線傳感網絡的特點
和傳統(tǒng)網絡通用的模式不同，WSN可以針對不同的應用，需要調整自身的配置，如節(jié)點密度，通信協(xié)議等，其主要特點如下。
（1）節(jié)點能量受限。WSN中的節(jié)點通常由電池供電，由于電池的容量一般不能維持節(jié)點正常工作時間過長，并且無線傳感節(jié)點往往部署于野外環(huán)境中，無法及時充電或更換電池，當電池電量耗盡，節(jié)點也就隨之失效。
（2）節(jié)點處理能力受限。無線傳感網絡中的節(jié)點受體積和成本的影響，內存和處理器均不能和普通計算機相比，其處理程序和運算數據的能力也有限，這決定了無線傳感網絡的節(jié)點設計不能過于復雜。
（3）WSN是一種自組織網絡。傳感器節(jié)點通過自組織分布形成WSN，網絡大多數采用Adhoc方式進行配置，網絡中的每個節(jié)點中同時充當主機和路由器的 角色，具有路徑尋址和維護功能。由于傳感器節(jié)點自身的特點，網絡拓撲結構經常發(fā)生變化，因此要求節(jié)點需要有維護動態(tài)路由的功能，以保證網絡正常工作。
（4）以數據為中心。在無線傳感網絡中，為了節(jié)省能量的消耗，要求在保證通信質量的前提下，盡可能的減少信息傳輸量，只需將用戶關心的信息數據進行搜集傳輸，即WSN是一種以數據為中心的網絡。

2無線傳感網絡的關鍵技術
2.1網絡的自組織和自我管理
WSN采用無線自組織方式進行組網，節(jié)點放入檢測區(qū)域后，搜集被檢測信息，并把這些信息發(fā)于鄰接節(jié)點，并將其周圍的鏈路連接信息發(fā)回給sink節(jié)點，sink節(jié)點把從所有信息進行匯總分析后，可得到網絡的拓撲結構和傳輸路由等信息。

WSN的拓撲形式一般有三種：簇方式、 平面結構、棧結構。三種結構各有利弊，需在具體的應用中靈活選取，當節(jié)點失效或加入新節(jié)點而導致網絡拓撲變化較大時，需要能很快的適應這種變化，快速的使網絡正常工作，即WSN需要良好的自適應性。

2.2節(jié)點軟硬件系統(tǒng)集成
無線傳感網絡中的每個節(jié)點都是嵌入式系統(tǒng)，包括電源系統(tǒng)，存儲器，微處理器，無線收發(fā)模塊等。近年來，隨著芯片技術、嵌入式技術。MEMS技術的發(fā)展，已 經可以將這些部件很好的集成。由于節(jié)點能量有限，在設計部件如：無線收發(fā)器和微處理器要求其功耗較小，且能自動節(jié)省能量，比如休眠模式等，以便在不參與工 作時候消耗較低的電量。這些功能需要通過操作系統(tǒng)來集成，目前最常用的操作系統(tǒng)有uC-OS-2、嵌入式linux、TInyOS操作系統(tǒng)，這些操作系統(tǒng) 具有內核小，模塊化設計，占用資源少等特點，可以大大提無線傳感網絡性能。

2.3相關的網絡協(xié)議
WSN和傳統(tǒng)網絡在職能上有較大的不同。傳統(tǒng)網絡是以傳輸數據為中心，中間的節(jié)點主要進行數據的轉發(fā)，而不需要處理分析數據的。而傳感器網絡是以數據為中 心，中間節(jié)點不僅僅只是將數據進行轉發(fā)，還需要進行數據的有效融合和其他處理等功能，因此傳統(tǒng)Ad-自組織網絡的協(xié)議并不完全適合無線傳感器網絡的特點和 要求，因此所以在路由選擇上也必須有更加適合的協(xié)議。

2.4能源管理
在WSN中，為了節(jié)省能量，不管是節(jié)點自身還是通信協(xié)議都需要更為合理的設計，以適應節(jié)點在工作和休眠之間的轉換的需要。可以通過在應用層、網絡層、接入 層協(xié)議的控制，引入能源控制的理念，以延長網絡的生存時間。此外，還可以通過將鏈路層應答和網絡層應答跨層結合起來進行設計，既可以滿足性能的要求，也可 降低功耗。

2.5無線傳感網絡的安全問題
無線傳感網絡由于其傳輸信道的特殊性，其安全問題更顯得尤為重要。例如802.11無線協(xié)議就存在嚴重的安全漏洞，黑客可以通過軟件和硬件工具來干擾無線網絡。目前的無線傳感器網絡安全研究有：信息認證、信息加密、入侵檢測、防止而已攻擊等。

3無線傳感網絡的應用分析
無線傳感網絡隨機分布的特點，廣泛用于環(huán)境、醫(yī)療和家庭辦公等。

3.1環(huán)境監(jiān)測
傳感器網絡節(jié)點的成本較低、容易布局的特點非常適合環(huán)境監(jiān)測，比如在水環(huán)境應用中，針對水環(huán)境監(jiān)測和WSN各自的特性，重點研究數據融合和聚集技術，以保證水污染等報警的正確率；此外還可以應用在鳥類、昆蟲的遷徙跟蹤，大面積地質結構監(jiān)控，森林火災的預警等方面。

3.2醫(yī)療方面
無線傳感網絡在醫(yī)療方面的應用有：對人類生理數據的無線監(jiān)測，WSN可以長期收集人類的生理數據，供醫(yī)學部門研究應用；在醫(yī)院對醫(yī)護人員和患者進行監(jiān)控和 追蹤，讓患者佩戴完成特殊任務的微型傳感器，可以監(jiān)視患者的心率，血壓、體溫等指標，醫(yī)生可以實時保持與患者的聯(lián)絡。從而能及時的處理問題。

3.4家庭及辦公自動化
隨著技術的發(fā)展，傳感器網絡可以嵌入吸塵器、微波爐、冰箱等家用電器，這些電器可以通過手機，PDA、手機和傳感器節(jié)點一起，接入到英特網中，用戶可以與 其進行交互，方便遠程監(jiān)控和操作使用；也可以將傳感器放在書本，辦公文檔和其他文件中，就能準確定位這些文件的位置，實現(xiàn)辦公自動化。

4結語
無線傳感器網絡(WSN)是新興的下一代無線網絡，在社會生產和人民生活各方面都有著廣闊的應用前景。本文介紹了無線傳感器網絡的特點，討論了無線傳感器網絡的關鍵技術和在工業(yè)、環(huán)境、人民生活等方面的應用。