現代無線傳感器網絡的研究,通常是以 的“低能耗無線集成微型傳感器”作為標志。隨著各國對無線傳感器網絡的持續研究,無線傳感器網絡技術應用在社會的各個領域,成為廣泛關注和 有競爭力的應用技術之一。
無線傳感器網絡主要是用來實現對監測區域或監測對象的數據采集和監控,通常由大量的低功耗、廉價的微型傳感器節點組成。這些傳感器節點被固定或隨機部署在監測區域內,它們之間通過無線自組織方式形成一個多跳的網絡系統。傳感信息被采集后,經過處理和傳輸, 終被送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了傳感器網絡的三個要素。Internet的出現為我們構建了一個邏輯上的信息世界,從而改變了人與人之間的交流與溝通方式;而無線傳感器網絡的出現,則將這個邏輯上的信息世界延伸至客觀上的物理世界,將二者進行融合,使人與人的交流和溝通演變為人與自然界的交互。 《商業周刊》將其列為21世紀 有影響的技術之一。MIT的《技術評論》則將其列為改變世界的十大技術之一。由此可見,無線傳感器網絡是信息感知和采集的一場革命,它的出現將會給人類社會帶來巨大的變革。無線傳感器網絡是信息領域中一個全新的發展方向,同時也是新興學科與傳統學科進行領域間交叉的結果。
大量的傳感器節點被部署在需要信息采集的區域中。每個傳感器節點由各種機械、熱、生物、化學、光學、磁力等傳感器加上無線通信系統組成,傳感節點將采集的數據通過節點間的自組織網絡傳送給Sink節點。目前傳感器節點自組織網絡采用的通信技術很多,如ZigBee、Wi-Fi、藍牙、UWB等,不同的應用需求決定了采用不同的通信技術。因為采用自組織方式組網,每個傳感器節點除了采集和發送數據外,也需要負責存儲和轉發其他節點的數據。在某些網絡結構中,傳感器節點也可能先將采集的數據傳至一個稱為匯聚節點的傳感器節點,再由匯聚節點將數據傳至Sink節點。Sink節點是網絡中所有數據的目的地,它來匯聚網絡中的各種采集數據。Sink節點通常通過遠距離的通信方式與數據中心相連。通常采用的通信方式有通用分組無線服務技術(GPRS)、衛星通信技術、Wi-Fi、WiMAX、3G/LTE、Internet等。
由于無線傳感器網絡是由隨機部署的廉價傳感節點組成,當網絡中某些節點故障,網絡憑借其良好的自組織能力和容錯能力,依然能夠保持正常運行,不會導致整個網絡系統崩潰,非常適合在條件惡劣的或人類無法到達的環境中應用,目前無線傳感器網絡廣泛應用于軍事、工業、農業、環境保護、健康、空間探索、商業等領域。
在工業環境中,無線傳感器網絡具有諸多優勢,包括安裝便捷、部署靈活、降低成本,能避免工廠環境中“蜘蛛網”般連線的混亂局面??捎糜谏a線的實時監控,有助于提 、控制功耗、減少排放、降低維護成本、優化控制。無線傳感器網絡在工業領域中常用的通信技術有ZigBee、WirelessHART、ISA100以及中國自主制定的WIA等標準。這些通信標準的數據鏈路層都是基于IEEE802.15.4協議實現的。802.15.4是一種工作在2.4GHz的經濟、 、低傳輸速率(低于250kbps)的無線通信技術,支持傳感器、遠端控制和家用自動化等應用。通常通信范圍小于100m。IEEE802.15.4協議僅僅規定了物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)協議,其物理層采用直接序列擴頻(DSSS)技術以避免通信干擾。在MAC層,主要是沿用無線局域網(WLAN)中IEEE802.11系列標準的CSMA/CA方式,以提高系統的兼容性。
在農業領域,無線傳感器網絡的應用使傳統農業生產模式轉變為以信息網絡為中心的自動化、網絡化、智能化 農業模式。 農業主要是指管理者可以實時、動態地獲取有關農作物生長環境和條件的信息,以便及時了解作物長勢和可能出現的異常情況,診斷原因。在 農業應用中,傳感器節點可以收集到多種 的信息,包括農作物生長態勢、大氣及土壤的溫濕度、降水量、土壤中微量元素含量、酸堿度、病蟲害發生動態等環境和作物信息資源,這些信息采集后通過傳感器網絡傳送到管理監控中心,農業專家或農場管理者可以根據采集的信息進行綜合處理和分析,準確地發現問題,根據信息的地理位置進行問題定位,遠程指導和控制農業生產流程,從而農作物的產量和質量,提高農業生產效率。農業中其它典型的無線傳感器網絡應用還包括農作物災害狀態監測、溫室溫度監測與自動控制、光照控制、施肥灌溉自動化控制等方面。對于這些數據的充分利用,將有助于減少資源的浪費,節約用工成本,提高生產效率,提高農產品的質量和產量。
在環境監測上,利用無線傳感器網絡可以克服采用傳統方式無法在惡劣環境采集原始數據的困難。例如,可以在人類難以到達的極端惡劣區域(如極地、海洋、沙漠等),利用無人機空中拋灑部署一次性無線傳感器節點,通過無線傳感網的自組網特性以及衛星通信等手段,進行原始數據的采集。利用無線傳感器網絡還可以跟蹤候鳥和動物的遷移;監測海洋、大氣和土壤的成分;監測河流、濕地、空氣的污染狀況;研究環境變化對動植物的影響;監測和預測地震、山洪、泥石流、滑坡發生的可能性以及對森林火災的監測和預報等。
在上,無線傳感器網絡可以方便地實現遠程和病人的全天候健康監護。被診斷或監護的病人通過無線傳感器網絡和其它輔助網絡將自身的健康參數傳給機構,足不出戶就可以在家里就診。醫院可以在危重病人身上安裝用途的傳感器節點進行24小時的全天候監護,結合現有的遠程通信網絡,如3G網絡,醫生就可以實時掌握被監護病人的健康狀態,以便在發生危險時及時進行處理。同時,也可以通過遠程網絡與病人進行溝通,指導病人用藥等。利用無線傳感器網絡,醫藥研究機構還可以長時間地跟蹤采集測試病人用藥后的生理反應數據,通過對數據進行分析來幫助醫藥研究機構了解的藥性及副作用,對研制和改進新藥品會有較大幫助。此外,無線傳感器網絡在管理、運輸等諸多方面,也有著廣泛的應用。
無線傳感器網絡在空間探索方面也發揮著重要作用。長期以來,人類一直沒有停止過外太空的探索工作,無線傳感器網絡節點可以借助航天器布撒在太空中,來實現對其它星球表面和外太空長時間的監測,這對于小巧、廉價的傳感器節點來說,是一個切實可行的方案。 NASA的JPL實驗室研制的SensorWebs就是一種專門為火星探測進行技術準備的無線傳感系統,該系統目前已經在佛羅里達宇航中心周圍的模擬環境監測項目中進行了測試和完善。 航空航天局十前發射的尤利西斯號探測器在太陽系的星際邊界地帶發現了氦元素的存在。2008年發射的星際邊界探測器(IBEX)近口發現有外來物質正從星際空間闖入太陽系。該發現可能會幫助人們了解太陽系的形成方式和地點、促其形成的力量以及銀河系中其它星體的歷史。已成功發射并仍在履行探測任務的火星探測器“機遇號”和“勇氣號”也是通過攜帶的大量傳感器對火星表面、土壤、大氣等進行數據采集和分析。
除了以上各種應用外,無線傳感器網絡還有一些他商業應用。如實現家庭 監控和遠程控制的智能家居系統;智能小區與樓宇系統;城市車輛監測和跟蹤管理系統;倉儲物流管理系統等。
總之,無線傳感器網絡在、工業、農業、環境監測、和空間探索等許多方面都有廣泛的應用前景和潛在的產業經濟價值??梢灶A見,隨著技術的進步和社會經濟的進一步發展,無線傳感器網絡技術 會在人類社會生產生活的各個方面發揮出 加重要的作用。