无线传感器网络的特点、结构及应用

　　无线传感器网络作为计算、通信和传感器三项技术相结合的产物，是一种全新的信息获取和处理技术。主要由三个部分组成：节点、网关和软件。可应用于由震动、地磁、热量、视觉、红外、声音、雷达等多种不同类型传感器构成的网络节点，用于监控湿度、温度、压力、应力、流量、成份、像素等多种环境条件。今天小编就来为大家讲解一下无线传感器网络的特点、结构及应用。

　　无线传感器网络的特点

　　1、超大规模 

　　通常有成千上万个微小传感器构成，主要不是依单个设备能力的提升，而是通过大规模、冗余的嵌入式设备的协同工作来提高系统的可靠性和稳定性。

　　2、无人值守 

　　微传感器节点往往密集地分布于需监控的物理环境中，由于规模巨大，不可能人工“照顾”每个节点，网络系统往往在无人值守的状态下工作。每个节点只能依靠自带或自主获取的能源（电池、太阳能）供电。由此导致的能源受限是阻碍无线传感器网络发展及应用最重要的“瓶颈”之一。

　　3、易受物理环境影响-动态性强 

　　无线传感器网络与其所在的物理环境密切相关，并随着环境的变化而不断变化。这些时变因素严重地影响了系统的性能。如低能耗的无线通信易受环境因素的影响；外界激励变化导致网络负载和运行规模的动态变化；随着能量的消耗，系统工作状态的变化等都要求传感器网络系统要具有对动态环境变化的适应性。

　　4、无中心和自组织性 

　　所有节点地位平等，网络中的节点通过分布式算法来协调彼此行为，无需人工干预和任何其他预置的网络设施，可以在任何时刻、任何地点快速展开并自动组网。

　　5、动态变化的网络拓扑 

　　移动终端能够以任何速度和任意方式在网中移动，可随时关闭电台；无线收发装置的天线类型多种多样、发送功率随着携带能量的变化而变化；加之无线信道间的互相干扰、地形和天气等综合因素的影响，移动终端通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测。

　　6、移动终端能力有限

　　如能源受限、内存较小、CPU性能较低等，从而给应用程序设计开发带来一定难度；屏幕等外设较小，不利于开展功能较复杂的业务。

　　7、安全性较差

　　由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术，它更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等网络攻击。信道加密、抗干扰、用户认证和其他安全措施均需特别考虑。

　　无线传感器网络结构

　　传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。

　　大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

　　传感器节点

　　通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。

　　从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。

　　汇聚节点

　　汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。

　　汇聚节点既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。

　　无线传感器网络应用范围

　　由于技术等方面的制约，WSN的大规模商用还有待时日。但随着微处理器体积的缩小和性能的提升，已经有中小规模的WSN在工业市场上开始投入商用。其应用主要集中在以下领域：

　　1、环境监测

随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州"大鸭岛"上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。                      

2、医疗护理

　　罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆(血压、脉搏和呼吸)、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔也推出了基于WSN的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目CenterforAgingServicesTechnologies(CAST)的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事EricDishman称，"在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域"。

　　3、军事领域

　　由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行"智能尘埃"传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从2004年的1000万美元增加到2010年的几十亿美元。

　　4、目标跟踪

　　DARPA支持的SensorIT项目探索如何将WSN技术应用于军事领域，实现所谓“超视距”战场监测。UCB的教授主持的SensorWeb是SensorIT的一个子项目。原理性地验证了应用WSN进行战场目标跟踪的技术可行性，翼下携带WSN节点的无人机(UAV)飞到目标区域后抛下节点，最终随机布撤落在被监测区域，利用安装在节点上的地震波传感器可以探测到外部日标，如坦克、装甲车等，并根据信号的强弱估算距离，综合多个节点的观测数据，最终定位目标，并绘制出其移动的轨迹。虽然该演示系统在精度等方面还远达不到装备部队用于实战的要求，这种战场侦察模式尚未应用于实战，但随着美国国防部将其武器系统研制的主要技术目标从精确制导转向目标感知与定位，相信WSN提供的这种新颖的战场侦察模式会受到军方的关注。

　　5、其他用途

　　WSN还被应用于一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。

　　无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，高频红外碳硫分析仪可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。潜在的应用领域可以归纳为:军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。