无线传感网络关键技术及应用探析

1概述
1.1无线传感网简介
无线传感网络是集数据采集,信息传输,信息处理等多个技术为一体的综合智能信息系统。它融合了电子技术,计算机技术,无线通信技术,分布式信息处理等理 论,能够实时监测并感知其覆盖区域中的环境以及各被监控对象的状态,而后将数据信息通过无线传输方式发送到到控制中心,供观察者进行处理。

1.2无线传感网络的特点
和传统网络通用的模式不同,WSN可以针对不同的应用,需要调整自身的配置,如节点密度,通信协议等,其主要特点如下。
(1)节点能量受限。WSN中的节点通常由电池供电,由于电池的容量一般不能维持节点正常工作时间过长,并且无线传感节点往往部署于野外环境中,无法及时充电或更换电池,当电池电量耗尽,节点也就随之失效。
(2)节点处理能力受限。无线传感网络中的节点受体积和成本的影响,内存和处理器均不能和普通计算机相比,其处理程序和运算数据的能力也有限,这决定了无线传感网络的节点设计不能过于复杂。
(3)WSN是一种自组织网络。传感器节点通过自组织分布形成WSN,网络大多数采用Adhoc方式进行配置,网络中的每个节点中同时充当主机和路由器的 角色,具有路径寻址和维护功能。由于传感器节点自身的特点,网络拓扑结构经常发生变化,因此要求节点需要有维护动态路由的功能,以保证网络正常工作。
(4)以数据为中心。在无线传感网络中,为了节省能量的消耗,要求在保证通信质量的前提下,尽可能的减少信息传输量,只需将用户关心的信息数据进行搜集传输,即WSN是一种以数据为中心的网络。

2无线传感网络的关键技术
2.1网络的自组织和自我管理
WSN采用无线自组织方式进行组网,节点放入检测区域后,搜集被检测信息,并把这些信息发于邻接节点,并将其周围的链路连接信息发回给sink节点,sink节点把从所有信息进行汇总分析后,可得到网络的拓扑结构和传输路由等信息。

WSN的拓扑形式一般有三种:簇方式、 平面结构、栈结构。三种结构各有利弊,需在具体的应用中灵活选取,当节点失效或加入新节点而导致网络拓扑变化较大时,需要能很快的适应这种变化,快速的使网络正常工作,即WSN需要良好的自适应性。

2.2节点软硬件系统集成
无线传感网络中的每个节点都是嵌入式系统,包括电源系统,存储器,微处理器,无线收发模块等。近年来,随着芯片技术、嵌入式技术。MEMS技术的发展,已 经可以将这些部件很好的集成。由于节点能量有限,在设计部件如:无线收发器和微处理器要求其功耗较小,且能自动节省能量,比如休眠模式等,以便在不参与工 作时候消耗较低的电量。这些功能需要通过操作系统来集成,目前最常用的操作系统有uC-OS-2、嵌入式linux、TInyOS操作系统,这些操作系统 具有内核小,模块化设计,占用资源少等特点,可以大大提无线传感网络性能。

2.3相关的网络协议
WSN和传统网络在职能上有较大的不同。传统网络是以传输数据为中心,中间的节点主要进行数据的转发,而不需要处理分析数据的。而传感器网络是以数据为中 心,中间节点不仅仅只是将数据进行转发,还需要进行数据的有效融合和其他处理等功能,因此传统Ad-自组织网络的协议并不完全适合无线传感器网络的特点和 要求,因此所以在路由选择上也必须有更加适合的协议。

2.4能源管理
在WSN中,为了节省能量,不管是节点自身还是通信协议都需要更为合理的设计,以适应节点在工作和休眠之间的转换的需要。可以通过在应用层、网络层、接入 层协议的控制,引入能源控制的理念,以延长网络的生存时间。此外,还可以通过将链路层应答和网络层应答跨层结合起来进行设计,既可以满足性能的要求,也可 降低功耗。

2.5无线传感网络的安全问题
无线传感网络由于其传输信道的特殊性,其安全问题更显得尤为重要。例如802.11无线协议就存在严重的安全漏洞,黑客可以通过软件和硬件工具来干扰无线网络。目前的无线传感器网络安全研究有:信息认证、信息加密、入侵检测、防止而已攻击等。

3无线传感网络的应用分析
无线传感网络随机分布的特点,广泛用于环境、医疗和家庭办公等。

3.1环境监测
传感器网络节点的成本较低、容易布局的特点非常适合环境监测,比如在水环境应用中,针对水环境监测和WSN各自的特性,重点研究数据融合和聚集技术,以保证水污染等报警的正确率;此外还可以应用在鸟类、昆虫的迁徙跟踪,大面积地质结构监控,森林火灾的预警等方面。

3.2医疗方面
无线传感网络在医疗方面的应用有:对人类生理数据的无线监测,WSN可以长期收集人类的生理数据,供医学部门研究应用;在医院对医护人员和患者进行监控和 追踪,让患者佩戴完成特殊任务的微型传感器,可以监视患者的心率,血压、体温等指标,医生可以实时保持与患者的联络。从而能及时的处理问题。

3.4家庭及办公自动化
随着技术的发展,传感器网络可以嵌入吸尘器、微波炉、冰箱等家用电器,这些电器可以通过手机,PDA、手机和传感器节点一起,接入到英特网中,用户可以与 其进行交互,方便远程监控和操作使用;也可以将传感器放在书本,办公文档和其他文件中,就能准确定位这些文件的位置,实现办公自动化。

4结语
无线传感器网络(WSN)是新兴的下一代无线网络,在社会生产和人民生活各方面都有着广阔的应用前景。本文介绍了无线传感器网络的特点,讨论了无线传感器网络的关键技术和在工业、环境、人民生活等方面的应用。

  • 无线传感网络关键技术及应用探析已关闭评论
    A+
发布日期:2019年07月14日  所属分类:通信