无线技术在传感器网络中的应用研究

钱超

（安徽四创电子科技有限公司，合肥 230009 18949851389）

作者邮箱：65111863@qq.com

【摘要】传感器网络是由多种学科高度交叉的前沿热点研究领域，文章在分析传感器网络的体系结构的基础上，结合近距无线技术的应用研究，论述了无线技术在传感器网络中的应用和发展，并对无线传感器网络的实际应用进行了探讨，同时阐述了无线技术在无线传感器网络中的典型应用和示范系统。

【关键字】无线传感器网络；自组织网络；蓝牙；无线技术；节点

【中图分类号】TP393

Application of Wireless technology in Sensor Networks

Abstract：Sensor networks is a multi-disciplinary crossed research field.This paper is based on the analysis of sensor network’s architecture and explores the practical application of the wireless sensor networks ,and then elaborate the typical application and demonstration system for wireless technology in the wireless sensor networks

Keyword：Wireless Sensor networks; Self-organizing network; Bluetooth；Wireless Technology；Node

传感器网络由多种学科高度交叉的新兴前沿热点研究领域，在国际上备受关注。它是由一组传感器以Ad Hoe方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观测者[1]。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种技术，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。

1 传感器网络总体框架

1.1 定义

所谓传感器网络是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络，能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。这些装置能使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况（比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物）[2]。传感网络的节点间距离很短，一般采用多跳（multi-hop）的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到Internet，使用户可以远程访问。

1.2 体系架构

传感器网络体系架构由前端传感器节点、传输网络、管理节点和网络协议构成；前端传感器节点负责采集现场信息，由传输网络进行实时数据传输至管理节点；网络协议一般基于TCP/IP协议族中的UDP协议。体系架构如下图所示：

图1 、传感器网络体系架构

1.3 网络结构

传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域(sensor field)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式地进行传输，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。传感器网络结构如下图所示：

图2、传感器网络结构

1.4 节点结构

传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图3所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。

图3、传感器网络节点结构

近距无线技术

2.1 近距无线技术的种类

目前使用较为广泛的近距无线通信技术是蓝牙(Bluetooth)，无线局域网WLan(Wi-Fi)和红外数据传输(IrDA)。同时还有一些具有发展潜力的近距无线技术标准，它们分别是：Zigbee、超宽频(Ultra WideBand)、短距通信(NFC)、WiMedia、GPS、DECT、无线1394和专用无线系统等。它们都有其立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求；或着眼于功能的扩充性;或符合某些单一应用的特别要求；或建立竞争技术的差异化等。但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求。

2.2 主流近距无线通信技术应用概述

目前传感器网络主要使用蓝牙、无线局域网、Zigbee和UWB等技术构建数据传输网络，这几种技术在实际应用中都有各自的特点。

2.2.1 蓝牙

蓝牙技术是近几年出现的，广受业界关注的近距无线连接技术。它以低成本的短距离无线连接为基础，可为固定的或移动的终端设备提供廉价的接入服务。

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互通信或操作。其传输频段为全球公众通用的2.4GHz ISM频段，提供1Mbps的传输速率和10m的传输距离。

但蓝牙技术的应用具有局限性，表现在：芯片过于昂贵；芯片大小和价格难以下调；抗干扰能力不强；传输距离太短；信息安全问题等等。由于它一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。目前主要应用在无线耳机等不需要很高传输带宽的领域。

2.2.2 无线局域网

Wi-Fi(Wireless Fidelity，无线高保真)也是一种近距无线通信协议，正式名称是IEEE802.11b，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。目前Wi-Fi协议族所制定的标准速率最高可达108Mb/s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100 m左右。Wi-Fi是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以设备所提供的带宽速率速度接入Web[3]。

WLAN未来最具潜力的应用将主要在SOHO、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场等公共热点场所。Wi-Fi技术可将Wi-Fi与基于XML或Java的Web服务融合起来，可以大幅度减少企业的成本。企业选择在每一楼层或每一个部门配备无线接入点（AP），可以节省大量铺设电缆所需花费的资金。

2.2.3 Zigbee

ZigBee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到传递信息的目的，实现“无线”的沟通。这是蜜蜂赖以生存和发展的通信方式，人们借此来描述一种专注于低功耗、低成本、低复杂性、低速率的短距离无线网络通信技术，即ZigBee技术。

ZigBee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。Zigbee可以看作是蓝牙的同族兄弟，它使用2.4 GHz波段，采用跳频技术。与蓝牙相比，ZigBee更简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速率是250kb/s，当降低到28kb/s时，传输范围可扩大到134m，并获得更高的可靠性。另外，它可与254个节点联网，可以比蓝牙更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。其有效覆盖范围10～75m之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。

2.2.4 UWB

超宽带技术UWB(UltraWideband)是一种未来短距离宽带无线传输技术。UWB未采用通常无线收发中的载波调制技术，而是通过基带脉冲作用于无线的方式发送数据[4]。UWB的工作频段为3．1～10．6GHz。预期的通信距离为5～10m，速率超过100Mbps，最高可达1Gbps，该技术适用于对速率要求非常高的无线局域网或个域网。

2.2.5 四种无线技术应用比较

BlueTooth、WiFi、ZigBee和UWB的参数各有特点，满足一定范围内的具体应用，下图根据实际应用中重点考虑的距离和速率两种因素，绘制对比图如下：

图4、四种无线技术应用参数比较

无线技术在传感器网络中的应用

3.1 无线传感器网络的定义

为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多，这样传感器网络具有节点多样性、密集性、通信随机性等特点，目前实际应用中广泛采用无线通信技术作为通信方式，形成无线传感器网络。所谓无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者[5]。

3.2 无线传感器网络的发展

自1996年美国UCLA大学的William J Kaiser教授揭开现代无线传感器网络研究序幕以后，人们不断地研究无线传感器网络，并视之为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。

21世纪开始至今，传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。由于无线传感网在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，2003年美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络位列第一。

我国对无线传感器网络的研究与发达国家同步，并在该领域位居世界前列。在2006年我国发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》中，为信息技术确定了三个前沿方向，其中有两项就与传感器网络直接相关，这两项就是智能感知和自组网技术。

3.3 无线技术在传感器网络中的应用

无线技术在传感器网络中的应用体现在无线传感器网络的具体实际应用中。虽然由于技术、成本和观念等方面的制约，无线传感器网络的大规模商业应用还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经有为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：

（1）环境的监测和保护

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。

例如：杭州科技大学在2008年针对水环境检测做出研究发明，基于ZigBee无线技术开发出水环境监测节点，能够长期置于水环境中，对水体环境进行多参数实时监测，并完成数据的高效传输，在水环境监测领域有广阔的应用前景。

无线传感器网络还可以用在农业环境、大气环境、文物环境保护等诸多领域中，从技术层面对社会发展和科学研究起到促进作用。

(2) 医疗护理

如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。还可以利用传感器网络长时间地收集病人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不便。此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而独特的应用。总之，传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。国内相关机构已对基于WLAN利用RFID技术实现无线医疗护理系统进行了研究，通过在医院部署无线网络,患者佩带RFID标签，在药品加贴RFID标签，护士可以通过PDA掌上计算机采集获取患者信息进行护理。

(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，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[6]。

(4)智能家居

无线传感器网络还能够应用在家居系统中。例如，2004年3月英特尔公司演示了家庭护理的无线传感器网络系统。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、以及残障人士的日常家庭生活，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。智能家居网络系统是将家庭中各种与信息有关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持家庭设施与住宅环境的和谐与协调的系统。

目前基于无线传感器网络的智能家居应用研究，主要利用ZigBee和WiFi无线通信技术，可实现无线网关、无线智能灯光控制、无线温湿度传感器、无线空气质量传感器、无线智能插座、无线门铃、无线燃气泄漏报警器等多种智能家居设备。

(5)生产管理

无线传感器网络还被应用于企业生产管理中，比如企业生产产品时，生产线往往对环境、人员、流程有严格的要求，传统上采用人员现场管理、自动化控制等措施进行管理；如果使用无线传感器网络作为管理手段，可利用传感器节点对环境温湿度、气压、空气洁净度、设备状态、局点设备消耗电能、电能质量等众多关乎生产的信息进行实时采集和监控，可实现安全生产、绿色环保、节能减排等利国利民的良好社会效应[7]。

无线传感器网络还可被用于其他一些领域。比如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。

结论

无线传感器网络，是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。尽管目前无线传感器网络的应用仍处于初步阶段，其网络技术和网络安全等方面还面临着许多不确定的因素和有待解决的问题，但由于其由于具有覆盖区域广阔、部署灵活、监测实时性、监测高精度、可远程监控、可自组织和高容错性等特点，已经展示出了非凡的应用价值，相信在不久的将来，会对人们的生产生活起到不可估量的作用。

【参考文献】

[1] AKYILDIZ I F， WANG X. Survey on wireless mesh networks[J]. IEEE Communications Magazine，2005（43）：23-30.

[2]崔逊学，左从菊.无线传感器网络简明教程.北京:清华大学出版社,2009

[3]王艳琴，彭刚，刘宇. 浅析无线传感器网络及其路由技术[J]. 电脑知识与技术,2010（1）：16-18.

[4]杨卓静，孙宏志，任晨虹. 无线传感器网络应用技术综述[J]， 中国科技信息，2010（10）：54-59.

[5]康启涛，陶滔.无线传感器网络综述[J].应用安全，2008(2):78-82.

[6]滑楠.无线传感器网络相关理论与应用研究[J].电子学报,2007(6):34-38.

[7]肖俊芳. 无线传感器网络的若干关键技术研究. 上海交通大学工学博士学位论文,2009

作者简介：

姓名：钱超出生地：江苏淮安出生年月：1982年5月性别：男

学历：本科职称：工程师研究方向：网络技术，系统集成