无线传感器网络研究现状与应用

北京工商大学学报(自然科学版)

JournalofBeijingTechnologyandBusinessUniversity(NaturalScienceEdition)

Vol126No11Jan.2008

41

204 文章编号:167121513(2008)0120041

无线传感器网络研究现状与应用

杜晓明, 陈 岩

(北京工商大学信息工程学院,北京 100037)

摘 要:随着传感器、微处理器和无线通信技术三大高新技术的飞速发展,20世纪90年代末在美国发展了现代意义的无线传感器网络技术,已是一项日益引起人们研究兴趣的技术.将简要论述

无线传感器网络的兴起、研究现状、未来发展以及在医疗卫生、环境监测和军事等领域广阔的应用.关键词:普适计算;无线传感器网络;传感器节点中图分类号:TP393 文献标识码:A 近年来,计算模式正向着以人为中心的普适计算(pervasivecomputing)[123]模式发展.普适计算使计算机融入人的生活空间,形成一个/无所不在而又不可见0的计算环境,其中,无线传感器网络技术作为普适计算思想系统中的一个典型的应用,成为当前国际上备受关注的、多学科的新兴前沿研究热点领域.在美国的移动计算和网络国际会议上,提出了无线传感器网络是21世纪面临的发展机遇.同年,无线传感器网络被列为十大新技术之一[5].

典型的无线传感器网络结构如图1,传感器节点经多跳转发,再把传感信息送给用户使用[6].节

[4]

相邻节点接力传送的方式传送回基站,然后通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给最终用户[8].

节点是无线传感器网络的基本功能单元,传感器节点的基本组成模块有传感单元、处理单元、通信单元以及电源部分,节点的结构见图2.典型的节点有BarkeleyMotes,InteliMote[9],ICTCAS/HKUSTBUDS

[10211]

,SmartMeshDustmote等.

图2 节点的结构

1 无线传感器网络的研究现状

因特网改变了人与人的交互方式,传感器网络将改变未来人与自然的交互方式.传感器网络是计

图1 传感器网络体系结构

算机科学技术的一个新的研究领域,具有十分广阔的应用前景,引起了学术界和工业界的高度重视[12].集成三大高新技术的无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术[13],在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题.

点间以无线自组网(ad2hocnetwork)方式进行通信,每个节点都可充当路由器的角色,并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力[7].传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户,数据传送的过程是通过

收稿日期:2007207205

基金项目:北京市教育委员会人才强教资助项目(0142131301).

作者简介:杜晓明(1981)),男,山东德州人,硕士研究生,研究方向为嵌入式系统应用以及无线传感器网络;

陈 岩(1963)),女,甘肃天水人,副教授,博士,主要从事电子技术与数字通信方面的研究.通信作者.

42北京工商大学学报(自然科学版) 2008年1月

发达国家如美国,非常重视无线传感器网络的发展,IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展,它的出现将会给人类社会带来极大的变革.无线传感器网络被美国商业周刊列为21世纪最有影响的改变世界的十大技术之一,被麻省理工学院(MIT)技术评论列为全球未来的三大高科技产业之一.美国所有著名的院校几乎都有研究小组从事传感器网络相关技术的研究,如加州大学洛杉矶分校、康奈尔大学、麻省理工学院和加州大学伯克利分校等也先后开展了传感器网络方面的研究工作.Crossbow,MoteIV等一批以传感器网络节点为产业的公司已为大家所熟知,他们的产品mica2、mi2caz、telos等为很多研究机构搭建起了硬件平台,方便的开发平台使得大部分研究机构开始转而研究大规模无线组网、传感信息融合、时间同步与定位、低功耗设计技术等关键技术.尽管无线传感器网络的仿真工具有SENSOR[14],NS22[15],TOSSIM[16],OPNET[17]等,由于其使用的一些局限性,许多学者投入大量精力研究传感器网络的仿真工具,在世界范围内掀起了理论研究和应用研究的高潮.

相对来说,国内传感器网络系统方面的研究起步较晚,近两年才受到广泛关注./传感器网络系统的基础软件及数据管理关键技术的研究0已被列为国家自然科学基金委员会、信息科学部与微软亚洲研究院正式签署的第二期联合资助项目之一,国家/十五0科技攻关项目把传感器网络列为重大研究项目.中科院计算技术研究所、中科院自动化所、中科院软件所、清华大学,北京交通大学等研究单位及高校在无线传感器网络方面也进行了大量的工作,主要从事通信协议的分层和网络节点的设计[18]、无线通信协议栈、同步和定位中间件、数据融合、低功耗与高安全性设计、网络管理、质量保证技术以及特定行业的应用研究,相信会有更多的院校及研究所参加到传感器网络的研究中来.

国内也有越来越多的企事业开始关注传感器网络技术的发展,宁波中科、北京鑫诺金传感与控制技术有限公司、成都无线龙科技等公司也开始推出针对无线传感器网络及ZIGBEE的解决方案,以及面向一定产业应用的系统方案.

有极其广阔的应用前景.由于传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详

实而可靠的信息.因此,这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测[19]、设施农业、智能家居、交通管理、医疗卫生制造业、反恐抗灾等领域.211 军事中的应用

无线传感器网络的特性非常适合于军事侦察,传感器网络研究最早起源于军事领域,环境恶劣、低功耗、小体积、高抗毁、高隐蔽性、自组织能力强等特点为军事侦察提供了可靠而有效的手段,通过飞机撒播、特种炮弹发射等手段,可以将大量便宜的传感器密集地撒布于人员不便于到达的观察区域如敌方阵地内,收集到有用的微观数据,如兵力部署、地形地貌、火力监控以及战斗损失评估等.

由于传感器网络的巨大应用价值,它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注.美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视,在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划,强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力,设立了一系列的军事传感器网络研究项目,如NSOF系统[23].

212 环境、生态观测和智能农业中的应用

无线传感器网络在生态环境监测中具有非常明显的优势,可用于气象研究、洪水检测、森林火灾、设施农业、土壤空气变更、地表检测物种跟踪等.我国幅员辽阔,物种众多,环境和生态问题严峻.同时,我国是农业大国,借助传感器网络实现农作物的优质高产,对国家的经济发展意义重大.图3所示是一个典型的检测系统,通常由环境监测节点、基站、通信系统、互联网以及监控软硬件系统构成.

[20]

[21]

、定位

[22]

、

2 无线传感器网络的应用

传感器网络作为一种新型的信息获取系统,具图3 生态、环境、农业监测结构示意

213 医疗护理中的应用

由于无线传感器网络可以将采集到的信息通过第26卷第1期 杜晓明等:无线传感器网络研究现状与应用43

Internet发送到远端,在一些有发病隐患的病人身上安装特殊用途的传感器节点,如心率、血压等监测设备,医生就可在远端随时了解被临护病人的病情,进行及时处理和救护.传感器网络在医疗领域也有一些成功实例,比如SSIM(smartsensorsandinte2gratedmicrosystems)以及芬兰技术人员设计的可穿戴式无线传感器系统等,如图4,但是推广这种想法前,还需要突破许多技术瓶颈.

它们的状态信息,从而可以使管理部门按照优先级来进行一系列的修复工作.

在家电和家具中嵌入传感器节点,通过无线网络与Internet连接,将会为人们提供舒适、方便和更具人性化的智能家居环境.通过布置于房间内的温度、湿度、光照、空气成分等无线传感器,感知居室不同部位的微观状况,从而对空调、门窗以及其他家电进行自动控制,提供给人们智能、舒适的居住环境.

3 无线传感器网络在未来的发展

无线传感器网络作为/普适计算0思想衍生的产物,通过近几年的研究,人们对传感器网络特点的认识已经逐渐明确,但是许多基础性问题和关键技术需要解决,如能量有限性,计算存储能力,传输层和服务质量,覆盖率与部署,可靠数据传输,网络协议

图4 利用MICAz进行人体运动模式的分析与检测

214 智能家居建筑中的应用

对珍贵的古老建筑进行保护,是文物保护单位长期以来的一个工作重点.将具有温度、湿度、压力、加速度、光照等传感器的节点布放在重点保护对象当中,无需拉线钻孔,便可有效地对建筑物进行长期的监测,见图5.此外,对于珍贵文物,在保存地点的墙角、天花板等位置,监测环境的温度、湿度是否超过安全值,可以更妥善地保护展览品的品质.英国的一家博物馆利用无线传感器网络设计了一个警告系统,他们将节点放在珍贵文物或艺术品的底部或背面,通过侦测灯光的亮度是否改变,测量物品是否遭受到振动等因素,来确保展览品的安全.

的统一标准等.尽管传感器网络当前仍存在若干技术难题,暂时还不能广泛应用,但无线传感器网络的应用前景会十分广阔,传感器网络将是信息感知和采集的一场革命,实现MarkWesier提出的/普适计算0思想将不再遥远.

参考文献:

[1] MartinT.Wearableandubiquitouscomputing[J].Per2

vasiveComputing,2003,2(3):8212.[2] SatyanarayananM.

(4):10217.

[3] SatyanarayananM.Swissarmyknifeorwallet[J].IEEE

PervasiveComputing,2005,4(2):223.

[4] KahnJ,KatzR,PisterK.Nextcenturychallenges:

mobilenetworkingfor/SmartDust0[C]MProceedingsof1999AnnualInternationalConferenceonMobileCom2putingandNetworking.NewYork:ACMPress,1999:271-278.

[5] Anon.Tenemergingtechnologiesthatwillchangethe

world[J/OL].TechnologyReview,2003,106(1):22249[2007206210].http:Mwww.techreview.com/In2fotech/13060/.

[6] AkyildizIF.Wirelesssensornetworks:asurvey[J].

ComputerNetworks,2002,38:3932422.

[7] 孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北

京:清华大学出版社,2005.

[8] AkyildizIF,SuWeilian,SankarasubramaniamY,etal.

Asurveyonsensornetworks[J].IEEECommunicationsPervasivecomputing:visionand

challenges[J].IEEEPersonalCommunications,2001,8

图5 无线传感器网络在珍贵文物保护中的应用实况

我国正处在基础建设的高峰期,各类大型工程的安全施工及监控是建筑设计单位长期关注的问

题.采用无线传感器网络,可以让楼宇、桥梁和其它建筑物能够自动感觉并监测到它们本身的状况,使得安装了传感器网络的职能建筑自动告诉管理部门44

Magazine,2002,40(8):1022105.

北京工商大学学报(自然科学版) 2008年1月

[17] OpnetCompany.Opnetcompanywebsite[EB/OL].

[2003211215].http:Mwww.opnet.com.

[18] CallawayEH,Jr.无线传感器网络:体系结构与协议

[M].北京:电子工业出版社,2007.

[19] StipanicevDarko,MarasovicJadranka.Networkedem2

beddedgreenhousemonitoringandcontrol[J].IEEE,2003:135021355.

[20] MeyerS,RakotonirainyA.Asurveyofresearchon

context2awarehomes[C]MWorkshoponWearable,In2visible,Context2Aware,Ambient,PervasiveandUbiq2uitousComputing.Adelaide,Australia:AustralianCom2puterSocietyInc,2003:159-168.

[21] SchviebertL,GuptaSKS,WeinmannJ.Research

challengesinwirelessnetworksofbiomedicalsensors[C]MThe7thannualinternationalconferenceonmobilecomputingandnetworking,Rome,Italy,2001.NewYork:ACM,2001:1512165.

[22] FontanaRJ,RichleyE,BarneyJ.Commercialization

ofanultrawidebandprecisionassetlocationsystem[C]M2003IEEEConferenceonUltraWidebandSystemsandTechnologies,

Reston,

VA,2003.NewYork:

IEEEPress,2003:3692373.

[23] NemeroffJ,GarciaL,HampeD,etal.Applicationof

sensornetworkcommunications[C]MMilitaryCommu2nicationsConference(IEEEMilcom2001),Mclean,VA,Oct.2001.WashingtonDC:IEEECommunica2tionSociety,2001:3362341.

[9] CullarD,EstrinD,StrvastavaM.Overviewofsensor

network[J].Computer,2004,37(8):41249.

[10] CuiL,WangF,LuoH,etal.Apervasivesensornode

architecture[C]MTheIFIPNPC.04WorkshoponBuildingIntelligentSensorNetworks(BISON.04),Wuhan,5652567.

[11] GaoW,NiL,XuZ.Blossoms:ACAS/HKUSTjoint

projecttobuildlightweightoptimizedsensorsystemsonamassivescale[C]MTheIFIPNPC.04WorkshoponBuildingIntelligentSensorNetworks(BISON.04),Wuhan,5592564.

[12] 李建中,李金宝,石胜飞.传感器网络及其数据管理

的问题与进展[J].软件学报,2003(10):171721727.

[13] 任丰原,黄海宁,林闯.无线传感器网络[J].北京:软

件学报,2003(14):128221291.

[14] SzymanskiBoleslawk.Sense:Sensornetworksimulator

andemulator[EB/OL].[2004209201].http:Mwww.cs.rpi.edu/2cheng3/sense/.

[15] Theuniversityofsoutherncalifornia.TheNetwork

Simulator[EB/OL].[2002210208].http:Mwww.isi.edu./nsnam/ns/.

[16] LevisP.SimulatingtinyOSnetworks[EB/OL].[20032

11211].http:Mwww.cs.berkeley.edu/2pal/research/tossim.html.

2004.Berlin/Heidelberg:Springer,

2004:

2004.Berlin/Heidelberg:Springer,

2004:

REVIEWONRESEARCHSTATUSAND

APPLICATIONOFWIRELESSSENSORNETWORK

DUXiao2ming, CHENYan

(CollegeofInformationEngineering,BeijingTechnologyandBusinessUniversity,Beijing100037,China)Abstract:Withthedevelopmentofsmartsensor,microprocessorandwirelesscommunication,wirelesssensornetwork(WSN)firstlyemergencedintheUSAinthe1990s.Thiswasaninterestingfieldandgainedmoreandmoreattentions.Thisarticlebrieflyintroducestherise,statusanddevelopmentofWSNinthefuture.Thewideapplicationprospectsmakeitdeveloprapidlyinsomefieldssuchashealthcare,environmentmonitoringandmilitaryfield.

Keywords:pervasivecomputing;wirelesssensornetwork;sensornode

(责任编辑:邓清燕)