WSN無線感測網路的功能與應用  

WSN是「Wireless Sensor Network」的簡稱,即無線感測網絡。它是物聯網的關鍵技術。WSN的發展最早是美國加州柏克萊大學(UC Berkeley)的一項研究計劃,研究人員開發出一種體積與普通阿斯匹靈藥片大小相似的感測器,稱為智慧灰塵(smart dust)。近年來由於無線感測器網路的應用不斷髮展,所以其應用範圍也延伸至工業控制、環境控制、個人醫療、家庭安全及家庭自動化…等應用。

無線感測網路具有容易佈建可程式化可動態重組態等特性,WSN是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成,傳感器節點數量可能達到成千上萬,甚至更多。適合需要快速在不容易或不可能預先建立網路系統的環境中佈建,如戰場、災難現場。另外無線感測網路也可取代傳統感測器應用系統,例如家庭社區安全監控、工廠裝置自動化監控與維護、醫療照顧、交通狀況監控等。無線感測網路也帶出新的應用及市場,例如建築物的能源監控、氣候及地震監督、生態環境追蹤、庫存管理、居家照護、物流車隊調配、虛擬實境遊戲等。而Zigbee/802.15.4 規格的制定,也像徵無線感測網路也走向了標準化。

無線感測網路的大規模性具有如下優點:通過不同空間視角獲得的訊息具有更大的信噪比;通過分佈式處理大量的擷取訊息能夠提高監測的精確度,降低對單個傳感器的精度要求;大量冗餘節點的存在,使得系統具有很強的容錯性能;大量節點能夠增大覆蓋的監測區域,減少洞穴或者盲區。

自組織網絡

無線感測網路應用中,通常情況下傳感器節點被放置在沒有基礎結構的地方。傳感器節點的位置不能預先精確設定,節點之間的相互鄰居關係預先也不知道,如通過飛機播撒大量傳感器節點到面積廣闊的原始森林中,或隨意放置到人不可到達或危險的區域。這樣就要求傳感器節點具有自組織的能力,能夠自動進行配置和管理,通過拓撲控制機制和網絡協議自動形成轉發監測資料的多跳無線網絡系統。在傳感器網絡使用過程中,部分傳感器節點由於能量耗盡或環境因素造成失效,也有一些節點為了彌補失效節點、增加監測精度而補充到網絡中,這樣在傳感器網絡中的節點個數就動態地增加或減少,從而使網絡的拓撲結構隨之動態地變化。傳感器網絡的自組織性要能夠適應這種網絡拓撲結構的動態變化。

動態性網絡

無線感測網路的拓撲結構可能因為下列因素而改變:

  1. 環境因素或電能耗盡造成的傳感器節點出現故障或失效
  2. 環境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化,甚至時斷時通
  3. 無線感測網路的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性
  4. 新節點的加入。這就要求無線感測網路系統要能夠適應這種變化,具有動態的系統可重構性。

可靠的網絡

無線感測網路特別適合部署在惡劣環境或人類不宜到達的區域,傳感器節點可能工作在露天環境中,遭受太陽的暴曬或風吹雨淋,甚至遭到無關人員或動物的破壞。傳感器節點往往採用隨機部署,如通過飛機撒播或發射砲彈到指定區域進行部署。這些都要求傳感器節點非常堅固,不易損壞,適應各種惡劣環境條件。

以資料為中心的網絡

目前的互聯網是先有計算機終端系統,然後再互聯成為網絡,終端系統可以脫離網絡獨立存在。在互聯網中,網絡裝置用網絡中唯一的IP地址辨識,資源定位和訊息傳輸依賴於終端、路由器、服務器等網絡裝置的IP地址。如果想訪問互聯網中的資源,首先要知道存放資源的服務器IP地址。可以說目前的互聯網是一個以地址為中心的網絡

無線感測網路是任務型的網絡,脫離傳感器網絡談論傳感器節點沒有任何意義。傳感器網絡中的節點採用節點編號辨識,節點編號是否需要全網惟一取決於網絡通信協議的設計。由於傳感器節點隨機部署,構成的無線感測網路與節點編號之間的關係是完全動態的,表現為節點編號與節點位置沒有必然聯繫。使用者使用無線感測網路查詢事件時,直接將所關心的事件通告給網絡,而不是通告給某個確定編號的節點。網絡在獲得指定事件的訊息後匯報給使用者。這種以資料本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近於自然語言交流的習慣。所以通常說無線感測網路是一個以資料為中心的網絡

例如,在應用於目標跟蹤的無線感測網路中,跟蹤目標可能出現在任何地方,對目標感興趣的使用者只關心目標出現的位置和時間,並不關心哪個節點監測到目標。事實上,在目標移動的過程中,必然是由不同的節點提供目標的位置消息。

其他應用範圍

無線感測網路還被應用於其他一些領域。比如一些危險的工業環境如井礦、核電廠等,工作人員可以通過它來實施安全監測。也可以用在交通領域作為車輛監控的有力工具。此外和還可以在工業自動化生產線等諸多領域,INTEL正在對工廠中的一個無線感測網路進行測試,該網絡由40台機器上的210個傳感器組成,這樣組成的監控系統將可以大大改善工廠的運作條件。它可以大幅降低檢查設備的成本,同時由於可以提前發現問題,因此將能夠縮短停機時間,提高效率, 並延長設備的使用時間。儘管無線感測網路技術目前仍處於初步應用階段,但已經展示出了非凡的應用價值,相信隨著相關技術的發展和推進,一定會得到更大的應用。

 

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