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。