2023年无线传感器网络的研究现状及发展趋势.doc

2023 年 7 月 系统仿真技术 Jul., 2023 第 1 卷 第 2 期 System Simulation Technology Vol. 1, No.2 中图分类号：TN92 文献标识码：A 无线传感器网络的研究现状及开展趋势 陈雄，杜以书，唐国新 (复旦大学电子工程系智能控制研究室，上海，202333) 摘 要：无线传感器网络将传感器技术、通信技术、计算机技术结合在一起，具有信息采集、传输、处理的 能力。传感器网络最初是由于军事的需要而开展起来的，随着传感器网络技术的逐步开展，它的应用也越来越广 泛，现在已参军事防御普及到社会的各个领域。本文以综述的方式介绍了无线传感器网络的开展历史、研究现状 以及未来的开展趋势，同时介绍了无线传感器网络的原理，给出了一些典型的应用。 关键词：无线传感器网络；传感器节点；开展趋势 The Situation and Future Development of Wireless Sensor Network CHEN Xiong，DU Yishu，TANG Guoxin (Institute of Intelligent Control, Fudan University, Shanghai, 202333) Abstract: Wireless sensor network combines sensor technology, communication technology and computer technology together. It has the ability of collecting, transferring and processing information. Sensor network technology was first used in military systems. But now, it has been used in almost all of the fields with the developing of sensor network technology. In this paper, we first describe the history of wireless sensor network, and then give a description of the situation of development. In the end, we give a forecast of the future development. We also introduce the principium of wireless sensor network, and give some typical applications. Keywords: wireless sensor network; sensor node; future development 1 引言 现代信息技术的三大根底是传感器技术、通信 技术、计算机技术，它们分别完成对信息的采集、 传输和处理。传感器网络将三种技术结合在一起， 从而实现信息的采集、传输和处理的真正统一。传 感器网络被认为是 21 世纪最重要的技术之一[1]，它 将会对人类未来的生活方式产生深远影响。在 2023 年 2 月份美国技术评论〔Technology Review〕杂 志评出的对人类未来生活产生深远影响的十大新 兴技术中，传感器网络名列第一。 1998 年，美国在先进国防研究项目局(DARPA) 的一个研究项目中第一次提出无线自组织传感器 网络的概念[2]。近年来，随着无线通信、微处理器、 微机电系统〔MEMS〕等技术的开展，传感器网络 技术逐步走向成熟，其应用也越来越广。 目前，国内也有许多关于传感器网络方面的研 究成果，但总体上来讲还只是处于起步阶段。传感 器网络技术的开展对整个国家的社会、经济具有重 大的战略意义。 68 系统仿真技术 第 1 卷 第 2 期 2 无线传感器网络的根本原理 2.1 无线传感器网络的概念 无线传感器网络是由散布在工作区域中大量 的体积小，本钱低，具有无线通信、传感和数据处 理能力的传感器节点组成的。每个节点可能具有不 同的感知形态，例如声纳、震动波、红外线等，节 点却可以完成对目标信息的采集、传输、决策制定 与实施，实现区域监控、目标跟踪、定位和预测等 任务。每一个节点都具有存储、处理、传输数据的 能力。通过无线网络，传感器节点之间可以相互交 换信息，也可以把信息传送到远程端。 传感器网络是由大量节点组成的，为加强对这 些节点的控制，还可以设置一个基站，用来获取各 个传感器节点的位置信息、探测到的目标信息等。 传感器、感知对象和观察者是传感器网络的三 个根本要素；有线或无线网络是传感器之间、传感 器与观察者之间的通信方式，用于在传感器与观察 者之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、 发布感知信息是传感器网络的根本功能。一组功能 有限的传感器协作地完成大的感知任务是传感器 网络的重要特点。传感器网络中的局部或全部节点 可以移动。传感器网络的拓扑结构也会随节点的移 动而不断地动态变化。节点间以 Ad Hoc 方式进行 通信，每个节点都可以充当路由器的角色，并且每 个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。 观察者是传感器网络的用户，是感知信息的接 受和应用者。观察者可以是人，也可以是计算机或 其他设备。一个传感器网络可以有多个观察者。一 个观察者也可以是多个传感器网络的用户。观察者 可以主动地查询或收集传感器网络的感知信息，也 可以被动地接收传感器网络发布的信息。观察者将 对感知信息进行观察、分析、挖掘、制定决策，或 对感知对象采取相应的行动。感知对象是观察者感 兴趣的监测目标，也是传感器网络的感知对象，如 坦克、军队、动物、有害气体等。感知对象一般通 过表示物理现象、化学现象或其他现象的数字量来 表征，如温度、湿度等。一个传感器网络可以感知 网络分布区域内的多个对象。一个对象也可以被多 个传感器网络所感知。 2.2 无线传感器网络节点的结构 传感器网络节点一般由数据采集单元、数据处 理单元、数据传输单元组成[3]。如图 1 所示。 图 1 传感器网络节点的结构 数据采集单元包括传感器和 A/D 转换设备，负 责目标信息的采集。传感器根据不同的目标特定采 用不同的传感形态，如声纳、超声波、红外、温度、 烟雾等。 数据处理单元一般由单片机或微处理器、嵌入 式操作系统、应用软件等组成，负责将采集到的目 标信息进行处理。它将节点的位置信息、采集到的 目标信息以及目标信息的空间时间变量综合分析， 然后将处理结果送到数据传输单元或存储在本地。 这里将使用一些算法实现对目标的识别、跟踪、定 位等。对于可以移动的节点，它还可以根据分析结 果对运动机构如机器人进行控制，使之朝着靠近目 标的方向前进。 数据传输单元一般是由无线收发模块组成，负 责数据的接收和发送。它可以是节点之间的通信， 也可以是节点和基站之间的通信。 3 无线传感器网络的应用 目前，传感器网络已经获得了广泛的应用，可 以说已经覆盖了社会的各个领域。本文选择其中几 个重要的领域简单介绍一下。 陈雄，杜以书，唐国新：无线传感器网络的研究现状及开展趋势 69 3.1 军事防御 z 军事传感器网络探测和获取敌军情报。由 于战场情况复杂，如果靠人去收集敌方情报是很危 险的，而通过将传感器网络放置在敌军阵地却可以 安全地获得精确的信息，同时也不容易被敌军察 觉。 z 在士兵、装备及军火上加装传感器以供识 别，分清敌我，防止误打。 z 监控战场上的状态。通过飞机空投等方式 将大量廉价微型的传感器节点散布在预定区域，通 过这些传感器节点实时监测周围环境的变化，并将 监测到的数据通过卫星信道等方式发回基地，这样 就可以实时地监控战场上的状态。 z 跟踪射击对象的位置。通过传感器节点对 射击对象的跟踪、定位，实现精确制导。 z 探测及判定化学、生物、放射、核子等物 质和攻击。利用传感器网络及时、准确地判断是否 有生化武器及核武器的攻击，确定生化源、爆炸中 心的位置，为军队提供反响时间，从而最大可能地 减小伤亡。 3.2 环境监测 目前的环境状况逐渐恶化，已引起人们广泛的 关注。加强对环境的研究，防止进一步的恶化，具 有重大的意义。环境监测主要包括以下几个方面： z 监测平原、森林、海洋等的环境变化； z 提供遭受化学污染的位置并检定出化学污 染的种类，防止工作人员冒险进入受污染区域； z 灾害判定； z 监测空气污染、水污染及土壤污染； z 生态上的监控，例如生物栖息地与觅食习 惯。 图 2 环境监测 3.3 医疗卫生 z 佩戴在病人身上，对血压、心率等各项健 康指标进行实时监测； z 作为隔离病房的监控设备，减少医生护士 进病房的次数。 3.4 反恐抗灾 美国 911 事件的发生，使反恐成为各国普遍关 注的问题。反恐问题主要是要及时的收集信息，加 强对周围环境的监测，能够及时有效地应对突发事 件，将传感器网络技术应用于反恐问题，可以有效 地放置恐怖袭击事件的发生。 另外还有在工业制造、交通控制、空间探索、 能源、食品安全等领域中的应用，在此不一一赘述。 4 研究现状 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 的根底上提出了 C4KISR 方案[4]，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，把传感器网络作为 一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网 络研究项目。美国英特尔公司、美国微软公司等信 息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作，纷 纷设立或启动相应的行动方案。日本、英国、意大 利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴 趣，纷纷展开了该领域的研究工作。 无线传感器网络是一个很复杂的系统，要全面 地研究这个系统是很困难的，人们往往选取其中的 几个特定方面进行专门的研究。下面将从以下几个 方面重点介绍一下目前的研究进展情况。 4.1 目标跟踪 用传感器网络进行目标跟踪的研究始于 20 世 纪 80 年代末，美国等兴旺国家为了提高军事情报 70 系统仿真技术 第 1 卷 第 2 期 能力，改良战斗系统的生存力，开始着手于该应用 课题的研究。 根据不同时期的典型代表，跟踪网络的研究可 以分为以下几个主要阶段： 集中式跟踪 集中式跟踪诞生于 20 世纪 90 年 代，是最早的跟踪方法之一。该方法采用数据中心 的网状结构[5]，监控区域内的每个节点都处于活动 状态，以一定的采样频率更新读数，当读数符合某 一预设条件时，即认为该节点探测到跟踪目标，于 是向控制单元发送事件信息，并由数据处理器收集 数据，计算出物体的位置、速度等参数。该方法由 于信息过载问题突出，能量资源消耗严重，因此没 有得到很好的开展，进而被后来的方法取代。 层次式跟踪 在集中式跟踪的根底上，人们发 展了层次式跟踪。该方法采用树型结构连接各传感 器，根据传感器节点的能量级别、性能特点和位置 分布，对它们进行等级划分。根节点与用户端直接 相连，负责接收和回应用户的查询，叶节点负责运 动物体的监测和数据传送任务，其余节点充当中间 节点，用来收集和存放探测物体当前的位置信息。 层次式跟踪的提出有效地缓解了通信和能量的问 题，为后