无线传感器网络（WSN）在军事、工业、农业等领域的应用及技术挑战

丁格元1、李振江2、李诗涵3

（1. 沉阳工业大学化工过程自动化学院， 辽宁 辽阳 111003；2. 中国石油辽阳石化分公司电厂， 辽宁 辽阳 111003；3. 沉阳工业大学管理学院， 辽宁 沉阳 110870）

摘要：随着物联网应用领域的不断扩大，无线传感器网络的应用也以前所未有的速度迅速扩展。无线传感器网络（WSN）具有覆盖范围广、检测精度高、远程监控和高容错性等优点，使其广泛应用于军事、工业、农业、环保、医疗系统、智能交通等领域。 。尽管无线传感器网络的应用前景非常广阔，但仍然存在许多技术问题需要解决，包括最大限度地降低传感器节点的功耗，以及如何有效增加网络系统容量、减少碰撞和拥塞等。为了有效解决上述技术问题，通过对MSN架构和具体应用领域的研究，提出了解决方案。

关键词：传感；获得;自组织；低功耗；低成本

0简介

通信技术、嵌入式技术和传感器技术的快速发展使得无线传感器网络发挥着越来越重要的作用。无线传感器网络（WSN）由部署在监控区域的大量廉价微型传感器节点组成。它是通过无线通信形成的多跳自组织网络系统。其目的是感知、收集和处理网络覆盖区域。被感知物体的信息被发送给观察者。

无线传感器网络主要涉及计算机网络技术、传感器技术、数据传输技术、分布式处理技术、嵌入式技术等技术。它是涉及多学科、跨领域的跨学科技术，表现出信息时代知识的高密度和跨学科性。域宽等特点[1]。

传感器网络的发展经历了传感器、无线传感器、无线传感器网络三个阶段。在传感器阶段，最早的应用是在越南战争期间。当时美军使用传感器系统，给越南军队造成了沉重打击。无线传感器的发展是在 20 世纪 80 年代至 90 年代之间。主要装备是美国研制的分布式传感器网络系统和远程战场传感器系统。该系统具有传感能力、计算能力和通信能力。无线传感器网络阶段始于21世纪初。迄今为止，无线传感器网络已在许多领域得到应用。其最突出的特点是网络传输可以实现自组织，其低功耗特性进一步推动了其应用[2]。

1 无线传感器网络体系结构

无线传感器网络的系统架构包括无线传感器节点、汇聚节点、外部网络、任务管理节点和用户等几个组成部分，如图1所示。

从图1可以看出，网络中的传感器按照一定的规则部署在目标监控区域。它们通过无线多跳组成网络，负责本地信息采集和数据处理任务。同时，它们还存储和存储其他节点转发的数据。管理与整合。网络中每个传感器测量的数据在传输过程中可能会经过其他传感器节点。因此，测量的数据也可以被其他节点操作和处理。测量数据到达网络中的汇聚节点，最终可以通过互联网、卫星通信网络等传输到远程任务管理节点，然后提供给用户采集[3]。

在设计无线传感器网络时，其架构应考虑以下几个方面。

（一）有效利用节点资源。由于低成本微型传感器节点的资源有限，如何有效管理和使用这些资源，最大限度地延长网络寿命是无线传感器网络面临的关键问题。常用的方法有以下几种：

① 选择低功耗硬件设备，设计低功耗MAC协议和路由协议；

② 各功能模块之间保持必要的同步，即同步睡眠和唤醒，有效降低设备功耗；

③设计能耗均衡的路由协议，避免因追求低功耗而忽视系统的层次化设计。

(2)支持完成网络内的数据处理功能。传感器网络以数据为中心，而传统网络是为了传输数据而设计的。传统网络中的节点不实现任何与报文内容相关的功能，只是以存储或转发的方式将报文传输给用户。 WSN仅仅实现分组和传输功能是不够的。有时需要在网络内部进行数据聚合、压缩或过滤等操作，同时减少报文传输，才能有效控制网络数据传输的流量，保证网络畅通。

（三）保障网络安全。无线传感器网络采用无线通信方式，因此网络通道没有必要的物理屏蔽，容易受到外部黑客的恶意攻击。因此，对于WSN来说，有必要加强网络安全考虑，提供可靠的安全防护措施，保证网络的安全可靠[4]。

可见，WSN集成了传感器、嵌入式计算、分布式信息处理、无线通信等技术，能够实时监测、感知、采集网络区域内各种环境或被监测对象的信息，并通过处理这些信息系统。 ，以便进一步获得更加详细、准确的数据，并将其传输给需要该数据信息的用户。它具有以下突出特点：

(1)网络规模大。工作中，为了获得更加准确的信息，往往需要在监控区域设置大量的传感器节点。此外，无线传感器网络还可以建立在较大的地理空间内，通过紧密排列的不同功能的传感器来实现数据采集和传输，也可以有效减少探测漏洞或盲区。

(2)自组织。具有良好的自组织能力是无线传感器网络得到广泛应用的重要基础。当监测区域处于人工难以到达或比较危险的区域时，传感器节点需要发挥自组织能力，系统可以自动配置和管理网络，实现数据采集、通信等功能。

(3)功耗低。通常，传感器节点由电池供电。为了保证它们能够长期使用，需要尽可能降低每个节点的功耗，从而有效保证传感器的工作效率和使用寿命。

(4)可靠性高。一般情况下，WSN传感器直接暴露在其地理环境中，很容易被破坏。因此，当需要在较为恶劣的复杂环境中建立无线传感器网络时，传感器必须具有较高的可靠性，以保证在复杂环境下仍能实现数据采集和传输等功能[5]。

2无线传感器网络的应用

无线传感器网络的应用现已扩展到许多领域，包括农业、军事、环境和土壤监测、智能家居、医疗保健、智能交通、机械制造过程监控、太空探索、机场和火车站的安全监控等。

(1)军事相关领域的应用

无线传感器网络可用于监视敌我战场、发现和定位敌方目标等功能，其在攻击范围、目标搜索、监视等功能领域的应用已经得到充分验证。在这些应用中，相关生物传感器可以准确检测生化武器的化学成分，并通过网络系统及时将检测信息传输到指挥系统，帮助指挥员制定作战计划。

(2)在自然环境监测中的应用

在自然环境监测领域，无线传感器网络可以发挥更大的作用。无线传感器网络可用于监测农作物灌溉、空气温度和湿度、家禽生长环境、迁徙时间和距离、牲畜生长环境和生长模式以及地球表面大面积区域。此外，无线传感器网络还可以应用于气象研究、行星探测、洪水易发地区的专项监测等。基于无线传感器网络，可以利用大量不同功能的传感器来监测河流水位的变化，夏季降雨量、某个地区的土壤温度和湿度，并利用这些数据作为对自然环境、山洪暴发等进行生态描述的参考数据。

(3)医疗保健领域的应用

在医疗和保健系统中，可以通过无线传感器网络监控患者的状况。例如，通过在患者手臂上佩戴具有心率和血压监测功能的设备，医生可以通过网络对患者进行实时监测。当病人出现异常时，他或她可以随时掌握病人的情况并迅速抢救。

(4)在信息家电中的应用

通过无线传感器网络建立的智能家居系统可以通过远程控制系统远程控制远程监控家中的设备。 (5)在建筑状态监测中的应用

每栋建筑都有其生命周期。通过WSN可以监控城市中所有建筑物的存在状态。通过网络中的传感器可以获取建筑物的实时状态信息，及时发现存在的安全隐患，确保建筑物处于安全状态。安全状态。如果使用传统方法来监测建筑物的状况，通常需要将建筑物关闭几个月。然而，利用传感器网络进行监控，可以实时向管理部门报告建筑物的相关信息，同时可以根据系统设定的程序选择合适的系统。计划执行维修操作。无线传感器网络在建筑领域的应用使建筑物拥有智能控制系统[6]。

(6)在太空探索中的应用

利用航天器在外星物体上散布一些传感器节点，可以用来探索外星物体的表面。通过这种方式，传感器节点可以相互通信并与地面站通信。 NASA 喷气推进实验室的传感器网络目前正在致力于火星探索技术项目​​。

3结论

无线传感器网络具有覆盖范围广、检测精度高、远程监控、自组织、容错性高等优点。此外，其网络规模大、功耗低、可靠性高等特点使其在工业和农​​业领域得到广泛应用。 、军事、环保、智能交通等领域得到广泛应用。尽管无线传感器网络的应用前景非常广阔，但仍有许多技术问题没有得到有效解决，其中最重要的是如何最大限度地降低传感器节点的功耗。随着时间的推移和技术的进步，这可以通过路由协议和MAC协议的结合来实现。此外，如何有效提高WSN系统容量、减少碰撞和拥塞也是亟待解决的问题。目前可以考虑更多采用并行传输技术，可以有效提高中心节点的数据传输能力，有效增加网络容量，减少拥塞[7]。

参考

[1] 王如川，孙丽娟，肖付，等。无线传感器网络技术概论[M]．北京：清华大学出版社，2012。

[2]徐毅.无线传感器网络原理与方法[M]．北京：清华大学出版社，2012。

［3］王涛.无线网络技术概论［M］．北京：清华大学出版社，2012。

[4]叶建春.基于改进遗传算法的无线网络覆盖研究[J].微型计算机及其应用, 2011, 30(22): 5961.

[5] 司海飞，杨忠，王军.无线传感器网络研究现状及应用[J]．机电工程，2011，28(1)：1620。

[6]王军.无线传感器网络能量有效性研究[D].南京：南京大学，2012。

[7] 何永军，曾文泉，曾文英。基于BP神经网络的多传感器数据融合技术优化[J].微型计算机及其应用，2011, 30(22): 5254.