❶ 無線感測器網路可能採用哪些無線通信方式
基於XL.SN智能感測網路的無線感測器數據採集傳輸系統，可以實現對溫度，壓力，氣體，溫濕度，液位，流量，光照，降雨量，振動，轉速等數據參數的實時採集，無線傳輸，無線監控與預警。在實際應用中，無線感測器數據採集傳輸系統常見的包括深圳信立科技農業物聯網智能大棚環境監控系統，智慧養殖環境監控系統，智慧管網管溝監控系統，倉儲館藏環境監控系統，機房實驗室環境監控系統，危險品倉庫環境監控系統，大氣環境監控系統，智能製造運行過程監控系統，能源管理系統，電力監控系統等。
無線感測器數據採集傳輸系統，比較常用的的無線數據傳輸組網技術包括433MHZ，Zigbee（2.4G），運營商網路(GPRS)等三種方式，其中433MHZ，Zigbee（2.4G）屬於近距離無線通訊技術，並且都使用ISM免執照頻段。運營商網路(GPRS)屬於遠距離無線通訊技術，按數據流量收費。
1、基於Zigbee（2.4G）的智能感測網路
ZigBee的特點是低功耗、高可靠性、強抗干擾性，布網容易，通過無線中繼器可以非常方便地將網路覆蓋范圍擴展至數十倍，因此從小空間到大空間、從簡單空間環境到復雜空間環境的場合都可以使用。但相比於WiFi技術，Zigbee是定位於低傳輸速率的應用，因此Zigbee顯然不適合於高速上網、大文件下載等場合。對於餐飲行業的無線點餐應用，由於其數據傳輸量一般來說都不是很大，因此Zigbee技術是非常適合該應用的。
2、基於433MHz的智能感測網路
433MHz技術使用433MHz無線頻段，因此相比於WiFi和Zigbee，433MHz的顯著優勢是無線信號的穿透性強、能夠傳播得更遠。但其缺點也是很明顯的，就是其數據傳輸速率只有9600bps，遠遠小於WiFi和Zigbee的數據速率，因此433Mhz技術一般只適用於數據傳輸量較少的應用場合。從通訊可靠性的角度來講，433Mhz技術和WiFi一樣，只支持星型網路的拓撲結構，通過多基站的方式實現網路覆蓋空間的擴展，因此其無線通訊的可靠性和穩定性也遜於Zigbee技術。另外，不同於Zigbee和WiFi技術中所採用的加密功能，433Mhz網路中一般採用數據透明傳輸協議，因此其網路安全可靠性也是較差的。
3、基於運營商的智能感測網路
GPRS無線傳輸設備主要針對工業級應用，是一款內嵌GSM/GPRS核心單元的無線Modem，採用GSM/GPRS網路為傳輸媒介，是一款基於移動GSM短消息平台和GPRS數據業務的工業級通訊終端。它利用GSM 移動通信網路的簡訊息和GPRS業務為用戶搭建了一個超遠距離的數據傳輸平台。
標准工業規格設計，提供RS232標准介面，直接與用戶設備連接，實現中英文簡訊功能，彩信功能，GPRS數據傳輸功能。具有完備的電源管理系統，標準的串列數據介面。外觀小巧，軟體介面簡單易用。可廣泛應用於工業簡訊收發、GPRS實時數據傳輸等諸多工業與民用領域。
❷ 什麼是無線感測技術
科技發展的腳步越來越快，人類已經置身於信息時代。作為信息獲取的一種重要、基本的技術——感測器技術，也得到了極大的發展。無線感測器網路是一種全新的信息獲取和處理技術，感測器節點可以連續不斷地進行數據採集、事件檢測、事件標識、位置監測和節點控制，感測器節點的這些特性和無線連接方式使得無線感測器網路的應用前景非常廣闊，隨著無線感測器網路的深人研究和廣泛應用，無線感測器網路將逐漸深入到人類生活的各個領域。感測器信息獲取技術已經從過去的單一化漸漸向集成化、微型化和網路化方向發展，並將會帶來一場信息革命。
【關鍵詞】：信息時代、感測器技術、無線連接、信息革命
1引言
無線感測器網路(WSN, Wireless Sensor Net-work )綜合了感測器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，能夠協作地實時監測、感知和採集網路分布區域內的各種環境或監測對象的信息，並對這些信息進行處理，獲得詳盡而准確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。
無線感測器網路被認為是21世紀最重要的技術之一，它將會對人類未來的生活方式產生深遠影響。本文將先介紹無線感測器網路的概念和特點，再探討WSN在人們生活中的一些應用模型以及在發展中所遇到的一些問題。
2無線感測器網路
2.1無線感測器網路簡介
無線感測器網路（Wireless Sensor Network，WSN）是由許多個功能相同或不同的無線感測器節點通過自組織方式形成的無線網路。每個感測器節點由數據採集模塊(感測器、A/D轉換器)、數據處理和控制模塊(微處理器、存儲器)、通信模塊(無線收發器)以及供電模塊(電池、DC/DC能量轉換器)等組成。節點在網路中可以充當數據採集者、數據中轉站或簇頭節點(cluster-head node)的角色。作為數據採集者，數據採集模塊收集周圍環境的數據(如溫度和濕度)，通過通信路由協議直接或間接將數據傳輸給遠方基站(base station)或匯節點(sink node);作為數據中轉站，節點除了完成採集任務外，還要接收鄰居節點的數據，並將其轉發到距離基站最近的鄰居節點或者直接轉發到基站或匯節點，簇頭節點負責收集該類內所有節點採集的數據，經數據融合後，發送到基站或匯節點。這些感測器節點可以任意地部署在監測區域內，彼此通過無線通信形成一個多跳的、自組織的網路來完成信息採集、數據傳輸和信息處理。無線感測器網路通過節點的數據採集和傳輸，可以在任何時間、任何地點獲取對象的信息，對環境的變化具有很強的魯棒性，因此它具有廣泛的應用前景，可以應用於軍事情報偵察、工業生產過程式控制制、環境監測和保護以及現代化交通管理等領域。
2.2無線感測器網路的節點結構及網路體系結構
網路體系結構是網路的協議分層以及網路協議的集合，是對網路及其部件所應完成功能的定義和描述，對無線感測器網路來說，其網路體系結構不同於傳統的計算機網路和通信網路。網路體系結構由分層的網路通信協議、感測器網路管理以及應用支撐技術三部分組成。
2.2.1 感測器網路節點結構
感測器網路節點的基本組成包括如下4個基本單元：感測單元(由感測器和模數轉換功能模塊組成)、處理單元(包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統等)、通信單元(由無線通信模塊組成)以及電源。此外，可以選擇的其他功能單元包括：定位系統、移動系統以及電源自供電系統等。
2.2.2 感測器網路的體系結構
網路體系結構是網路的協議分層以及網路協議的集合，是對網路及其部件所應完成功能的定義和描述，對無線感測器網路來說，其網路體系結構不同於傳統的計算機網路和通信網路。網路體系結構由分層的網路通信協議、感測器網路管理以及應用支撐技術三部分組成。分層的網路通信協議結構類似於TCP／IP協議體系結構；感測器網路管理技術主要是對感測器節點自身的管理以及用戶對感測器網路的管理；在分層協議和網路管理技術的基礎上，支持了感測器網路的應用支撐技術。
2.3無線感測器網路的物理組成
無線感測器網路的感測器節點個數通常很多,它們不僅體積小、成本低,另外還要求感測器節點功耗非常低,以滿足用電池即可維持長時間的工作狀態。因此這些特點決定了對感測器節點的設計需要在盡可能簡單的情況下滿足應用需求。無線感測器節點是由硬體層與軟體層的配合完成任務。
2.3.1 無線感測器硬體層
硬體層一般都包括以下四個單元:供電單元、數據採集單元(包括感測器和A/D模數轉換器件)、數據處理單元(包括存儲器和微控制器)、無線通信單元。微控 制器作為感測器節點運「心臟」,在上面運行著嵌入式系統軟體,從而對另外三個單元的工作進行控制。在硬體的選取上,盡量採用低功耗器件,還可以考慮在無數 據採集和無數據通信的時候命令微控制器進入「睡眠」狀態並可切斷無線通信單元的部分電源,從而降低功耗。
2.3.2 無線感測器軟體層
無線感測器網路的軟體層包括三個層次:硬體抽象層、系統服務層和應用層。硬體抽象層用來實現對硬體平台(供電、數據採集、數據處理和無線通信單元)的抽象,為上層屏蔽底層硬體細節,簡化系統平台移植。系統服務層包括通信服務、感測服務、能耗管理服務、實時內核等四部分,在這個層次中除了實現操作系統如任務調度、信號量等內核服務外,還將完成各種路由、安全演算法的實現,並支持各類通信傳輸協議。應用層是由用戶根據具體應用的需要定義,利用系統服務層提供的介面,能方便的設計出上層軟體。
軟體層用來控制硬體層,是整個感測器的「大腦」,除了最基本的數據採集和發送之外,根據應用的場合,還需要實現關於網路拓撲、自組織、路由選擇、能耗節 約、錯誤處理、可靠性保證等一系列的演算法與設計。對於一些簡單的應用可以使用單一循環邏輯的軟體來完成。而一些復雜性較高的應用場景就有必要使用針對無線感測器網路特點的嵌入式操作系統。。
2.4 無線感測器網路主要特點 1．自組織網路
在無線感測器網路應用中，通常情況下感測器節點被放置在沒有基礎設備的地方。感測器節點的位置不能預先精確設定。節點之間的相互鄰居關系也不能預先知道，如通過飛機撒播大量感測器節點在面積廣大的原始森林中，或隨意放置到人不可到達或危險的區域。這樣就要求感測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路協議自動形成轉發監測數據的多跳無線網路系統。在無線感測器網路使用過程中，部分感測器節點由於能量耗盡或環境因素造成失效，也有一些感測器節點為了彌補失效節點、增加監測精度而補充到網路中，這樣在無線感測器網路中的節點個數就動態的增加或減少，從而使網路的拓撲結構隨之動態變化。無線感測器網路的自組織性要能夠適應這種網路拓撲結構的動態變化。
2．多跳路由
網路中節點通信距離有限，一般在幾十到幾百米范圍內，節點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節點進行通信，則需要通過中間節點進行路由。擬定網路的多跳路由使用網關和路由器來實現，而無線感測器網路中的多跳路由是由普通網路節點完成的，沒有專門的路由設備。這樣每個節點既可以是信息的發起者，也可以是信息的轉發者。
3．動態網路拓撲
無線感測器網路是一個動態的網路，節點可以隨處移動；一個節點可能會因為電池能量耗盡或其他故障，退出網路運行；一個節點也可能由於工作的需要而被添加到網路中。在某些特殊的應用中，無線感測器網路是移動的，感測器節點可能會因能量消耗完或其他故障而終止工作，這些因素都會使網路拓撲發生變化。
4.以數據為中心的網路
感測器網路是一個任務型的網路，脫離感測器網路談論感測器節點沒有任何意義。感測器網路中的節點採用編號標識，節點編號是否需要全網唯一取決於網路通信協議的設計。由於感測器節點隨機部署，構成的感測器與節點編號之間的關系是完全動態的，表現為節點編號與節點位置沒有必然聯系。用戶使用感測器網路查詢事件時，直接將所關心的事件通告給網路，而不是通告給某個確定編號的節點。網路在獲得指定事件的信息後匯報給用戶。這種以數據本身作為查詢或者傳輸線索的思想更接近於自然語言交流的習慣。所以通常說感測器是一個以數據為中心的網路。
2.5 無線感測器網路的發展現狀
早在上世紀70年代，就出現了將傳統感測器採用點對點傳輸、連接感測控制器而構成感測器網路雛形，我們把它歸之為第一代感測器網路。隨著相關學科的不斷發展和進步，感測器網路同時還具有了獲取多種信息信號的綜合處理能力，並通過與感測控制器的相聯，組成了有信息綜合和處理能力的感測器網路，這是第二代感測器網路。而從上世紀末開始，現場匯流排技術開始應用於感測器網路，人們用其組建智能化感測器網路，大量多功能感測器被運用，並使用無線技術連接，無線感測器網路逐漸形成。
近年來,無線通信技術和微電子技術的不斷進步,大大地推動了無線感測器網路的迅猛發展。無線感測器網路是任意部署在一定地理范圍內的大量體積微小的感測器節點所組成的自組織網路。這些微小的節點具有數據採集，信號處理和無線通信等功能，彼此通過無線通信，相互協調形成一個智能的感測網路。無線感測器網路通過節點的數據採集和傳輸，可以在任何時間，任何地點獲取對象的信息，對環境的變化具有很強的魯棒性。因此，通過合理的節點部署和網路設計，無線感測器網路能夠在危險，惡劣的環境中執行任務，比如敵方軍事報偵察。但是，由於節點本身設計製造成本低，體積微小的特點，單個節點只能攜帶有限的能量，進行簡單的局部信號處理及短距離的無線通信。因此，如何設計高效的分布式信號處理演算法以降低網路中能量和帶寬的消耗已成為當前無線感測器網路研究的熱點問題之一。
3 無線感測器網路的關鍵技術
無線感測器網路作為當今信息領域新的研究熱點，有非常多的關鍵技術有待發現和研究。而功耗和安全問題對於無線感測器網路來說，是兩個最重要的性能指標，所以WSN的關鍵技術必然以降低網路功耗和確保網路安全為主線。下面介紹網路拓撲控制、數據融合等部分關鍵技術。
3.1網路拓撲控制
對於自組織的感測器網路而言，網路拓撲控制具有特別重要的意義。通過拓撲控制自動生成的良好的網路拓撲結構，能夠提高路由協議和MAC協議的效率，可為數據融合、目標定位等很多方面奠定基礎，有利於節省節點的能量來延長網路的生存期。所以，拓撲控制是WSN研究的核心技術之一。WSN拓撲控制目前主要研究的問題是在滿足網路覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨幹網節點選擇，剔除節點之間不必要的無線通信鏈路，生成一個高效的數據轉發的網路拓撲結構。拓撲控制分為節點功率控制和層次型拓撲結構控制兩個方面。功率控制機制調節網路中每個節點的發射功率，在滿足網路連通度的前提下，減少節點的發送功率，均衡節點單跳可達的鄰居數目；目前已經提出了以鄰居節點度為參考依據的演算法，以及利用鄰近圖思想生成拓撲結構的DRNG和DLSS演算法。層次型的拓撲控制利用分簇機制，讓一些節點作為簇頭，由簇頭形成一個處理並轉發數據的骨幹網，其他非骨幹網節點可以暫時關閉通信模塊，進入休眠狀態以節省能量。
3.2 數據融合
在無線感測器網路中，節點感測器採集數據並將它發送到網路終端。但是在數據的採集和傳輸過程中，總要對採集的數據進行處理，因此存在如何對採集的數據進行處理、融合的問題。
如果完全在本地節點上處理採集的數據而只發送處理後的結果，可以降低傳輸數據的功耗，但增加了本地節點處理器的功耗；如果傳輸原始採集的數據，可以降低節點處理器的功耗但增加了節點傳輸數據的功耗。因此，如何對採集的數據進行處理與融合對降低節點能耗起到相當大的作用。通常網路中的感測器數量很多，感測器採集的數據具有一定的冗餘度，因此將多個節點採集的數據相互結合起來進行處理可以降低整個網路數據的傳輸量，有效降低系統功耗，問題是如何尋找本地節點處理與節點聯合處理的平衡點。
3.3 定位技術
位置信息是感測器節點採集數據中不可缺少的部分，沒有位置信息的監測消息通常毫無意義。為了提供有效位置信息，隨機部署的感測器節點必須能夠在布置後確定自身位置。由於感測器節點存在資源有限、隨機部署、通信易受環境干擾甚至節點失效等特點，定位機制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計算等要求。現有的WSN定位演算法根據定位機制的不同，可以分為基於測距的方法與不基於測距的方法兩類。基於測距的定位機制利用到達時間延遲、信號到達時差和接收信號強度來估計距離或來波方向，然後使用三邊測量法或最大似然估計等計算未知節點的位置。而不基於測距的定位機制無需距離或角度信息，或者不用直接測量這些信息，僅根據網路的連通性等信息實現節點的定位。距離無關的定位機制的定位性受環境因素的影響小，雖然定位誤差相應有所增加，但定位精度能夠滿足多數感測器網路應用的需求，是目前大家重點關注的定位機制。
3.4 無線通信技術
感測器網路需要低功耗短距離的無線通信技術。IEEE802.15.4標準是針對低速無線個人域網路的無線通信標准，把低功耗、低成本作為設計的主要目標。由於IEEE802.15.4標準的網路特徵與無線感測器網路存在很多相似之處，故很多研究機構把它作為無線感測器網路的無線通信平台。另外，超寬頻無線通信以其高速率、低功耗、抗多徑、低成本等諸多優勢，已成為室內短距離無線網路的首選方案，這為WSN的數據傳輸開辟了一種嶄新的方案。
3.5 時間同步
感測器網路中由於節能策略,節點在大部分時間是休眠的,所以要求解決通信同步問題,即通信節點雙方需要在通信時同時喚醒。另外,感測器網路是一個分布式網路,所有節點在通信上地位對等,沒有優先順序可言。所以要讓整個網路能夠工作在有效狀態,往往需要做到全網或者一定范圍內所有節點的同步,而不是通信雙方的簡單同步。
4 無線感測器網路的應用
雖然無線感測器網路的大規模商業應用，由於技術等方面的制約還有待時日，但是最近幾年，隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經為數不少的無線感測器網路開始投入使用。目前無線感測器網路的應用主要集中在以下領域：
4.1 環境的監測和保護
隨著人們對於環境問題的關注程度越來越高，需要採集的環境數據也越來越多，無線感測器網路的出現為隨機性研究數據的獲取提供了便利，並且還可以避免傳統數據收集方式給環境帶來的侵入式破壞。比如，英特爾研究實驗室研究人員曾經將32個小型感測器連進互聯網，以測出緬因州"大鴨島"上氣候的變化情況，用來評價一種海燕巢的條件。無線感測器網路還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環境變化對農作物的影響，監測海洋、大氣和土壤的成分等。
4.2 醫療護理
無線感測器網路在醫療研究、護理領域也可以大展身手。羅徹斯特大學的科學家使用無線感測器創建了一個智能醫療房間，使用微塵來測量居住者的重要徵兆（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天24小時的活動狀況。英特爾公司也推出了無線感測器網路的家庭護理技術，該技術是作為探討應對老齡化社會的技術項目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一個環節開發的。該系統通過在鞋、傢具以家用電器等家中道具和設備中嵌入半導體感測器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。利用無線通信將各感測器聯網可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理，而且還可以減輕護理人員的負擔。英特爾主管預防性健康保險研究的董事EricDishman稱，"在開發家庭用護理技術方面，無線感測器網路是非常有前途的領域"。
4.3 軍事領域
由於無線感測器網路具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應用於惡劣的戰場環境中，使其非常適合應用於惡劣的戰場環境中，包括偵察敵情、監控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方面用途。美國國防部遠景計劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學進行"智能塵埃"感測器技術的研發。哈伯研究公司總裁阿爾門丁格預測：智能塵埃式感測器及有關的技術銷售將從2004年的1000萬美元增加到2010年的幾十億美元。
4.4 建築結構監測
無線感測器網路用於監測建築物的健康狀況，不僅成本低廉，而且能解決傳統監測布線復雜、線路老化、易受損壞等問題。斯坦福大學提出了基於無線感測器網路的建築物監測系統，採用基於分簇結構的兩層網路系統，感測器節點由EVK915模塊和ADXL210加速度感測器構成，分簇首節點由Proxim Rangel LAN2無線調制器和EVK915連接而成。南加州大學的一種監測建築物的無線感測器網路系統NETSHM，該系統除了監測建築物的健康狀況外，並且能夠定位出建築物受損傷的位置。
4.5 自然災害的預防
在一些容易發生泥石流、滑坡等自然災害的地方，使用無線感測網路及時、長期地對這些地方的地形變化、各種環境因素的監測，採集相關數據並進行適當的分析，當災難將要發生時，我們就可以提前發出預警報告以做好准備或採取相應措施防止它們進一步的發生。
4.6 企業、家庭監控
在企業、家庭布設無線感測網路，可以實時地監控人員的流動和環境的變化，有利於企業、家庭採取有效的安全防護措施和災難應變措施。此外，國內還出現了大量的其他領域的應用，比如無線感測網路在地下無人採煤安全監測系統的應用，無線感測網路在溫室網路信息採集分析系統中的應用。
5.存在的問題
5.1 面臨的技術難題
就目前無線感測器網路的技術水平來說，無線感測器網路正常運行並大量投入使用還面臨著許多問題：
（1）網路內通信問題
無線感測器網路內正常通信聯系中，信號可能被一些障礙物或其他電子信號干擾而受到影響，怎麼安全有效的進行通信是個有待研究的問題。
（2）成本問題
在一個無線感測器網路裡面，需要使用數量龐大的微型感測器，這樣的話成本會制約其發展。
（3）系統能量供應問題
目前主要的解決方案有：使用高能電池；降低感測功率；此外還有感測器網路的自我能量收集技術和電池無線充電技術，其中後兩者備受關注。
（4）高效的無線感測器網路結構
無線感測器網路的網路結構是組織無線感測器的成網技術，有多種形態和方式，合理的無線感測器網路可以最大限度的利用資源。在這裡面，還包括網路安全協議問題和大規模感測器網路中的節點移動性管理等諸多問題有待解決。
5.2 安全問題
感測器網路多用於軍事、商業領域，安全性是其重要的研究內容。由於感測器網路中節點隨機部署、網路拓撲的動態性以及信道的不穩定性，使傳統的安全機制無法適用。因此需要設計新型的網路安全機制，可借鑒擴頻通信、接入認證／鑒權、數據水印、數據加密等技術。目前，保證網路安全性的方法也不少。
（1）藉助特殊的無線感測器終端。採用PTD(Personal Trust Device)作為感測器網路的終端，在網路中設立認證伺服器來提供感測器需要的服務，而在PTD和伺服器之間建立認證和加密體系，只有在伺服器注冊過的PTD終端才能獲得服務，未注冊的則不能，從而保證系統安全。通常，這種系統用在家庭環境中.
（2）採用安全罩(Secure Overlay)。採用一種稱為SCANv2(Secure Content Addressable Network Version 2)安全內容網路定址的安全罩，來實現無線感測器網路的安全。SCANv2其實是在蓋在實際網路層上的一個虛擬結構，通過採用Hash函數，把實際網路中的節點映射到這個罩空間之上，某一區域或某種功能的節點在罩空間的某一個共同的特定位置。用戶在從網路中獲取服務時，需要通過相應的安全認證進入罩空間，再進一步通過加密解密過程從這個映射空間進入實際網路中獲得所需服務。
6 結束語
無線感測器網路是一種新的信息獲取和處理技術，在特殊領域，它有著傳統技術不可比擬的優勢，人們對它的研究尚處於起步階段。無線感測器網路有著十分廣泛的應用前景，它不僅在工業、農業、軍事、環境、醫療等傳統領域有具有巨大的運用價值，在未來還將在許多新興領域體現其優越性，如家用、保健、交通等領域。我們可以大膽的預見，將來無線感測器網路將無處不在，將完全融入我們的生活。比如微型感測器網路最終可能將家用電器、個人電腦和其他日常用品同互聯網相連，實現遠距離跟蹤，家庭採用無線感測器網路負責安全調控、節電等，其應用可以涉及到人類日常生活和社會生產活動的所有領域。對這些網路的進一步研究，將滿足中國未來高技術民用和軍事發展的需要，不僅具有重要的社會和經濟意義，也具有十分重要的戰略意義。
但是，我們還應該清楚的認識到，無線感測器網路才剛剛開始發展，它的技術、應用都還還遠談不上成熟，國內企業應該抓住商機，加大投入力度，推動整個行業的發展。
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