一文了解无线传感器的家族网络

随着传感器、微电子机械系统(MEMS)和网络技术的集成，无线传感器网络成为了一种全新的信息获取和处理技术。这些网络由分布在被监测区域的微小节点组成，节点间通过自组织的方式构成网络。每个节点都集成了不同类型的传感器来测量周围环境中的各种物理信号，如热、红外、声音、雷达和地震波等。这些传感器可以探测温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分以及移动物体的大小、速度和方向等。

在通信方面，无线传感器网络通常采用无线低功耗通信技术，如短距离无线通信。然而，也有一些特殊情况下，比如伯克利的Smart Dust项目，采用光作为通信介质，能够有效地避免障碍物的遮挡。

与传统无线网络相比，无线传感器网络有着不同的设计目标。传统无线网络在高度移动的环境中优化路由和资源管理策略来提高带宽利用率，并为用户提供一定的服务质量保证。而无线传感器网络中的大部分节点都是静止的，只有少数节点需要移动。因为这些节点通常运行在人类无法接近的恶劣或危险的环境中，能源也无法替代，所以设计有效的策略来延长网络的生命周期成为了无线传感器网络的核心问题。虽然从理论上讲，太阳能电池可以持久地补充能源，但在工程实践中，生产这种微型化电池还面临相当的困难。

在密集的传感器网络中，相邻节点之间的距离非常短，低功耗的多跳通信模式既节省了能源，又增加了通信的隐蔽性，同时避免了长距离无线通信易受外界噪声干扰的问题。这些独特的要求和制约因素为传感器网络的研究提出了新的技术问题。

接下来，我们将就传感器网络的体系结构和应用领域展开讨论。

节点组成

在不同的应用中，传感器网络节点的组成可以有所不同，但一般都由数据采集、数据处理、数据传输和电源组成。具体的传感器类型取决于被监测物理信号的形式。处理器通常选用嵌入式CPU，如Motorola的68HC16、ARM公司的ARM7和Intel的8086等。数据传输单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成，如RFM公司的TR1000等。由于需要进行复杂的任务调度和管理，系统需要一个微型化的操作系统，例如UC Berkeley专门开发的TinyOS，也可以选择uCOS-II和嵌入式Linux等。图1描述了节点的组成，实心箭头表示数据在节点中的流动方向。

网络体系结构

在传感器网络中，节点随机分布在被监测区域内，可以通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射等方式完成。节点以自组织形式构成网络，并通过多跳中继方式将监测数据传输到sink节点，最终利用长距离或临时建立的sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。卫星链路可用作sink链路，而无人飞机则可以回收sink节点上的数据。聚类分层的管理模式可以应用于规模较大的网络。图2描述了传感器网络体系结构的一般形式。

传感器网络的微小传感器技术和节点间的无线通信能力为其赋予了广阔的应用前景，主要涉及军事、环境、健康、家庭和其他商业领域。在军事领域中，传感器网络成为了C4ISRT（指挥、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位）系统中不可或缺的一部分。C4ISRT系统旨在利用先进的高科技技术，设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统。传感器网络由密集型、低成本、随机分布的节点组成，其自组织性和容错能力使其不会因为某些节点的损坏而导致整个系统崩溃。军事应用包括监控兵力、装备和物资、监视冲突区、侦察敌方地形和布防、定位攻击目标、评估损失，以及侦测核、生物和化学攻击。

在环境科学领域，传感器网络可以用于野外随机性数据获取，比如候鸟和昆虫迁移的跟踪，研究环境变化对农作物的影响，以及监测海洋、大气和土壤的成分等。例如，美国的ALERT系统使用多种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分，从而预测山洪的可能性。传感器网络还可以应用于森林火灾预报和精细农业等领域。

在医疗健康方面，通过在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，医生可以随时了解被监护病人的病情并进行及时处理。此外，传感器网络可以长时间收集人体生理数据，在研制新药品过程中提供有用的信息。在药物管理等方面也有着独特的应用。传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。

在空间探索方面，传感器网络可以通过航天器布撒的方式实现对星球表面的长时间监测，为火星探测等任务提供技术支持。例如NASA的Sensor Webs项目就是为未来的火星探测做准备，已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行了测试和完善。

综上所述，无线传感器网络集成了传感器、微电子机械系统和网络技术，形成了一种全新的信息获取和处理技术。这种网络通过自组织的方式构成，节点间借助无线通信模块进行数据传输，可以广泛应用于军事、环境、健康、家庭和其他商业领域。随着技术的进一步发展，无线传感器网络将为人们的生活和工作带来更多便利和创新。

总的来说，传感器网络作为一种集成了传感器、微机电系统和网络技术的新型信息获取和处理技术，在军事、环境、健康、家庭和商业领域都有广泛的应用。随着技术的发展，无线传感器网络将进一步提升人们的生活质量和工作效率，为各个领域带来更多的便利和创新。未来，我们可以期待传感器网络在更多领域中发挥重要作用，并为解决社会问题和推动科技进步做出贡献。

关键词：传感器/MEMS