无线传感器网络的基本构成及其应用摘要无线传感器网络(WSN)是新兴的下一代传感器网络，在国防安全和国民经济 各方面均有着广阔的应用前景本文介绍了无线传感器网络的组成和特点，讨论 了无线传感器网络在军事、瓦斯监测系统、环境监测、交通等方面的现有应用， 最后提出无线传感器网络技术需要解决的问题关键词：无线传感器网络；军事；瓦斯监测系统；环境监测；交通引言随着半导体技术、通信技术、计算机技术的快速发展，90 年代末，美国首 先出现无线传感器网络（WSN）1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser 教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序 幕1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐 释了 WSN的科学意义在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业 界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家 居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管 理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之 一美国商业周刊将 WSN 网络列为 21 世纪最有影响的技术之一，麻省理工学 院（MIT）技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。
WSN 经历了从智能传感器，无线智能传感器到无线传感器三个发展阶段， 智能传感器将计算能力嵌入传感器中，使传感器节点具有数据采集和信息处理能 力而无线智能传感器又增加了无线通信能力， WSN 将交换网络技术引入到智 能传感器中使其具备交换信息和协调控制功能无线传感网络结构由传感器节点，汇聚节点，现场数据收集处理决策部分及 分散用户接收装置组成，节点间能够通过自组织方式构成网络传感器节点获得 的数据沿着相邻节点逐跳进行传输，在传输过程中所得的数据可被多个节点处 理，经多跳路由到协调节点，最后通过互联网或无线传输方式到达管理节点，用 户可以对传感器网络进行决策管理、发出命令以及获得信息近年来国际上十分 关注WSN在军事，环境，农业生产等领域的发展，美国和欧洲相继启动了 WSN 研究计划，我国于1999年正式启动研究，并且在2010年远景规划和“十五”计划 中，将 WSN 列为重点发展产业之一1 WSN的构成一个典型的无线传感器网络的系统架构 包括分布式无线传感器节点（群）、 接收发送器汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点等，如图1所示大量 传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。
传 感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数 据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到 达管理节点用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以 及收集监测数据oKOoo任务管理节点ft噪许点图1无线传感器网络基本构成传感器节点处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过小容量电池供电传感器节 点由部署在感知对象附近大量的廉价微型传感器模块组成，其目的是协作地感 知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送到汇聚节点各模块通 过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，传感器节点采集到的数据沿着 其他传感器节点逐跳传输到汇聚节点一个WSN系统通常有数量众多的体积小、 成本低的传感器节点从网络功能上看，每个传感器节点除了进行本地信息收集 和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合，并与其他 节点协作完成一些特定任务汇聚节点汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它是连接传感器网络 与Internet等外部网络的网关，实现两种协议间的转换，同时向传感器节点发布 来自管理节点的监测任务，并把WSN收集到的数据转发到外部网络上。
汇聚节 点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的、Flash 和SRAM中的所有信息传输到计算机中，通过汇编软件，可很方便地把获取的 信息转换成汇编文件格式，从而分析出传感节点所存储的程序代码、路由协议及 密钥等机密信息，同时还可以修改程序代码，并加载到传感节点中管理节点管理节点用于动态地管理整个无线传感器网络传感器网络的所有者通过管 理节点访问无线传感器网络的资源2 无线传感器网络的应用2.1无线传感器网络在军事中的应用信息化战争中，战场信息的及时获取和反应对于整个战局的影响至关重要 由于WSN具有生存能力强、探测精度高、成本低等特点，非常适合应用于恶劣 的战场环境中，执行战场侦查与监控、目标定位、战争效能评估、核生化监测以 及国土安全保护、边境监视等任务1）战场侦查与监控战场侦查与监控的基本思想，是在战场上布设大量的WSN，以收集和中继 信息，并对大量的原始数据进行过滤；然后把重要信息传送到数据融合中心，将 大量信息集成为一幅战场全景图，以满足作战力量“知己知彼”的要求，大大提升 指挥员对战场态势的感知水平典型的WSN应用方式是用飞行器将大量微传感器节点散布于战场地域，并 自组成网，将战场信息边收集、边传输、边融合。
系统软件通过解读传感器节点 传输的数据内容，将它们与诸如公路、建筑、天气、单元位置等相关信息，以及 其他WSN的信息相互融合，向战场指挥员提供一个动态的、实时或近实时更新 的战场信息数据库，为各作战平台更准确地制定战斗行动方案提供情报依据和服 务，使情报侦察与获取能力产生质的飞跃对战场的监控可以分为对己方的监控和对敌方的监测，包括军事行动侦察与 非军事行动的监测通过在己方人员、装备上附带各种传感器，并将传感器采集 的信息通过汇聚节点送至指挥所，同时融合来自战场的其他信息，可以形成己方 完备的战场态势图，帮助指挥员及时准确地了解武器装备和军用物资的部署和供 给情况通过飞机或其他手段在敌方阵地大量部署各种传感器，对潜在的地面目标进 行探测与识别，可以使己方以远程、精确、低代价、隐蔽的方式近距离地观察敌 方布防，迅速、全方位地收集利于作战的信息，并根据战况快速调整和部署新的 WSN，及时发现敌方企图和对我方的威胁程度通过对关键区域和可能路线的 布控WSN，可以实现对敌方全天候的严密监控 2）毁伤效果评估战场目标毁伤效果评估是对火力打击后目标毁伤情况的科学评价，是后续作 战行动决策的重要依据当前应用较多的目标毁伤效果评估系统主要依托于无人 机、侦察卫星等手段，但这些手段均受到飞行距离近、过顶时间短、敌方打击威 胁或天气等因素的制约，无法全天时对打击目标进行抵近侦查并对毁伤效果做出 正确评估。
WSN 系统中，价格低、生存能力强的传感器节点可以通过飞机或火力打击 时的导弹、精确制导炸弹附带散布于攻击目标周围在火力打击之后，传感器节 点通过对目标的可见光、无线电通信、人员部署等信息进行收集、传递，并经过 管理节点进行相关指标分析，可以使作战指挥员及时准确地进行战场目标毁伤效 果评估这一方面可以使指挥员能够掌握火力打击任务的完成情况，适时调整火 力打击计划和火力打击重点，实施正确的决策提供科学依据；另一方面，也可以 最大限度地优化打击火力配置，集中优势火力对关键目标进行打击，从而大大提 高作战资源利用率2.2 无线传感器网络在瓦斯监测系统中的应用 在传统的煤矿瓦斯监测系统中，由于监测系统的设施、装置等位置比较固定， 因而使瓦斯探头不能随着采掘的进度跟进到位，从而使得监测系统往往形同虚 设，再加上矿井下联网有一定的难度，使有关人员 无法进行有效的监管，以致事故无法预警所以我们的设计思想是要让瓦斯监测 系统能够随着采掘的进度跟进到位，能够把井下信息实时、准确地传送到相关人 员手中具体实施方法如下：在坑道中每隔几十米放置一个传感器节点，每个矿 工身上也都佩带一个这样的节点，矿工身上佩带的节点和坑道中放置的节点可以 自组织成一个大规模的无线传感器网络，在矿井的入口处放置一个具有网关功能 的节点作为 Sink 节点，它可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能 量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的 特殊网关设备。
Sink节点连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议 栈之间的通信协议转换，同时发布监测中心的监测任务，并把收集的数据转发到 外部网上，最后传至我们的监控中心系统2.3 无线传感网络在环境监测中的应用 随着人们对环境问题的日益关注重视，环境监测所涉及的范围越来越广，但 传统的数据采集方式难以适应复杂多变的环境因为具有自组织性和较好的容错 能力，WSN非常适合应用于野外环境，极大地方便了环境研究所需的原始数据 的获取环境监控应用的典型案例有：（1） 夏威夷大学在夏威夷火山国家公园内铺设WS N以监测濒临灭种的植物所在 地的微小气候变化2） 科学家们在加州北部Sonoma的小树林里组建了一个系统，该系统由捆绑在 红杉树树枝和主干上的120个塑料封装的无线传感器组成根据该系统所采集的 数据，可绘制出详细的图表，从而说明这些树木周围的微气候如何变化，以及它 们怎样通过树阴、呼吸作用、水分输送等方式来影响当地环境3） 美国和日本的科学家在我国敦煌莫高窟利用WSN来监测洞内的湿度和光线 强度人们将根据搜集到的数据及时采取适当的保护措施，如通风等，从而降低 含盐地下水的侵蚀对洞内古迹的损害。
2.4 无线传感器网络在交通中的应用 不停车收费系统的关键技术是基于无线传感器网络的自动车辆识别技术实 现对车辆、货物实时监控, 并能实现高效、准确的管理系统由电脑、管理软件、 智能电子标签、智能电子标签阅读器、控制箱、道闸、含有地感线圈的无线传感 器节点组成基于无线传感器网络的 ETC 系统能实现自动检验、登记、放行等 功能每辆车在档风玻璃内放置一块记录本车基本信息的智能电子标签（ 射频卡 大小） 在道口进出口上安放一台智能标签阅读器及一套控制箱,同时配置道闸和 含有地感线圈的无线传感器节点当带有智能电子标签的汽车进入地感线圈的节 点时, 地感线圈得到信号, 同时智能标签阅读器也读到智能电子标签的信号 , 光 学识别系统识别车的车牌如果是合法的, 就发出信号, 打开道闸, 允许车辆通 过另外, 自动识别系统读取电子标签中的用户费用信息、车型信息和入口车道 信息进行收费计算，完成IC卡内收费额的扣除，收费记录写入IC卡，并向用户 显示有关收费状态信息后给予放行如果有非法 ETC 用户强行通过 ETC 专用 车道， 可进行车牌抓拍， 生成违章记录， 便于事后处理此时车辆只要适当减速， 不需要停车， 也不需要伸手刷卡， 就可以顺利通过道口。
车辆过道闸后通过门内 地感线圈的无线节点时， 又产生信号， 让道闸关闭车辆通过高峰时， 即车辆一 辆接一辆进入时， 可以通过软件设置， 道闸处于常开状态， 当最后一辆车辆进入时道闸关闭车辆出入的全部信息均由电脑实时记录 , 并生成车流量的准确日 报、月报统计表i\oo件感器节点收费岛地感线阖节点图 3 不停车收费系统结语无线传感器网络应用前景非常诱人无线传感器网络（WSN）被认为是影 响人类未来生活的重要技术之一，这一新兴技术为人们提供了一种全新的获取信 息、处理信息的途径由于WSN本身的特点，使得它与现有的传统网络技术之 间存在较大的区别，给人们提出了很多新的挑战由于WSN对国家和社会意义 重大，国内外对于WSN的研究正热烈开展，希望能够引起测控领域对这一新兴 技术的重视，推动对这一具有国家战略意义的新技术的研究、应用和发展参考文献⑴孙利民，李建中，陈渝等.无线传感网络[M].清华大学出版社2005. 5(第一 版)．[2] 崔莉，鞠海玲，苗勇，李天璞，刘巍，赵泽.无线传感器网络。