周睿禹
摘 要：随着时代的发展，如今无线传感器网络因其自组织，无中心，适应性强等特点，已经渗入到人们生产、生活的方方面面。通过分析其无线传感器网络收集到的数据，可以提高生产效率、监测交通状况、看护病人；但其也存在续航不足、性能不强等问题。随着电子信息技术的发展，无线传感器网络的数据处理性能逐步提升，续航时间逐渐增加，智能化程度日益提高。
关键词：无线传感器网络；电子信息技术；智能传感器
中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）01-0052-02
无线传感器网络是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地协作地监测、感知和采集网络分布区域内的各种检测对象信息，提供海量的详细测量数据，如灯光、温度、湿度、噪音等，并对这些信息进行处理，发送给观察者。在军事侦察、生物栖息、环境监测等领域，无限传感器网络有着广泛的应用前景[1]。
1 无线传感器网络的现状
无线传感器网络中的传感器通过无线方式通信，网络设置灵活，可以跟互联网进行连接，通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络。其核心是传感器节点，每个传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，一般由数据采集模块、处理控制模据欸、无线通信模块和能量供应模块4部分组成。
1.1 无线传感器网络的特点
无线传感器网络的规模非常大。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器网络可以覆盖很大的地理区域；另一方面，传感器节点部署很密集，在面积较小的空间内，密集部署了大量的传感器节点。
无线传感器网络自组织，自维护。传感节点可以随机分布并自行组成网络，形成大面积的监控网络。由于环境等条件的改变，传感器的数量会有增减，网络拓扑随时间动态改变，无线传感器网络应该具备维护动态路由的能力。
无线传感器网络无中心。在无线传感器网络中，所有节点的位置都是平等的没有预先制定的中心，是通过预先设定的算法来相互协调。由于具有无中心的特点，无线传感器网络不会因为单个节点的脱离而受到损害。
无线传感器网络以数据为中心，在无线传感网络中，能源消耗最大的过程是通信过程，受到能源有效性的限制，无线传感器网络的路由应该在保证数据传输与稳定性前提下尽量减少通信量。
无线传感器网络的协作性强。由于无线传感器网络单个节点的计算能力有限，为了采集监测范围内各项数据，网络的运作需要大量的节点进行数据交换，信号协同和信号处理。这种方式可以有效克服处理和存储能力不足的缺点，共同完成复杂任务的执行。
1.2 无线传感器网络的应用
1.2.1 军事领域
由于无线传感器网络具有密集型，随机分布，部署快速，可自组织，隐蔽性强且容错性高等诸多特点，使其非常适合用于复杂恶劣的战场环境。在军事领域的主要应用包括战场敌情侦察，警戒地域监视和预警，监控敌我双方物资、兵力部署情况，判断敌军进攻动向，战场毁伤效能评估等。
1.2.2 医疗应用
医疗是无线传感器网络的另一个重要应用领域。无线传感器网络可以提供对医院的药物控制和药品管理，辅助医生诊断和监控病人的状态，跟踪病人的状态，监控医生、护士的服务，还可以远程监视特殊人群的健康状态，提供远程治疗等诸多服务。
通过部署在患者家中的传感器网络可以覆盖患者的活动区域，患者身上的可穿戴设备可以提供必要的生理指标，通过这些节点可以对患者的重要身体指标进行实时监测。此类传感器系统可以在本地对数据进行预处理后传输至医疗服务机构。
1.2.3 农业领域
农业生产中，利用无线传感器网络可以有效地降低传统农业中的人力消耗以及对农田环境的影响，并获取精确的环境和作物信息。通过传感器获取的气候数据，可以分析得到农作物产量与日照、温度、湿度的关系，并对灌溉等措施作相应调整。
1.2.4 环境监测应用
海洋、冰川、火山和原始森林等地区自然条件艰苦，人迹罕至。无线传感器部署简单易行，以无人值守的方式长期工作，且在各种不同的环境中都具有较强的稳定性。此外，通过传感器收集数据还可以避免数据收集方式给环境带来的侵入式破坏[2]。
1.2.5 工业应用
在工业环境中，大范围使用传感器可以实施生产过程当中的安全监测，也能对自动化生产的生产环节和设备状态进行实时监控，从而改进产品质量，增加产量、降低能耗、提高竞争力。
2 无线传感器网络的问题
无线传感器网络中的节点部分通过电池提供能量，为了延长传感器使用寿命，能耗控制特别重要，如何在保证无线传感器网络功能前提下控制能耗成为了一个重要问题。
无线传感器网络节点分布密集，数据有显著的冗余性，对于采集到的海量数据信息量需要利用数据聚集，融合。同时，在目标跟踪、识别等新型使用场景下，传感器需要更强的数据处理能力。目前受限于功耗和体积，传感器数据处理模块性能较差，数据处理能力不足。
无线传感器网络仍然具有安全性问题。无线信道、有限的能量，分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务是这些攻击的常见方式。因其具有大量数据，安全性是传感器网络设计中至关重要的部分。
无线传感器网络的通信同样重要。在复杂的环境中，信号容易被障碍物或其他电子信号干扰。在传感器网络内以及传感器与上层网关通信过程中，如何保证传输的速率以及稳定性是一个亟待解决的问题。
2.1 电子信息技术的发展
在无线传感器网络以数据为中心的采集、传输、处理的各个过程，电子信息技術都发挥了巨大的作用。
2.1.1 无线通信技术
通信技术发展迅速，4G、wifi、zigbee等通信技术的发展使无线传感器数据传输速度有了大幅度提升。多种通信技术融合使用，扩大了传感器的覆盖范围，并使其能够适应不同的应用环境。
4G有很高的数据吞吐量、更低时延、更低的建设和维护成本、更高的鉴权能力和安全能力，使用4G网络通信可以利用运营商的基础设置覆盖到更加广阔的范围。同时4G安全性能好、时延低，对下一代功能更加强大的传感器网络具有重要意义。
ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议，底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。在无线传感器网络内部，采用ZigBee能以极低的功耗保持各个节点之间的连接。对于数据量较小的传感器，ZigBee能很好的完成传输任务。
蓝牙的发展也为无线传感器网络提供了更多的通信方式。同时，第五代蓝牙技术的发展，使其传输距离达到300米，理论传输速度达到24Mbps，并且其原生支持室内定位，为传感器组网提供了更大范围、更多功能的通信支持。
2.1.2 传感器智能化
智能传感器就是具有信息处理功能的传感器，其带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。相比一般传感器，智能式传感器有如下显著特点：
（1）提高了传感器的精度。智能式传感器具有信息处理功能，通过软件不仅可修正各种确定性系统误差，而且还可适当地补偿随机误差、降低噪声，大大提高了传感器精度。
（2）提高了传感器的可靠性。集成传感器系统小型化，消除了传统结构某些不可靠因素，改善整个系统的抗干扰性能；同时它还有诊断、校淮和数据存储功能，具有良好的稳定性。
（3）提高了传感器的性能价格比。在相同精度的需求下，多功能智能式传感器与单一功能的普通传感器相比，性能价格比明显提高，尤其是在采用较便宜的单片机后更为明显。
（4）促成了传感器多功能化。智能式传感器可以实现多传感器多参数综合测量，通过编程扩大测量与使用范围；有一定的自适应能力，根据检测对象或条件的改变，相应地改变量程反输出数据的形式；具有多种数据输出形式，适配各种应用系统。
2.2 传感器协议的发展
无线传感协议的完善，提高了数据通信，传感器网关，传感器控制的安全性。无线传感器网络的相关自组协议可以使传感器自适应地组成传感器网络，并在网络传输中有效减少数据传输量，提高系统的效率，降低整体能耗。
李玉海等提出了SCPDA协议[3]，该协议通过在传感器结点中加入混肴数据对，并将数据分组后随机分发给其邻居，从而达到保护数据的目的。该协议主要分为三个阶段：划分簇阶段、数据混肴阶段、数据聚集阶段。实验结果也表明，该协议比已知的安全协议更加高效节能。
樊志平等提出了EECA协议[4]，该协议是基于能量效率的无线传感器网络快速分簇算法，其将重新选举簇头转化为局部出发行为，将时间复杂度降低至O（1），使其与网络规模无关。实验结果表面其具有良好的负载平衡性能，可以有效减少能量消耗。
3 结语
随着电子信息技术的飞速发展，无线传感器网络持续进步，在生活的各个领域发挥了重要的作用。无线传感器网络可以在不同的环境中自组织地建立网络，覆盖观测区域，采集相关数据，这不仅节省了大量人力物力，而且推动了农业、工业、服务业的智能化。随着电子信息技术的进一步发展，无线传感器网络更加智能化，能耗更低，数据传输能力更强。
参考文献：
[1]刘敏钰，吴泳，伍卫国.无线传感网络 （WSN） 研究[J].微电子学与计算机，2005（7）： 58-61.
[2]屈峰，杨华，王立军，等.无线传感器网络及其应用[J].四川兵工学报，2013（02）：111-113.
[3]李玉海，田苗苗，黄刘生，等.无线传感网络中基于数据混淆的保护隐私数据聚集协议[J]. 小型微型计算机系统，2013，34（7）：1603-1606.
[4]樊志平，金政哲，謝冬青.基于能量效率的无线传感网络分簇算法[J].小型微型计算机系统2013，34（3）：535-539.
