無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展與前景展望
科技發(fā)展的腳步越來越快,人類已經(jīng)置身于信息時代。而作為信息獲取最重要和最基本的技術(shù)——傳感器技術(shù),也得到了極大的發(fā)展。傳感器信息獲取技術(shù)已經(jīng)從過去的單一化漸漸向集成化、微型化和網(wǎng)絡化方向發(fā)展,并將會帶來一場信息革命。
發(fā)展歷程
早在上世紀70年代,就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點對點傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡雛形,我們把它歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡。隨著相關(guān)學科的的不斷發(fā)展和進步,傳感器網(wǎng)絡同時還具有了獲取多種信息信號的綜合處理能力,并通過與傳感控制器的相聯(lián),組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡,這是第二代傳感器網(wǎng)絡。而從上世紀末開始,現(xiàn)場總線技術(shù)開始應用于傳感器網(wǎng)絡,人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡,大量多功能傳感器被運用,并使用無線技術(shù)連接,無線傳感器網(wǎng)絡逐漸形成。
無線傳感器網(wǎng)絡是新一代的傳感器網(wǎng)絡,具有非常廣泛的應用前景,其發(fā)展和應用,將會給人類的生活和生產(chǎn)的各個領域帶來深遠影響。發(fā)達國家如美國,非常重視無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展,IEEE正在努力推進無線傳感器網(wǎng)絡的應用和發(fā)展,波士頓大學(Boston Unversity)還于最近創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡協(xié)會(Sensor Network Consortium),期望能促進傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)。除了波士頓大學,該協(xié)會還包括BP、霍尼韋爾(Honeywell)、Inetco Systems、Invensys、 L-3 Communications、Millennial Net、Radianse、Sensicast Systems及Textron Systems。美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時,更是將無線傳感器網(wǎng)絡列為第一項未來新興技術(shù),《商業(yè)周刊》 預測的未來四大新技術(shù)中,無線傳感器網(wǎng)絡也列入其中??梢灶A計,無線傳感器網(wǎng)絡的廣泛是一種必然趨勢,它的出現(xiàn)將會給人類社會帶來極大的變革。
應用現(xiàn)狀
雖然無線傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模商業(yè)應用,由于技術(shù)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(jīng)為數(shù)不少的無線傳感器網(wǎng)絡開始投入使用。目前無線傳感器網(wǎng)絡的應用主要集中在以下領域:
1. 環(huán)境的監(jiān)測和保護
隨著人們對于環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高,需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多,無線傳感器網(wǎng)絡的出現(xiàn)為隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利,并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)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(jīng)將32個小型傳感器連進互聯(lián)網(wǎng),以讀出緬因州"大鴨島"上的氣候,用來評價一種海燕巢的條件。無線傳感器網(wǎng)絡還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移,研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響,監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。此外,它也可以應用在精細農(nóng)業(yè)中,來監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。
2 醫(yī)療護理
無線傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)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傳感器創(chuàng)建了一個智能醫(yī)療房間,使用微塵來測量居住者的重要征兆(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傳感器網(wǎng)絡的家庭護理技術(shù)。該技術(shù)是做為探討應對老齡化社會的技術(shù)項目Center for Aging Services Technologies(CAST)的一個環(huán)節(jié)開發(fā)的。該系統(tǒng)通過在鞋、家具以家用電器等家中道具和設備中嵌入半導體傳感器,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。利用無線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)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Eric Dishman稱,"在開發(fā)家庭用護理技術(shù)方面,無線傳感器網(wǎng)絡是非常有前途的領域"。
3 軍事領域
由于無線傳感器網(wǎng)絡具有密集型、隨機分布的特點,使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中,使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中,包括偵察敵情、監(jiān)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"傳感器技術(shù)的研發(fā)。哈伯研究公司總裁阿爾門丁格預測:智能塵埃式傳感器及有關(guān)的技術(shù)銷售將從2004年的1000萬美元增加到2010年的幾十億美元。
4其他用途
無線傳感器網(wǎng)絡還被應用于其他一些領域。比如一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等,工作人員可以通過它來實施安全監(jiān)測。也可以用在交通領域作為車輛監(jiān)控的有力工具。此外和還可以在工業(yè)自動化生產(chǎn)線等諸多領域,英特爾正在對工廠中的一個無線網(wǎng)絡進行測試,該網(wǎng)絡由40臺機器上的210個傳感器組成,這樣組成的監(jiān)控系統(tǒng)將可以大大改善工廠的運作條件。它可以大幅降低檢查設備的成本,同時由于可以提前發(fā)現(xiàn)問題,因此將能夠縮短停機時間,提高效率,并延長設備的使用時間。盡管無線傳感器技術(shù)目前仍處于初步應用階段,但已經(jīng)展示出了非凡的應用價值,相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進,一定會得到更大的應用。
需要解決的問題
就目前的技術(shù)水平來說,讓無線傳感器網(wǎng)正常運行并大量投入使用還面臨著許多問題:
1網(wǎng)絡內(nèi)通信問題。無線傳感器網(wǎng)絡內(nèi)正常通信聯(lián)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,怎么安全有效的進行通信是個有待研究的問題。
2成本問題。在一個無線傳感器網(wǎng)絡里面,需要使用數(shù)量龐大的微型傳感器,這樣的話成本會制約其發(fā)展。
3系統(tǒng)能量供應問題。目前主要的解決方案有:使用高能電池;降低傳感功率;此外還有傳感器網(wǎng)絡的自我能量收集技術(shù)和電池無線充電技術(shù)。其中后兩者備受關(guān)注。
4高效的無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是組織無線傳感器的成網(wǎng)技術(shù),有多種形態(tài)和方式,合理的無線傳感器網(wǎng)絡可以最大限度的利用資源。在這里面,還包括網(wǎng)絡安全協(xié)議問題和大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點移動性管理等諸多問題有待解決。
未來展望
無線傳感器網(wǎng)絡有著十分廣泛的應用前景,它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)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(xiàn)其優(yōu)越性,如家用、保健、交通等領域。我們可以大膽的預見,將來無線傳感器網(wǎng)絡將無處不在,將完全融入我們的生活。比如微型傳感器網(wǎng)最終可能將家用電器、個人電腦和其他日常用品同互聯(lián)網(wǎng)相連,實現(xiàn)遠距離跟蹤,家庭采用無線傳感器網(wǎng)絡負責安全調(diào)控、節(jié)電等。無線傳感器網(wǎng)絡將是未來的一個無孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡,其應用可以涉及到人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的所有領域。
但是,我們還應該清楚的認識到,無線傳感器網(wǎng)絡才剛剛開始發(fā)展,它的技術(shù)、應用都還還遠談不上成熟,國內(nèi)企業(yè)應該抓住商機,加大投入力度,推動整個行業(yè)的發(fā)展。