目前，国内外许多研究机构都开展了无线传感器网络技术及其应用的相关研究。 本文主要介绍无线传感器网络技术在不同领域的应用及其未来的发展趋势和制约因素。

无线传感器网络概述

传感器节点可以完成环境监测、目标发现、位置识别或控制其他设备的功能； 此外，它们还具有路由、转发、融合、存储其他节点信息等功能。

网关负责连接无线传感器网络与外部网络之间的通信，实现两种网络通信协议之间的转换，向传感器网络内部节点发送控制命令，并将节点信息传输到服务器。

服务器用于接收来自监控区域的数据。 用户可以远程访问服务器，获取监控区域内监控目标的状态以及节点和设备的工作状况。

无线传感器网络通常具有以下主要特点：

(1)自组织。 传感器网络系统的节点具有自动组网的功能，节点之间可以相互通信、协调工作。

(2)多跳路由。 节点受到通信距离、功率控制或节能的限制。 当节点无法直接与网关通信时，数据传输需要经过其他节点转发，因此网络数据传输路由是多跳的。

(3)动态网络拓扑。 在一些特殊应用中，无线传感器网络是移动的，传感器节点可能由于能量消耗或其他故障而终止工作。 这些因素都会导致网络拓扑结构发生变化。

(4)节点资源有限。 节点小型化要求和有限的能量导致节点硬件资源有限。

无线传感器网络应用现状

传感器网络的应用与具体的应用环境密切相关。 因此，针对不同的应用领域，存在不同性能的无线传感器网络系统[3]。

军事领域应用

在军事应用领域，无线传感器网络可用于监视敌区部队和装备、实时监测战场情况、定位目标、监测核攻击或生化攻击等。

美军研究的用于军事侦察的NSOF（部队）系统[4]是美军目前正在研究的未来作战系统的一部分。 它可以收集侦查区域内的情报信息网络推广，并将这些信息及时传输到战术互联网上。 。 该系统由大约100个静态传感器和用于访问战术互联网的命令和控制节点C2（和）组成。 系统架构如图2所示。

2005年，美军利用连节点搭建了枪声定位系统[5]。 这些节点部署在目标建筑物周围。 该系统可以有效地自组织形成监控网络，监控突发事件（如枪击、爆炸等）的发生，为救援和反恐提供有力帮助。

美国科学应用国际公司利用无线传感器网络构建电子防御系统[5]，为美军提供军事防御和情报信息。 系统利用多个微型磁力计传感器节点来检测监控区域内是否有人持枪、是否有车辆行驶。 同时，系统利用声音传感器节点监测车辆或人的运动方向。

环境监测应用

无线传感器网络用于环境监测，可以完成传统系统无法完成的任务。 环境监测应用领域包括：植物生长环境、动物活动环境、生化监测、精准农业监测、森林火灾监测、洪水监测等。

加州大学伯克利分校利用传感器网络监测大鸭岛的生态环境[6]，并在岛上部署了30个传感器节点。 传感器节点使用该大学的Mica mote[7]节点，包括监测环境所需的温度。 、光强、湿度、大气压力等传感器。 系统采用集群式网络结构。 传感器节点采集到的环境参数传输到簇头（网关），然后数据通过传输网、基站、网络传输到数据库。 用户或管理员可以远程访问监控区域。

加州大学在南加州圣山建立了可扩展的无线传感器网络系统[8]，主要监测当地环境条件下植物甚至动物的微气候和生态模式。 监测区域（25公顷）被划分为100多个小区域。 每个小区域都包含各种类型的传感器节点。 该区域的网关负责向基站传输数据。 系统由多个网关组成，通过传输网络与互联网连接。

加州大学伯克利分校利用部署在一棵70m高的红杉树上的无线传感器系统来监测其生存环境[9]。 节点间距为2m，监测周围空气温度、湿度、阳光强度（光合作用）等变化。

文献[10]利用无线传感器网络系统来监测牧场内牛的活动，目的是防止两只牛互相打斗。 系统中的节点是动态的，因此要求系统采用无线通信方式和高数据速率。

部署在印度西部山区监测泥石流的无线传感器网络系统[11]旨在在灾害发生前预测泥石流的发生。 它使用大规模、低成本的节点组成网络网站推广，并按照预定的时间间隔发送山地状况信息。 最新数据。 英特尔使用该公司的 Mote 系列节点部署了一个无线传感器网络，用于监控美国俄勒冈州葡萄园中环境的微小变化[12]。

建筑结构监测

无线传感器网络用于监测建筑物的健康状况。 它们不仅成本低廉，而且可以解决传统监控布线复杂布线、线路老化、易损坏等问题。

斯坦福大学提出了一种基于无线传感器网络的楼宇监控系统[13]，采用基于集群结构的两层网络系统。 传感器节点由模块和加速度传感器组成，簇头节点由无线调制器和连接组成。

用于监控南加州大学建筑物的无线传感器网络系统[14]。 除了监测建筑物的健康状况外，该系统还可以定位建筑物受损的位置。 该系统部署在洛杉矶的四号大楼。 系统采用集群式结构，采用Mica-Z系列节点。

医疗健康应用

加州大学提出了一种基于无线传感器网络的人体健康监测平台[15]，使用可穿戴传感器节点。 传感器类型包括压力、皮肤反应、拉伸、压电薄膜传感器、温度传感器等。节点采用加州大学伯克利分校开发、公司生产的dot-mote节点。 通过放在口袋里的PC，可以轻松直观地查看人体当前状况。

针对当前社会老龄化问题，纽约石溪大学提出了一种用于监测老年人生理状态的无线传感器网络系统（2000）。 除了监测用户的生理信息外，还可以及时上报用户的身体状态和位置信息。 节点采用该公司的MICA2及系列节点，使用温度、脉搏、呼吸、血氧水平等传感器。

智能交通应用

图3为智能交通监控系统[17]上海市重点科技研发计划。 它采用声音、图像、视频、温度、湿度等传感器。 节点部署在交叉路口周围。 部署在车辆上的节点还包括 GPS。 全球定位设备。 重点关注系统安全问题，包括能耗、网络动态安全、网络规模、数据管理集成、数据传输方式等。

1995年，美国交通部提出“国家智能交通系统项目计划”，计划在2025年全面投入使用。该计划利用大规模无线传感器网络，结合GPS定位系统等资源，让所有车辆处于高效率、低消耗的最佳运行状态，并自动保持车距。 失败可以发出警告。

中国科学院沉阳自动化研究所提出了一种基于无线传感器网络的高速公路交通监控系统。 节点采用图像传感器，可以在能见度低、道路结冰等条件下有效监控路段。

除了上述应用领域外，无线传感器网络还可以应用于工业生产、智能家居、仓储物流管理、太空海洋探索等领域。

无线传感器网络应用的限制

无线传感器网络技术在实际应用过程中，主要存在以下制约因素：

(1)成本：传感器网络节点的成本是制约其大规模、广泛应用的重要因素。 需要根据具体应用的要求来平衡成本、数据准确性和能源供应时间。

(2)能耗：大多数应用领域都要求网络采用一次性独立供电系统。 因此，网络要求能耗低，延长网络的生命周期。 这是扩大应用的重要因素。

（3）小型化：在某些领域，要求节点的规模小型化，同时对目标本身不产生任何影响，或者不被发现来完成特殊任务。

（4）定位性能：目标定位的精度与硬件资源、网络规模、周围环境、锚点数量等因素有关。目标定位技术是当前的研究热点之一。

(5)移动性：在某些特定应用中，节点或网关需要移动，导致网络快速自组织困难。 这一因素也是影响其应用的主要问题之一。

（6）硬件安全：在一些特殊环境应用中，如海洋、化学污染区、水流、动物等，节点的硬件要求非常高，需要保护其免受外部损坏和腐蚀。

影响无线传感器网络实际应用的因素有很多，也与应用场景有关。 这些因素需要在未来的研究中克服，以便网络能够应用于更多领域。

当前研究热点问题

协议书

(1)物理层通信协议：研究传感器网络的传输介质、频段选择、调制方法等。

(2)数据链路层协议：研究网络拓扑和信道接入方法。 拓扑结构包括扁平结构、层次结构、混合结构和网状结构。 信道接入方式包括固定分配方式、随机竞争方式或者上述两种方式的混合方式。 。

(3)网络层协议：即路由协议的研究。 路由协议分为平面和簇两种类型。 平面协议节点地位平等，简单易扩展，但缺乏管理； 集群路由分为簇头和簇成员，便于管理和维护，研究的重点是综合两种路由方式的优点。

(4)传输层协议：研究为网络提供可靠的数据传输和错误恢复机制。

网络管理

（1）能量管理：研究控制节点能耗、平衡网络能耗、动态调制射频功率和电压而不影响网络性能。

(2)安全管理：研究无线传感器网络的安全问题，包括节点认证、处理干扰信息、攻击信息等。

应用层支撑技术

(1)时间同步：对于网络时间同步要求较高的应用，例如基于TDMA的MAC协议和特殊敏感的时间监控应用，需要网络时间同步。

(2)定位技术：针对节点定位要求较高的应用，基于少数已知节点的位置，研究以最少的硬件资源、最低的成本和能耗定位节点位置的技术。

硬件资源

(1)小型化：根据具体应用的要求，研究小型化的节点。

(2)低成本：在不影响节点性能的情况下降低节点硬件成本的研究。

（3）新型电源：研究太阳能电源等大容量可再生电源，解决制约传感器网络发展和应用的能源消耗问题。

本文主要讨论了无线传感器网络的广泛应用，介绍了其在各个领域应用的典型实例，总结了当前制约无线传感器网络实际应用的因素和当前的研究热点。 无线传感器网络最终将成为信息世界与客观物理世界之间的接口，使人类可以通过传感器网络获取客观物理世界的信息并采取相应的措施。

无线传感器网络架构如图1所示。系统通常包括传感器节点、网关和服务器。

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