1.1 無線傳感器網絡概述

無線傳感器網絡是新興的下一代網絡。如果說互聯網（Internet）構成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么，無線傳感器網絡就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變了人類與自然界的交互方式。人們可以通過傳感器網絡直接感知客觀世界，從而極大地擴展現有網絡的功能和人類認識世界的能力。美國的《商業周刊》和《MIT技術評論》在預測未來技術發展的報告中，將無線傳感器網絡列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的十大技術之一。

然而，無線傳感器網絡的應用與設計面臨著嚴峻的挑戰，因為其所需知識包括了電子、通信工程和計算機科學領域的幾乎所有研究方向。因此，世界各地許多大學都給高年級本科生或研究生開設無線傳感器網絡的相關課程；同時，無線傳感器網絡也是很多科研項目和學術論文的關注點。

1.1.1 發展歷程

無線傳感器網絡研究的初期是在軍事領域。1978年，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）舉辦了分布式傳感器網絡研討會，重點關注了傳感器網絡研究面臨的挑戰，包括網絡技術、信號處理技術以及分布式計算等，對無線傳感器網絡的基本思路進行了探討，并開始資助卡內基梅隆大學進行分布式傳感器網絡的研究，這被看成是無線傳感器網絡的雛形。1980年，DARPA啟動了分布式傳感器網絡計劃，后來又啟動了傳感器信息技術項目。

20世紀80~90年代，無線傳感器網絡的研究主要集中在軍事領域，成為網絡中心戰的關鍵技術；從20世紀90年代中期開始，美國和歐洲等先后開展了大量關于無線傳感器網絡的研究工作。

1993年，美國加州大學洛杉磯分校與羅克韋爾科學中心（Rockwell Science Center）合作開始了無線集成網絡傳感器（Wireless Integrated Network Sensors，WINS）項目，其目的是將嵌入在設備、設施和環境中的傳感器、控制器以及處理器建成分布式網絡，并能夠通過互聯網進行訪問，這種傳感器網絡已多次在美軍的實戰環境中進行了試驗。1996年發明的低功率無線集成微型傳感器（LWIM）是WINS項目的研究成果之一。

2001年，美國陸軍提出了“靈巧傳感器網絡通信”計劃，其基本思想是在整個作戰空間中放置大量的傳感器節點來收集敵方的數據，然后將數據匯集到數據控制中心融合成一張立體的戰場圖片。當作戰組織需要時，可以提供給他們，使其及時了解戰場上的動態，并依此調整作戰計劃。之后美軍又提出了“無人值守地面傳感器群”項目，其主要目標是使基層部隊人員具備在任何地方均能部署傳感器的靈活性。部署的方式依賴于需要執行的任務，指揮員可以將多種傳感器進行最適宜的組合來滿足作戰需求。該計劃的一部分就是研究最優的組合方式以滿足任務需求。

在工商業領域，1995年美國交通部提出了“國家智能交通系統項目規劃”，該規劃有效地集成了先進的信息技術、數據通信技術、傳感器技術、控制技術和計算機處理技術等，并應用于整個地面交通管理，建立一個大范圍、全方位、實時高效的綜合交通運輸管理系統，對車速、車距進行控制，還能提供道路通行狀況信息、最佳的行駛路線，發生交通事故時可以自動聯系事故搶救中心。

隨著無線傳感器網絡研究的不斷深入，其應用領域也越來越廣泛。2002年5月，美國能源部與美國Sandia國家實驗室合作，共同研究用于地鐵、車站等場所的防恐怖襲擊對策系統，該系統集檢測有毒氣體的化學傳感器和網絡技術于一體，傳感器一旦檢測到某種有害物質，就會自動向管理中心通報，并自動采取急救措施。2002年10月，美國英特爾（Intel）公司公布了“基于微型傳感器網絡的新型計算發展規劃”，該規劃表明英特爾公司將致力于微型傳感器網絡在預防醫學、環境監測、森林防火乃至海底板塊調查、行星探測等領域的研究與應用。美國國家自然科學基金會（NSF）于2003年制定了傳感器網絡研究計劃，投資3400萬美元，在加州大學成立了傳感器網絡研究中心，并聯合加州大學伯克利分校和南加州大學等科研機構進行相關基礎理論的研究。

對傳感器的應用程度能夠大體反映出國家的科技和經濟實力。目前，從全球總體情況看，美國、日本等少數經濟發達國家占據了傳感器市場70%以上的份額，發展中國家所占份額相對較少。其中，市場規模最大的3個國家分別是美國、日本、德國，分別占據了傳感器市場整體份額的29.0%、19.5%、11.3%。未來，隨著發展中國家經濟的持續增長，對傳感器的研究與應用的需求也將大幅增加。

我國在20世紀的80~90年代將傳感器技術列入國家重點攻關項目，開展了以機械、力敏、氣敏、濕敏、生物敏為主的五大傳感器技術的研究，但是無線傳感器網絡的研究起步較晚，首次正式啟動出現于1999年。當年，中國科學院《知識創新工程試點領域方向研究》的“信息與自動化領域研究報告”將無線傳感器網絡列入該領域的五大重點項目之一。20世紀90年代后期到21世紀初，出現了基于現場總線技術的智能傳感器網絡，該網絡采用現場總線連接傳感控制器，構建局域網絡，其局部測控網絡通過網關和路由器可以實現與互聯網的無線連接，引起了國家建設和管理領域的重視。

無線傳感器網絡是涉及傳感器技術、網絡通信技術、無線傳輸技術、嵌入式技術、分布式計算技術、微電子制造技術、軟件編程技術等多學科交叉的研究領域，具有鮮明的跨學科研究特點。我國的中科院上海微系統與信息技術研究所、沈陽自動化研究所、軟件研究所、計算技術研究所、電子學研究所、自動化研究所和合肥智能機械研究所等科研機構，哈爾濱工業大學、清華大學、北京郵電大學、西北工業大學、天津大學和國防科技大學等院校在國內較早開展了傳感器網絡的研究，并取得了一定的研究成果。

無線傳感器網絡是物聯網的重要組成部分，正是有了更廣泛、更全面的互聯互通，物聯網的感知才更透徹、更具洞察力；有了更透徹的感知，自然就有了更綜合、更深入的智能。最早提出的傳感器網絡的經典應用當中就有將溫度傳感器用于森林防火的。如何從傳感器連續不斷的、枯燥乏味的溫度測量值中發現潛在的火災危險呢？可以定義溫度大于某個閾值是發生火災的標志，這可以算是最簡單的事件檢測算法。如果能從長期的溫度數據中挖掘模式，從看似不相關的氣象事件中挖掘聯系，這就體現了智能的不斷深入。

1.1.2 定義

無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的、自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，經過無線網絡發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三要素。無線傳感器網絡體系的結構如圖1-1所示。

無線傳感器網絡系統通常包括傳感器節點（sensor）、匯聚節點（sink node）和管理節點。大量傳感器節點隨機部署在監測區域（sensor field）內部或附近，能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節點監測的數據沿著其他傳感器節點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理，經過多跳后路由到匯聚節點，最后通過互聯網或衛星到達管理節點。用戶通過管理節點對傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據。傳感器網絡技術發展過程如表1-1所示。

無線傳感器網絡節點的組成和功能包括以下四個基本單元。

1）傳感單元：由傳感器和模-數轉換功能模塊組成，負責對感知對象的信息進行采集和數據轉換。

2）處理單元：由嵌入式系統構成，包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統等，負責控制整個節點的操作，存儲和處理自身采集的數據以及其他傳感器節點發來的數據。

3）通信單元：由無線通信模塊組成，負責實現傳感器節點之間以及傳感器節點與用戶節點、管理控制節點之間的通信，交互控制消息和收/發業務數據。

4）電源部分。

此外，可以選擇的其他功能單元包括：定位系統、運動系統以及發電裝置等。