1.2 無線傳感器網絡的應用領域

無線傳感器網絡可以廣泛應用于經濟社會發展的各個領域，引發和帶動生產力、生產方式和生活方式的深刻變革，成為經濟社會綠色、智能、可持續發展的關鍵基礎和強大助推器。無線傳感器網絡的應用前景非常廣闊，能夠廣泛適用于軍事、環境監測和預報、健康護理、智能交通、建筑物狀態監控、空間探索，以及機場、大型工業園區的安全監測等領域。

1.2.1 軍事

無線傳感器網絡最早就是從軍事應用起步的。在戰爭中，指揮員往往需要及時準確地了解部隊、武器裝備和軍用物資的供給情況，鋪設的無線傳感器網絡將采集相應的信息，并通過匯聚節點將數據傳送至指揮部，最后融合來自各戰場的數據形成完備的戰區態勢圖（見圖1-2）。

在戰爭中，對沖突區和軍事要地的監視也是至關重要的。通過鋪設傳感器網絡，以更隱蔽的方式近距離地觀察敵方的布防；當然也可以直接將傳感器節點撒向敵方陣地，在敵方還未來得及反應時迅速收集利于作戰的信息。無線傳感器網絡也可以為火控和制導系統提供準確的目標定位信息。在生物和化學戰中，利用無線傳感器網絡及時、準確地探測爆炸中心，為軍方提供寶貴的反應時間，從而最大可能地減少傷亡，同時也可避免核反應部隊直接暴露在核輻射的環境中。

美國國防部較早開始啟動無線傳感器網絡的研究，將其定位于指揮、控制、通信、計算機、打擊、情報、監視、偵察系統不可缺少的一部分。自2001年起，DARPA已投資幾千萬美元，幫助大學進行“智能塵埃”傳感器技術的研發。美國軍方采用Crossbow公司的傳感器節點，構建了槍聲定位系統。傳感器節點部署在目標建筑物周圍，系統能夠有效地自組織構成監控網格，監測突發事件（如槍聲、爆炸等）的發生，為救護、反恐提供了有力支持。美國科學應用國際公司采用無線傳感器網絡構建了一個電子防御系統，為美國軍方提供軍事防御和情報信息。該系統采用多個微型磁力計傳感器來探測監測區域中是否有人攜帶槍支、是否有車輛行駛，同時，該系統利用聲音傳感器監測車輛或者人群的移動方向。

除美國外，日本、英國、意大利、巴西等很多國家也對無線傳感器網絡的軍事應用表現出極大的興趣，并各自開展了該領域的研究工作。

1.2.2 環境

隨著人們對于環境的日益關注，環境科學所涉及的范圍越來越廣。無線傳感器網絡在環境研究方面可用于監視農作物灌溉、土壤質量、地表監測、氣象和地理、洪水監測等，還可以通過跟蹤鳥類、動物和昆蟲等，進行種群復雜度的研究。

基于無線傳感器網絡的預警系統中有數種傳感器用來監測降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預測暴發山洪的可能性。類似地，無線傳感器網絡可實現森林環境監測和火災報告，傳感器節點被隨機分布在森林中，平常狀態下定期報告森林環境數據，當發生火災時，這些傳感器節點通過協同合作會在很短的時間內將火源的具體地點、火勢的大小等信息傳遞給相關部門。

無線傳感器網絡還有一個重要的應用就是生態多樣性的描述，能夠對動物棲息地的生態進行監測。美國加州大學伯克利分校和大西洋學院聯合在大鴨島（Great Duck Island）上部署了一個多層次的無線傳感器網絡系統，用來監視島上海燕的生活習性。

1.2.3 醫療

無線傳感器網絡也被應用于多種醫療保健系統中，包括監測患有帕金森病、癲癇、心臟病的病人，監測中風或心臟病康復者和老人的情況。開發可靠且不易被察覺的健康監護系統，穿戴在病人身上，醫生通過無線傳感器網絡的預警和報警及時實施醫療干預，降低了醫療延誤，也減輕了人力監護的工作強度。

無線傳感器網絡在醫療衛生和健康護理等方面具有廣闊的應用前景，包括對人體生理數據的無線檢測、對醫院醫護人員和患者進行追蹤和監控、醫院的藥品管理、貴重醫療設備放置場所的監測等，被看護對象也可以通過隨身裝置向醫護人員發出求救信號。

無線傳感器網絡的遠程醫療管理，使在家養病的病人或住院者在病房外活動時，醫生仍然可以對其進行定位、跟蹤，及時獲取其生理指標參數，減少了病人就醫的奔波勞累，也提高了醫院病房的利用率。無線傳感器網絡為未來更發達的遠程醫療提供了更加方便、快捷的技術手段。智能醫療系統如圖1-3所示。

1.2.4 交通

現有的城市交通管理基本是自發進行的，每個駕駛人根據自己的判斷選擇行車路線，交通信號標志僅僅起到靜態的、有限的指導作用，這導致城市道路資源未能得到最高效率的運用，由此產生不必要的交通擁堵甚至癱瘓。據統計，目前我國交通擁堵造成的損失占GDP的1.5%~4%。

無線傳感器網絡技術的發展為智能交通提供了更透徹的感知，道路基礎設施中的傳感器和車載傳感設備能夠實時監控交通流量和車輛狀態，通過泛在移動通信網絡將信息傳送至管理中心，進行及時干預；通過智能化的交通管理和調度機制充分發揮道路基礎設施的效能，最大化交通網絡流量并提高安全性，從而優化人們的出行體驗。智能交通系統如圖1-4所示。

展望一下未來的交通，所有的車輛都能夠預先知道并避開交通堵塞，沿最快捷的路線到達目的地，減少二氧化碳的排放；擁有實時的交通和天氣信息，能夠隨時找到最近的停車位，甚至車輛可以在大部分的時間內實現自動駕駛，而乘客們可以在旅途中欣賞在線電視節目。

1.2.5 建筑工程與建筑物

目前，建筑結構往往呈現復雜化和大型化的特點，因此大型建筑結構的安全問題引起了人們的高度重視，科研人員考慮利用無線傳感器網絡進行大型建筑物的結構安全監測。美國紐約新建的世貿中心（World Trade Center）充分運用了無線傳感器網絡技術對建筑物進行全方位的監測和管理。

各類大型工程的安全施工及監控是建筑設計單位長期關注的問題。采用無線傳感器網絡，可以讓大樓、橋梁和其他建筑物能夠自身感覺并意識到它們的狀況，使得安裝了傳感器網絡的智能建筑自動“告訴”管理部門它們的狀態信息，從而可以讓管理部門按照優先級進行定期的維修工作。例如，壓電傳感器、加速度傳感器、超聲傳感器、濕度傳感器等，可以有效地構建一個三維立體的防護檢測網絡，該系統可用于監測橋梁、高架橋、高速公路等道路環境。

利用多種智能傳感器，如光纖光柵傳感器、壓電薄膜傳感器、形狀記憶合金傳感器、疲勞壽命傳感器、加速度傳感器等可以進行建筑結構的監測。對許多老舊的橋梁、長期受到水流沖刷的橋墩，傳感器能夠放置在橋墩底部，用以監測橋墩結構；也可放置在橋梁兩側或底部，搜集橋梁的溫度、濕度、振動幅度、橋墩被侵蝕程度等，從而減少斷橋所造成的生命和財產的損失。橋梁監測系統如圖1-5所示。

1.2.6 智能建筑與市政建設管理

傳統的暖通空調（Heating，Ventilating and Air Conditioning，HVAC）系統不具備實時監控不同部位環境信息的功能，而將無線傳感器網絡技術應用到HVAC系統中，在不同空間安裝檢測環境信息的傳感器，并與空調控制系統合理聯通，可構成具有控制功能的無線傳感器網絡。按照需求調節環境參數，不但節能，還降低了建筑安裝成本，更加體現了建筑的智能化和人性化。

無線傳感器網絡在消防聯動與安保控制系統中也有廣泛的應用前景。采用無線傳感器網絡技術，將消防與安保控制系統中各種報警與探測傳感器組合，將大大加快智能建筑的消防聯動控制子系統與安保自動化子系統的網絡化、數字化、智能化進程。

無線傳感器網絡亦可用于公共照明控制子系統、給排水設備控制子系統中的各種參數的測量與控制。另外，無線傳感器網絡在智能家居中有著廣闊的應用前景，智能家居系統的設計目標是將住宅中的各種家居設備聯系起來，使它們能夠自動運行、相互協作，為居住者提供盡可能多的便利和舒適。

在市政管理和建設方面，無線傳感器網絡也發揮著越來越重要的作用。困擾城市的地下通道、交通涵洞和立交橋下的積水問題，造成了車輛損失甚至生命損失。過去是雨天派人守候，把情況上報，全人力的控制、預警和調度的工作量很大，環節較多，容易引發問題。而研發和使用無線傳感器網絡控制系統，傳感器預警水位，再將數據無線傳輸給調度中心，同時聯動相關的變頻水泵工作，會使復雜工作變得簡便和安全。

無線傳感器網絡的使用可節約能耗、降低勞動強度、減少操作危險性和節省勞動成本。傳感器分類及常用元器件如表1-2所示。