無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。wsN綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信、分布式信息處理等技術(shù)，可以使人們?cè)谌魏螘r(shí)間、地點(diǎn)和任何環(huán)境下獲取大量詳實(shí)可靠的信息，從而真正實(shí)現(xiàn)“無(wú)處不在”的計(jì)算理念。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會(huì)給人類的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。20世紀(jì)80—90年代，傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究依舊主要在軍事領(lǐng)域進(jìn)行，并稱為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)思想中的關(guān)鍵技術(shù)。1999年，《商業(yè)周刊》將其列為21世紀(jì)最重要的21項(xiàng)技術(shù)之一。進(jìn)入21世紀(jì)后，WSN受到了更多的關(guān)注，并在多種應(yīng)用方面取得了重大進(jìn)展。

　 1.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　在發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)，非常重視無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，IEEE正在努力推進(jìn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，美國(guó)的學(xué)術(shù)界和工業(yè)界聯(lián)合創(chuàng)辦了傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)(sensor Network consonium)，期望能促進(jìn)傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)。美國(guó)的《技術(shù)評(píng)論》雜志在論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來(lái)新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》預(yù)測(cè)的未來(lái)四大新技術(shù)中，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)也列入其中。

　　我國(guó)現(xiàn)代意義的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究首次正式出現(xiàn)于1999年中國(guó)科學(xué)院《知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》的《信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告》中，作為該領(lǐng)域提出的五個(gè)重大項(xiàng)目之一。但是我國(guó)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比還很少。就當(dāng)前而言，國(guó)內(nèi)研究主要集中在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，仿真計(jì)算等領(lǐng)域，在軍事和民用應(yīng)用方面的研究還比較少，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用也不多見(jiàn)。

　　在“中國(guó)未來(lái)20年技術(shù)預(yù)見(jiàn)研究”中總共157個(gè)技術(shù)課題，其中有7項(xiàng)是直接論述傳感網(wǎng)絡(luò)的。2006年初發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術(shù)確定了三個(gè)前沿方向，其中兩個(gè)與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究直接相關(guān)，即智能感知技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)�？梢灶A(yù)計(jì)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的廣泛使用是一種必然趨勢(shì)，它的出現(xiàn)將會(huì)給人類社會(huì)帶來(lái)極大的變革。

　 2.基本理論

　　無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的基于任務(wù)的平臺(tái)，其必不可少的三要素是傳感器、感知對(duì)象和觀察者。傳感器對(duì)感知對(duì)象進(jìn)行感知，然后將感知結(jié)果發(fā)送給觀察者。

　　從功能實(shí)現(xiàn)角度分析，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由嵌人式設(shè)備、傳感器和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成嵌入式設(shè)備作為分布式監(jiān)控和通信的載體；傳感器測(cè)試大干世界的信息，轉(zhuǎn)換可操作信號(hào)；網(wǎng)絡(luò)作為所有設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)，相互協(xié)作，完成復(fù)雜的任務(wù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指在環(huán)境中布置的傳感器節(jié)點(diǎn)以無(wú)線通信的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)傳感區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過(guò)組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過(guò)多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)作為控制中心，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)供用戶瀏覽和處理。隨機(jī)分布的集成有感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，借助節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的形式多樣的傳感器測(cè)量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)地震波信號(hào)，從而探測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多我們感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。在通信方式上，一般可以采用有線、無(wú)線、紅外、光等多種形式，但一般認(rèn)為短距離的無(wú)線通信技術(shù)最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)使用，一般稱作無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

　　綜上所述，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)以無(wú)線通信方式相互連接，可以感知、采集和處理監(jiān)測(cè)區(qū)域的信息，并將結(jié)果發(fā)送給觀測(cè)者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將邏輯上的信息世界和客觀上的物理世界融合在一起，改變了人與自然界的交互方式，它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、軍事、安全、醫(yī)療、空間探測(cè)等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

　 3.應(yīng)用

　　無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有無(wú)需固定設(shè)備支撐的特點(diǎn)，可以快速部署同時(shí)具有易于組網(wǎng)、不受有線網(wǎng)絡(luò)的約束，使其適合應(yīng)用于難以使用傳統(tǒng)有線通信機(jī)制的惡劣環(huán)境，比如一些危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境如煤礦、核電廠等，工作人員可以通過(guò)它來(lái)實(shí)施實(shí)時(shí)、高效的安全監(jiān)測(cè)；同時(shí)無(wú)線傳感器可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收方式給環(huán)境帶來(lái)的侵人式破壞，因此可以被應(yīng)用于水資源、大氣等環(huán)境檢測(cè)；隨著無(wú)線終端設(shè)備的廣泛使用，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)利用無(wú)線通信技術(shù)高效的進(jìn)行異構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)互連，數(shù)據(jù)處理和融合，可被廣泛地應(yīng)用于城市交通、大型公共活動(dòng)等社會(huì)信息化服務(wù)的各個(gè)領(lǐng)域。

　　(1)現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用

　　煤礦系統(tǒng)或電力系統(tǒng)等廣泛采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用微功耗單片機(jī)、溫度傳感器和無(wú)線通訊芯片技術(shù)，內(nèi)置電池，價(jià)格便宜，安裝簡(jiǎn)易，廣泛應(yīng)用于電力、高壓等危險(xiǎn)行業(yè)的溫度監(jiān)測(cè)。如無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有自組織、多跳式通信組網(wǎng)功能和在布網(wǎng)組網(wǎng)的高度靈活性，可望解決井下無(wú)線通信距離有限這一瓶頸；并可將瓦斯傳感器、溫度監(jiān)測(cè)傳感器與定位節(jié)點(diǎn)相結(jié)合，能將井下作業(yè)區(qū)的多種環(huán)境參數(shù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到救援系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控翻。

　　(2)農(nóng)業(yè)信息化應(yīng)用

　　我國(guó)作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家和傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)信息技術(shù)有著巨大的應(yīng)用空間和廣闊的發(fā)展前景�，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)是與信息化同步的農(nóng)業(yè)，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，必須積極利用現(xiàn)代信息科技的發(fā)展成果，加快農(nóng)業(yè)信息化進(jìn)程。我們需要將成熟的信息技術(shù)逐步引入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中。如可設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能的溫室信息采集設(shè)備，符合農(nóng)業(yè)設(shè)施實(shí)踐中信息采集的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)現(xiàn)代通訊技術(shù)等相關(guān)先進(jìn)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，有利于推動(dòng)溫室技術(shù)設(shè)備的大面積推廣，縮小與國(guó)外技術(shù)的差距，加快我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。

　　(3)軍事應(yīng)用

　　由于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機(jī)分布的特點(diǎn)，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)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(xué)攻擊等多方面用途。美國(guó)國(guó)防部對(duì)這類項(xiàng)目進(jìn)行了廣泛的支持。俄亥俄州正在開(kāi)發(fā)“沙地直線”(ALine in山e sand)，就是一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)能夠散射電子絆網(wǎng)(tripwire)到任何地方，也就是到整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)，以偵測(cè)運(yùn)動(dòng)的高金屬含量目標(biāo)。這種能力意味著一個(gè)特殊的軍事用途，例如偵察和定位敵軍坦克和其它車輛。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，預(yù)示著為戰(zhàn)場(chǎng)上帶來(lái)新的電子眼和電子耳，“能夠在未來(lái)幾十年內(nèi)變革戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境”。

　　(4)環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用

　　隨著人們對(duì)環(huán)境的日益關(guān)注，環(huán)境科學(xué)所涉及的范圍越來(lái)越廣泛。通過(guò)傳統(tǒng)的方式采集原始數(shù)據(jù)是一件很困難的工作。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外隨機(jī)性的數(shù)據(jù)獲取提供了方便。比如，跟蹤候鳥(niǎo)和昆蟲(chóng)的遷移，研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響，監(jiān)測(cè)海洋、大氣和土壤的成分等。ALERT系統(tǒng)中就有數(shù)種傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預(yù)測(cè)爆發(fā)山洪的可能性。類似地，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)森林火災(zāi)準(zhǔn)確、及時(shí)地預(yù)報(bào)也應(yīng)該是有幫助的。此外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，以監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的害蟲(chóng)、土壤的酸堿度和施肥狀況等。

　　(5)智能家居

　　家用自動(dòng)化：隨著科技發(fā)展，智能傳感器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)器被內(nèi)置于打印機(jī)、掃描儀、真空吸塵器、微波爐、冰箱和錄像機(jī)等家電或家具中。這些內(nèi)置在家電或家具里的傳感器節(jié)點(diǎn)相互作用能通過(guò)Intemet或衛(wèi)星構(gòu)成內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)。終端用戶通過(guò)它們可以更容易的遠(yuǎn)程或本地管理家用電器，了解它們提供的服務(wù)，例如打印、掃描、傳真等。另一個(gè)智能環(huán)境的例子是喬治敦科技學(xué)院的家庭型實(shí)驗(yàn)室。在這個(gè)環(huán)境中的感知和計(jì)算是可靠、持續(xù)、透明的。

　 4.展望

　　在人、物和事件之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接曾經(jīng)似乎遙不可及，但現(xiàn)在這種局面已經(jīng)徹底改變。由于在傳感器、計(jì)算和通信技術(shù)領(lǐng)域取得的快速進(jìn)步，互聯(lián)世界已不再僅限于互聯(lián)網(wǎng)的廣泛使用，一些全新的應(yīng)用將把強(qiáng)大的計(jì)算能力和無(wú)線通信能力帶入我們的日常生活。無(wú)線傳感技術(shù)最終將成熟到允許物理世界和虛擬世界進(jìn)行無(wú)縫互連。

　　總體上來(lái)講，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新興技術(shù)，國(guó)內(nèi)與國(guó)際水平的差距并不很大，及時(shí)開(kāi)展這項(xiàng)對(duì)人類未來(lái)生活影響深遠(yuǎn)的前沿科技的研究，對(duì)整個(gè)國(guó)家的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)將有重大的戰(zhàn)略意義。 

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本文標(biāo)題：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究與應(yīng)用

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