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　　信息技術(shù)的發(fā)展使我們實現(xiàn)了對信息的海量存儲、高速傳輸和快速處理。但是，對新信息的獲取卻仍未達(dá)到自動化的水平，這就大大限制了人們對外部世界的實時反應(yīng)能力。近年來，隨著傳感器、計算機、無線通信、微機電等技術(shù)的發(fā)展和相互融合，人們終于可以實時監(jiān)測外部環(huán)境，實現(xiàn)大范圍、自動化的信息采集了，這就是――

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）是由大量低成本且具有傳感、數(shù)據(jù)處理和無線通信能力的傳感器結(jié)點通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)。它獨立于基站或移動路由器等基礎(chǔ)通信設(shè)施，通過分布式協(xié)議自組成網(wǎng)絡(luò)。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量無線傳感器結(jié)點互連而成，是傳感器向微型化、智能化和無線通信化的延伸。根據(jù)傳感器結(jié)點在使用中是否移動，可將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)和動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，其中大多數(shù)是靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)。在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，傳感器結(jié)點被隨機地或按一定要求布置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，并根據(jù)用戶的要求，可對溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測量，或者感知物體的運動速度和方向等。在動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，傳感器結(jié)點一般被安置在可移動的物體上，如車輛或被監(jiān)測的動物，它將隨物體的移動而移動。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有一個特殊結(jié)點，稱為匯聚(sink)結(jié)點，它是中心處理結(jié)點，也稱網(wǎng)關(guān)結(jié)點。該結(jié)點可向區(qū)域內(nèi)的傳感器結(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，并接收和處理傳感器結(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)。如圖1所示。

圖1 傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖

　　1.應(yīng)用模式

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用模式可分為兩類，一類是傳感器結(jié)點監(jiān)測環(huán)境狀態(tài)的變化或事件的發(fā)生，將發(fā)生的事件或變化的狀態(tài)報告給管理中心；一類是由管理中心發(fā)布命令給某一區(qū)域的傳感器結(jié)點，傳感器結(jié)點執(zhí)行命令并返回相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。與之對應(yīng)的，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信模式也主要有兩種，一是傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾碇行模Q為多到一通信模式；一是管理中心向區(qū)域內(nèi)的傳感器結(jié)點發(fā)布命令，稱為一到多通信模式。前一種通信模式的數(shù)據(jù)量大，后一種則相對較小。

　　2. 硬件組成

　　傳感器結(jié)點的組成可以分為與應(yīng)用相關(guān)和與應(yīng)用相對獨立兩部分，如圖2所示。前一部分包括傳感部件、模-數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）部件等；后一部分又稱為結(jié)點平臺，包括計算部件、存儲部件、通信部件、電源部件等。隨著微電子技術(shù)、微機械加工技術(shù)、高能電池技術(shù)的發(fā)展，傳感器結(jié)點的體積將越來越小，功耗越來越少，價格也會越來越低，而計算能力將越來越強，最終達(dá)到所謂“智能塵埃”的水平。這些廉價的微小結(jié)點可以大規(guī)模地部署到各類特殊環(huán)境中，對目標(biāo)形成全方位的連續(xù)監(jiān)測，并將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給處理中心或相應(yīng)的用戶。因此，這種技術(shù)在諸多領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖2 無線傳感器原理圖

　　3. 軟件系統(tǒng)

　　傳感器結(jié)點的軟件系統(tǒng)可分為三個層次：操作系統(tǒng)層、系統(tǒng)服務(wù)層、應(yīng)用層，如圖3所示。操作系統(tǒng)層提供硬件訪問接口和任務(wù)執(zhí)行環(huán)境；系統(tǒng)服務(wù)層包括網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、能量管理、定位與定時等，主要為應(yīng)用提供所需的系統(tǒng)服務(wù)；應(yīng)用層實現(xiàn)特定應(yīng)用所需的功能，包括對來自多個傳感器結(jié)點的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合等。

　　4. 系統(tǒng)特點

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動自組網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad hoc Network，MANET）有類似之處，但又各具特點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的特點如下：

　　● 專用 傳感器網(wǎng)絡(luò)是針對某種數(shù)據(jù)采集需求而專門建立的。

　　● 自組織 網(wǎng)絡(luò)的建立和結(jié)點間通信不依賴于固定的通信基礎(chǔ)設(shè)施。傳感器結(jié)點通過分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)能夠自動調(diào)整以適應(yīng)結(jié)點的移動、加入和退出、剩余電量和無線傳輸范圍的變化等。

　　● 規(guī)模大 傳感器網(wǎng)絡(luò)可能包含多達(dá)上千個甚至上萬個結(jié)點。

　　● 高冗余 為了保證網(wǎng)絡(luò)的可用性和生存能力，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有較高的結(jié)點和網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余，以及采集的數(shù)據(jù)冗余。

　　● 拓?fù)湟鬃兓?除了結(jié)點移動帶來的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓猓瑐鞲衅鹘Y(jié)點的功率控制和剩余電量下降等因素也會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓Ａ硗猓鶕?jù)應(yīng)用需要，網(wǎng)絡(luò)中有些結(jié)點可能進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而引起工作結(jié)點在數(shù)目和分布上的變化，導(dǎo)致拓?fù)涓淖儭?

　　● 空間位置尋址 傳感器網(wǎng)絡(luò)一般不需要支持任意兩個傳感器結(jié)點之間的點對點通信，傳感器結(jié)點不必具有全球惟一的標(biāo)識，不必采用Internet的IP尋址。用戶往往不關(guān)心數(shù)據(jù)采集于哪一個結(jié)點，而關(guān)心數(shù)據(jù)所屬的空間位置，因此可采取空間位置尋址方式。

　　● 流量不均衡 傳感器網(wǎng)絡(luò)中流向處理中心的數(shù)據(jù)量往往遠(yuǎn)大于反方向的流量。數(shù)據(jù)流向處理中心并在處理中心集中，會出現(xiàn)離處理中心越近，結(jié)點負(fù)載越重的現(xiàn)象。

　　● 結(jié)點數(shù)據(jù)融合 傳感器網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸過程中，通常要求中間結(jié)點能將來自多個傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，再傳送給處理中心。數(shù)據(jù)融合可以減少冗余數(shù)據(jù)，節(jié)省通信所帶來的電能消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間，減輕處理中心的負(fù)載。

　　● 結(jié)點能力有限 由于低成本、低能耗、體積小、野外部署等要求，傳感器結(jié)點在供電、計算、存儲、通信等方面的能力比較受限。

　　由于傳感器網(wǎng)絡(luò)潛在的巨大應(yīng)用價值，它已經(jīng)引起了世界各國的軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。2003年，美國自然科學(xué)基金委員會制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃，投資3400萬美元，支持相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究。美國加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院等一批高校分別開展了傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。美國國防部也對傳感器網(wǎng)絡(luò)給予了高度重視，把傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個重要研究領(lǐng)域，設(shè)立了一系列研究項目。Intel、微軟等信息業(yè)巨頭也開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)方面的工作。我國自然科學(xué)基金在2004年度也設(shè)置了傳感器網(wǎng)絡(luò)的重點項目，展開了相關(guān)的研究工作，目前不少部門已啟動相關(guān)的研究工作，我們應(yīng)抓住機遇，加強科技界和產(chǎn)業(yè)界的合作，推動我國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的技術(shù)快速發(fā)展及推廣應(yīng)用。