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　　信息技術(shù)的發(fā)展使我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息的海量存儲(chǔ)、高速傳輸和快速處理。但是，對(duì)新信息的獲取卻仍未達(dá)到自動(dòng)化的水平，這就大大限制了人們對(duì)外部世界的實(shí)時(shí)反應(yīng)能力。近年來，隨著傳感器、計(jì)算機(jī)、無線通信、微機(jī)電等技術(shù)的發(fā)展和相互融合，人們終于可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)大范圍、自動(dòng)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(diǎn)通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)。它獨(dú)立于基站或移動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)在使用中是否移動(dòng)，可將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)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(diǎn)被隨機(jī)地或按一定要求布置在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，并根據(jù)用戶的要求，可對(duì)溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，或者感知物體的運(yùn)動(dòng)速度和方向等。在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，傳感器結(jié)點(diǎn)一般被安置在可移動(dòng)的物體上，如車輛或被監(jiān)測(cè)的動(dòng)物，它將隨物體的移動(dòng)而移動(dòng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)特殊結(jié)點(diǎn)，稱為匯聚(sink)結(jié)點(diǎn)，它是中心處理結(jié)點(diǎn)，也稱網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)。該結(jié)點(diǎn)可向區(qū)域內(nèi)的傳感器結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，并接收和處理傳感器結(jié)點(diǎn)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(diǎn)監(jiān)測(cè)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(bào)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(diǎn)，傳感器結(jié)點(diǎn)執(zhí)行命令并返回相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。與之對(duì)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(diǎn)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(duì)較小。

　　2. 硬件組成

　　傳感器結(jié)點(diǎn)的組成可以分為與應(yīng)用相關(guān)和與應(yīng)用相對(duì)獨(dú)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(diǎn)平臺(tái)，包括計(jì)算部件、存儲(chǔ)部件、通信部件、電源部件等。隨著微電子技術(shù)、微機(jī)械加工技術(shù)、高能電池技術(shù)的發(fā)展，傳感器結(jié)點(diǎn)的體積將越來越小，功耗越來越少，價(jià)格也會(huì)越來越低，而計(jì)算能力將越來越強(qiáng)，最終達(dá)到所謂“智能塵埃”的水平。這些廉價(jià)的微小結(jié)點(diǎn)可以大規(guī)模地部署到各類特殊環(huán)境中，對(duì)目標(biāo)形成全方位的連續(xù)監(jiān)測(cè)，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(diǎn)的軟件系統(tǒng)可分為三個(gè)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(shí)等，主要為應(yīng)用提供所需的系統(tǒng)服務(wù)；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用所需的功能，包括對(duì)來自多個(gè)傳感器結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合等。

　　4. 系統(tǒng)特點(diǎn)

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

　　● 專用 傳感器網(wǎng)絡(luò)是針對(duì)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(diǎn)間通信不依賴于固定的通信基礎(chǔ)設(shè)施。傳感器結(jié)點(diǎn)通過分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)結(jié)點(diǎn)的移動(dòng)、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(gè)甚至上萬個(gè)結(jié)點(diǎn)。

　　● 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(diǎn)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(diǎn)移動(dòng)帶來的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓猓瑐鞲衅鹘Y(jié)點(diǎn)的功率控制和剩余電量下降等因素也會(huì)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(diǎn)可能進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而引起工作結(jié)點(diǎn)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(gè)傳感器結(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，傳感器結(jié)點(diǎn)不必具有全球惟一的標(biāo)識(shí)，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(gè)結(jié)點(diǎn)，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(huì)出現(xiàn)離處理中心越近，結(jié)點(diǎn)負(fù)載越重的現(xiàn)象。

　　● 結(jié)點(diǎn)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(diǎn)能將來自多個(gè)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(shí)間，減輕處理中心的負(fù)載。

　　● 結(jié)點(diǎn)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(diǎn)在供電、計(jì)算、存儲(chǔ)、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(jià)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(huì)制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)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(duì)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(gè)重要研究領(lǐng)域，設(shè)立了一系列研究項(xiàng)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(diǎn)項(xiàng)目，展開了相關(guān)的研究工作，目前不少部門已啟動(dòng)相關(guān)的研究工作，我們應(yīng)抓住機(jī)遇，加強(qiáng)科技界和產(chǎn)業(yè)界的合作，推動(dòng)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。