無線傳感網概述

陳　昊

（中國勞動關系學院，北京　100044）

無線傳感網概述

陳昊

（中國勞動關系學院，北京100044）

無線傳感網作為多學科交叉的一個研究方向，已獲得了國內外眾多學者的關注。隨著研究的深入和相關技術的發展，無線傳感器網絡被廣泛地應用到各個領域，并表現出巨大的潛力。本文從無線傳感網的結構、應用和研究現狀三方面總結了無線傳感網的發展。

無線傳感網；監測；應用

本文著錄格式：陳昊. 無線傳感網概述[J]. 軟件，2016，37（9）：105-108

0　引言

無線傳感器網絡簡稱無線傳感網（Wireless Sensor Network，WSN）是當前在國際上備受關注的、多學科高度交叉的、應用廣泛的前沿熱點研究領域[1]。無線傳感網技術被認為是21世紀最重要的技術之一，將對人類的生活方式產生巨大的影響。2008年，美國《福布斯》指出未來的無線傳感網要比現在的Internet大得多，無線傳感網正由高科技概念逐步走向大規模應用，它的發展和廣泛應用將對人們的社會生活和產業變革帶來極大的影響，并產生巨大的推動力[2]。

作為一種全新的信息獲取和處理方式，傳感網受到了國內外學術界和工業界的高度重視。1998年，美國國防部提出“智能塵埃”的概念，最先開始了無線傳感網技術的研究，主要應用于軍事領域。2009年1月，IBM首席執行官彭明盛首次提出“智慧地球”的概念，2009年2月，奧巴馬簽署生效的《美國恢復和再投資法案》提出要在智能電網投資110億美元、衛生醫療投資190億美元、教育信息技術投資6.5億美元，這些投資都與無線傳感網技術相關，是奧巴馬政府推動經濟復蘇和塑造國家競爭力的重點[2]。2009年惠普公司的“地球中樞系統”（Central Nervous System for the Earth，EcNSE）旨在創建新的信息生態系統所需技術的數學和物理基礎，預計將在全球范圍內安裝一萬億個微型傳感器。

我國無線傳感器網絡及其應用研究幾乎與發達國家同步啟動，首次正式出現于1999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”中。初步具備了一定的技術、產業和應用基礎，呈現出良好的發展態勢。我國2010年遠景規劃和“十五”計劃中都將無線傳感網列為重點發展的產業之一。在這些項目的支持下，許多高校和科研機構紛紛開展有關無線傳感網的理論研究和應用實踐[3-5]，取得了一系列的研究成果。

1　無線傳感網

一個典型的無線傳感網的體系結構如圖1-1所示，包括傳感器節點、匯聚節點（即sink節點）、通信網絡和數據中心。傳感器節點隨機或有規律地部署在觀測區域，以多跳自組織的方式組成網絡。sink節點負責對傳感器節點發來的數據分類匯總，通過通信網絡將數據傳至監控中心[1]。

圖1　-1　典型的無線傳感網體系結構

2　無線傳感網的應用

隨著微電子技術的發展，微處理器的體積不斷縮小，價格日益下降，使得無線傳感網的廣泛應用成為可能。目前，在土遺址保護監測[6-9]、環境監測[10]、城市交通[11]、目標跟蹤[12]、智能家居[13]、軍事偵察[14]、野生動植物保護[15]等多個領域有著廣泛的應用。

（1）土遺址保護監測

土遺址材質源于夯土，經過千百年環境侵蝕，其中的很大部分面臨垮塌毀滅的危險。研究表明，自然環境是造成土遺址基體受損的主要原因，對土遺址狀態影響巨大。無線傳感網監測系統能夠協作采集網絡區域內環境或監測對象的多樣信息并進行綜合處理，實現動態監測，可以及時發現由于自然環境及外力導致的形變、下沉等隱患，這些細微的變形、裂縫可能導致土遺址的坍塌、毀滅，通過調節環境及人為干涉進行預防性保護。

（2）軍事偵察

軍事應用是無線傳感網最早應用的領域。無線傳感網具備隨機部署、自組織、無需人工干預的特點，非常適合監視作戰區域，能夠對敵方兵力、武器、作戰環境進行實時監控，同時能實現目標定位與追蹤，為戰略決策提供準確有效的依據。

（3）環境監測

環境監測系統是無線傳感網的典型應用場合。隨著人類對環境日益關注，環境監測人員需要實時獲得大量監測區域數據，進行有效的分析和預測。由于監測區域環境的復雜，可能出現極其惡劣、有毒或有害的情況，現場采樣會損害監測人員的健康，另外通過現場采樣-實驗室分析的方式存在較大的數據分析延遲問題，不能對環境情況進行實時分析和預測。無線傳感網技術的應用實現了對環境信息的實時采集、監測、處理和分析預測，同時提高環境監測效率與安全性。無線傳感網的應用使得在野外惡劣環境中隨機、實時獲取數據成為可能[16]。

（4）野生動植物保護

近年，由于環境的惡化，人類的亂捕濫獵以及人類活動范圍的不斷擴大，野生動植物生境受到愈來愈嚴重的威脅。據世界《紅皮書》統計，20世紀有110個種和亞種的哺乳動物以及139種和亞種的鳥類在地球上消失了。近年來，全世界每天有75個物種滅絕，每小時有3個物種滅絕。由此推算，在未來50年中，地球陸地上四分之一的動物和植物將遭到滅頂之災。各種野生動植物的生存正在面臨著各種各樣的威脅，針對野生動植物保護展開野生動植物行為規律的研究越來越迫切。無線傳感網在大范圍野生動植物監測中極具優勢，研究者可以在不干擾動植物正常生活的情況下，長期、實時、協作的采集監測區域環境和野生動植物活動信息。

（5）智能家居

智能家居是指在小區內部寬帶網絡己經普及的基礎上利用小區內部的網絡環境搭建的以家庭為單位的控制系統，其目的是為住戶提供以住宅為平臺，兼備網絡通信、信息家電、設備自動化，集系統、服務、管理于一體的高效、舒適、安全、便利的居住環境。具體實現為在家具家電中嵌入傳感器芯片，使它們與網絡互連，通過一定媒介構成與外界的通訊通道，利用語音與遠程遙控技術監測控制家庭范圍中家具與電器的狀態。

（6）其它應用

無線傳感網還可以應用于其它一些領域，包括智能電網、農業灌溉自動化控制、藥品管理、遠程醫療、預警監測和緊急救援等。2004年，文獻[17]研究運用無線傳感網技術監測厄瓜多爾中部的Tangurahua火山，通過對振動傳感器采集到的數據進行分析判斷火山的活動情況。文獻[18]研究了運用無線傳感網技術實現洪水預警。

3　國內外研究現狀

目前，針對無線傳感網的研究已進入面向應用的整體解決方案階段，側重于對節點群體行為的研究，如跨層協同設計、能量管理與優化調度、服務質量保障、網內信息處理等[2]。具有代表性的計劃有美國的“智慧地球”、日本的“u-Japan”、韓國的“IT839”和中國的“感知中國”。

（1）國外研究現狀

2003年，美國科學基金委員會制定了無線傳感器網絡研究計劃，領域涉及智能感知有毒化學物品、生物攻擊等的傳感器節點、分布式環境下傳感器網絡的特性等問題。2005年，對系統和網絡技術的研究計劃中，主要探討下一代高可靠性、高安全性的可擴展網絡，以及可編程的無線網絡和傳感器系統的網絡特征，資助金額高達4000萬美金。2007年美國國家自然科學基金會（NSF）資助的CitySense項目，監控城市的天氣和環境污染，目標是打造世界上第一個能夠在整個城市范圍內實時傳送傳感器數據的無線網絡。除此之外，美國能源部、交通部、國家航空航天局也相繼啟動了相關項目的研究工作。在美國，幾乎各大著名院校都有相關的研究小組，專門從事無線傳感器網絡的相關技術研究。哈佛大學[19]、麻省理工學院[20]、加州大學伯克利分校[21]、康奈爾大學[22]等在無線傳感器網絡研究領域的成績較為突出。英國、加拿大、意大利、日本和德國等國家的科研組織也相繼展開了對無線傳感器網絡內容的研究。歐洲聯盟的France Telecom、Philips、Ericsson、Siemens等公司，日本的歐姆龍、NEC、OKI等公司也對無線傳感器網絡進行了深入討論。

（2）國內研究現狀

我國非常重視無線傳感網的研究和發展，國內的許多科研機構，如中科院計算所[23]、清華大學[24]、哈爾濱工業大學[25]、北京大學[26]、國防科技大學[27-28]、浙江大學[29]、復旦大學[30]、北京航空航天大學[31]、北京郵電大學[32]等，從2002年開始在傳感器數據管理系統、時間同步和定位方面展開了深入的研究工作。西北大學在此方面也開展了一系列工作，對嵌入式無線傳感器網絡節點、無線傳感器中的定位等技術進行了探討。與此同時，大量的企業也逐步開始關注無線傳感器網絡技術的發展，推出了多種針對于無線傳感器網絡的解決方案。

最近幾年主要的項目有2008年工信部資助的多個企業、高校和研究所共同參與的“新一代寬帶無線移動通信網”重大專項，目標是研制具有海量通信能力的新一代寬帶蜂窩移動通信系統、近距離無線互連系統與傳感器網絡，加大科技成果的商業應用。2010年科技部資助的國家重點基礎研究發展計劃項目（即973項目），以無線傳感網關鍵核心技術及重點產品的研發和產業化為重點，開展重點領域的應用示范和推廣，以促進傳感網在環境監測、智能家居、工業控制等領域的應用[2]。2010年，正式獲準立項由我國參與主導提出的傳感器網絡協同信息處理國際標準，在同一年，全球首顆二維碼解碼芯片由我國企業研制出，研發的光纖傳感器具有國際領先水平。2011年眾多高校和研究所承擔的國家863計劃“三網融合演進技術與系統研究”，以自主創新為核心，引領和支撐三網融合發展、推動國家信息化、培育戰略性新興產業。2012年打造的京杭運河無錫段的“智能航道”，使無錫段暢通度提高了80%，事故率降低11%，船舶最大噸位從500噸提高到1000噸。

4　結束語

上述無線傳感網的應用研究主要集中在全網數據的傳輸、傳感器節點的定位、全網的拓撲管理、節點間的協作處理以及軟硬件的設計與制造。隨著近年來對無線傳感網的研究與應用，無線傳感網將對我們的生活產生越來越大的影響。

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Overview of Wireless Sensor Network

CHEN Hao
(China Institute of Industrial Relations, Beijing)

As a research direction of multidisciplinary cross, wireless sensor network has

the attention of many scholars at home and abroad. With the deepening of the research and the development of related technologies, wireless sensor network has been widely applied in various fields and shows great potential. In this paper, the development of wireless sensor network is summarized from three aspects: the structure, application and current research status of wireless sensor networks.

WSN; Monitoring; Application

TN918.4

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.09.025