無線傳感網絡(Wireless Sensor Network，WSN)是當前在國際上備受關注、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。wsN綜合了傳感器、嵌入式計算、現代網絡及無線通信、分布式信息處理等技術，可以使人們在任何時間、地點和任何環境下獲取大量詳實可靠的信息，從而真正實現“無處不在”的計算理念。無線傳感網絡是新一代的傳感網絡，具有非常廣泛的應用前景，其發展和應用，將會給人類的生活和生產的各個領域帶來深遠影響。20世紀80—90年代，傳感器網絡的研究依舊主要在軍事領域進行，并稱為網絡中心戰思想中的關鍵技術。1999年，《商業周刊》將其列為21世紀最重要的21項技術之一。進入21世紀后，WSN受到了更多的關注，并在多種應用方面取得了重大進展。
1.國內外研究現狀
在發達國家如美國，非常重視無線傳感網絡的發展，IEEE正在努力推進無線傳感網絡的應用和發展，美國的學術界和工業界聯合創辦了傳感網絡協會(sensor Network consonium)，期望能促進傳感器聯網技術開發。美國的《技術評論》雜志在論述未來新興十大技術時，更是將無線傳感網絡列為第一項未來新興技術，《商業周刊》預測的未來四大新技術中，無線傳感網絡也列入其中。
我國現代意義的無線傳感器網絡及其應用研究首次正式出現于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，作為該領域提出的五個重大項目之一。但是我國在無線傳感器網絡方面的研究工作與西方發達國家相比還很少。就當前而言，國內研究主要集中在網絡協議，仿真計算等領域，在軍事和民用應用方面的研究還比較少，無線傳感器網絡技術在環境監測上的應用也不多見。
在“中國未來20年技術預見研究”中總共157個技術課題，其中有7項是直接論述傳感網絡的。2006年初發布的《國家中長期科學與技術發展規劃綱要》為信息技術確定了三個前沿方向，其中兩個與無線傳感網絡的研究直接相關，即智能感知技術和自組織網絡技術。可以預計，無線傳感網絡的廣泛使用是一種必然趨勢，它的出現將會給人類社會帶來極大的變革。
2.基本理論
無線傳感網絡是由大量的傳感器節點構成的基于任務的平臺，其必不可少的三要素是傳感器、感知對象和觀察者。傳感器對感知對象進行感知，然后將感知結果發送給觀察者。
從功能實現角度分析，無線傳感器網絡由嵌人式設備、傳感器和網絡構成嵌入式設備作為分布式監控和通信的載體；傳感器測試大干世界的信息，轉換可操作信號；網絡作為所有設備構成的系統，相互協作，完成復雜的任務。無線傳感器網絡是指在環境中布置的傳感器節點以無線通信的方式構成網絡。
無線傳感器網絡系統通常包括傳感器節點、匯聚節和管理節點。大量傳感器節點隨機部署在監測傳感區域內部或附近，能夠通過組織方式構成網絡。傳感器節點監測的數據沿著其他傳感器節點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程監測數據可能被多個節點處理，經過多跳后路由到匯聚節點，最后通過互聯網衛星到達管理節點。用戶通過管理節點作為控制中心，對傳感器網絡進行配置管理，發布監測任務以及收集監測數據供用戶瀏覽和處理。隨機分布的集成有感器、數據處理單元和通信模塊的微小節點通過自組織的方式構成網絡，借助節點中內置的形式多樣的傳感器測量所在周邊環境中的熱、紅外、聲納、雷達地震波信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多我們感興趣的物質現象。在通信方式上，一般可以采用有線、無線、紅外、光等多種形式，但一般認為短距離的無線通信技術最適合傳感器網絡使用，一般稱作無線傳感器網絡。
綜上所述，無線傳感器網絡由大量部署在監測區域的傳感器節點組成，節點以無線通信方式相互連接，可以感知、采集和處理監測區域的信息，并將結果發送給觀測者。無線傳感器網絡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、農業、交通、軍事、安全、醫療、空間探測等眾多領域都有著廣泛的應用。
3.應用
無線傳感網絡具有無需固定設備支撐的特點，可以快速部署同時具有易于組網、不受有線網絡的約束，使其適合應用于難以使用傳統有線通信機制的惡劣環境，比如一些危險的工業環境如煤礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實施實時、高效的安全監測；同時無線傳感器可以避免傳統數據收方式給環境帶來的侵人式破壞，因此可以被應用于水資源、大氣等環境檢測；隨著無線終端設備的廣泛使用，無線傳感網絡利用無線通信技術高效的進行異構傳感網絡互連，數據處理和融合，可被廣泛地應用于城市交通、大型公共活動等社會信息化服務的各個領域。
(1)現代工業應用
煤礦系統或電力系統等廣泛采用無線傳感網絡技術，利用微功耗單片機、溫度傳感器和無線通訊芯片技術，內置電池，價格便宜，安裝簡易，廣泛應用于電力、高壓等危險行業的溫度監測。如無線傳感網絡的井下監測系統具有自組織、多跳式通信組網功能和在布網組網的高度靈活性，可望解決井下無線通信距離有限這一瓶頸；并可將瓦斯傳感器、溫度監測傳感器與定位節點相結合，能將井下作業區的多種環境參數通過無線網絡傳送到救援系統，從而實現實時監控翻。
(2)農業信息化應用
我國作為世界上最大的發展中國家和傳統的農業大國，農業信息技術有著巨大的應用空間和廣闊的發展前景。現代農業是與信息化同步的農業，要實現農業現代化，必須積極利用現代信息科技的發展成果，加快農業信息化進程。我們需要將成熟的信息技術逐步引入到農業生產實踐中。如可設計和開發具有無線傳感器網絡功能的溫室信息采集設備，符合農業設施實踐中信息采集的技術發展趨勢，同時也會帶動現代通訊技術等相關先進技術在農業中的應用，有利于推動溫室技術設備的大面積推廣，縮小與國外技術的差距，加快我國農業現代化進程。
(3)軍事應用
由于無線傳感網絡具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應用于惡劣的戰場環境中，包括偵察敵情、監控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方面用途。美國國防部對這類項目進行了廣泛的支持。俄亥俄州正在開發“沙地直線”(ALine in山e sand)，就是一種無線傳感網絡系統。這個系統能夠散射電子絆網(tripwire)到任何地方，也就是到整個戰場，以偵測運動的高金屬含量目標。這種能力意味著一個特殊的軍事用途，例如偵察和定位敵軍坦克和其它車輛。無線傳感網絡技術，預示著為戰場上帶來新的電子眼和電子耳，“能夠在未來幾十年內變革戰場環境”。
(4)環境監測應用
隨著人們對環境的日益關注，環境科學所涉及的范圍越來越廣泛。通過傳統的方式采集原始數據是一件很困難的工作。無線傳感器網絡為野外隨機性的數據獲取提供了方便。比如，跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環境變化對農作物的影響，監測海洋、大氣和土壤的成分等。ALERT系統中就有數種傳感器來監測降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預測爆發山洪的可能性。類似地，無線傳感器網絡對森林火災準確、及時地預報也應該是有幫助的。此外，無線傳感器網絡也可以應用在精細農業中，以監測農作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。
(5)智能家居
家用自動化：隨著科技發展，智能傳感器節點啟動器被內置于打印機、掃描儀、真空吸塵器、微波爐、冰箱和錄像機等家電或家具中。這些內置在家電或家具里的傳感器節點相互作用能通過Intemet或衛星構成內部的網絡。終端用戶通過它們可以更容易的遠程或本地管理家用電器，了解它們提供的服務，例如打印、掃描、傳真等。另一個智能環境的例子是喬治敦科技學院的家庭型實驗室。在這個環境中的感知和計算是可靠、持續、透明的。
4.展望
在人、物和事件之間實現無縫連接曾經似乎遙不可及，但現在這種局面已經徹底改變。由于在傳感器、計算和通信技術領域取得的快速進步，互聯世界已不再僅限于互聯網的廣泛使用，一些全新的應用將把強大的計算能力和無線通信能力帶入我們的日常生活。無線傳感技術最終將成熟到允許物理世界和虛擬世界進行無縫互連。
總體上來講，由于傳感器網絡是一門新興技術，國內與國際水平的差距并不很大，及時開展這項對人類未來生活影響深遠的前沿科技的研究，對整個國家的社會、經濟將有重大的戰略意義。
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本文標題：無線傳感網絡技術研究與應用
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