無線傳感網(wǎng)概述

陳　昊

（中國勞動關(guān)系學(xué)院，北京　100044）

無線傳感網(wǎng)概述

陳昊

（中國勞動關(guān)系學(xué)院，北京100044）

無線傳感網(wǎng)作為多學(xué)科交叉的一個研究方向，已獲得了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。隨著研究的深入和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被廣泛地應(yīng)用到各個領(lǐng)域，并表現(xiàn)出巨大的潛力。本文從無線傳感網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、應(yīng)用和研究現(xiàn)狀三方面總結(jié)了無線傳感網(wǎng)的發(fā)展。

無線傳感網(wǎng)；監(jiān)測；應(yīng)用

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

0　引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡稱無線傳感網(wǎng)（Wireless Sensor Network，WSN）是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、多學(xué)科高度交叉的、應(yīng)用廣泛的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域[1]。無線傳感網(wǎng)技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一，將對人類的生活方式產(chǎn)生巨大的影響。2008年，美國《福布斯》指出未來的無線傳感網(wǎng)要比現(xiàn)在的Internet大得多，無線傳感網(wǎng)正由高科技概念逐步走向大規(guī)模應(yīng)用，它的發(fā)展和廣泛應(yīng)用將對人們的社會生活和產(chǎn)業(yè)變革帶來極大的影響，并產(chǎn)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(wǎng)受到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。1998年，美國國防部提出“智能塵?！钡母拍?，最先開始了無線傳感網(wǎng)技術(shù)的研究，主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。2009年1月，IBM首席執(zhí)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(fù)和再投資法案》提出要在智能電網(wǎng)投資110億美元、衛(wèi)生醫(yī)療投資190億美元、教育信息技術(shù)投資6.5億美元，這些投資都與無線傳感網(wǎng)技術(shù)相關(guān)，是奧巴馬政府推動經(jīng)濟(jì)復(fù)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(tǒng)”（Central Nervous System for the Earth，EcNSE）旨在創(chuàng)建新的信息生態(tài)系統(tǒng)所需技術(shù)的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)，預(yù)計將在全球范圍內(nèi)安裝一萬億個微型傳感器。

我國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國家同步啟動，首次正式出現(xiàn)于1999年中國科學(xué)院《知識創(chuàng)新工程試點領(lǐng)域方向研究》的“信息與自動化領(lǐng)域研究報告”中。初步具備了一定的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用基礎(chǔ)，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢。我國2010年遠(yuǎn)景規(guī)劃和“十五”計劃中都將無線傳感網(wǎng)列為重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一。在這些項目的支持下，許多高校和科研機(jī)構(gòu)紛紛開展有關(guān)無線傳感網(wǎng)的理論研究和應(yīng)用實踐[3-5]，取得了一系列的研究成果。

1　無線傳感網(wǎng)

一個典型的無線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點（即sink節(jié)點）、通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心。傳感器節(jié)點隨機(jī)或有規(guī)律地部署在觀測區(qū)域，以多跳自組織的方式組成網(wǎng)絡(luò)。sink節(jié)點負(fù)責(zé)對傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)分類匯總，通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控中心[1]。

圖1　-1　典型的無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

2　無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用

隨著微電子技術(shù)的發(fā)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(wǎng)的廣泛應(yīng)用成為可能。目前，在土遺址保護(hù)監(jiān)測[6-9]、環(huán)境監(jiān)測[10]、城市交通[11]、目標(biāo)跟蹤[12]、智能家居[13]、軍事偵察[14]、野生動植物保護(hù)[15]等多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

（1）土遺址保護(hù)監(jiān)測

土遺址材質(zhì)源于夯土，經(jīng)過千百年環(huán)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(huán)境是造成土遺址基體受損的主要原因，對土遺址狀態(tài)影響巨大。無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)能夠協(xié)作采集網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)環(huán)境或監(jiān)測對象的多樣信息并進(jìn)行綜合處理，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)由于自然環(huán)境及外力導(dǎo)致的形變、下沉等隱患，這些細(xì)微的變形、裂縫可能導(dǎo)致土遺址的坍塌、毀滅，通過調(diào)節(jié)環(huán)境及人為干涉進(jìn)行預(yù)防性保護(hù)。

（2）軍事偵察

軍事應(yīng)用是無線傳感網(wǎng)最早應(yīng)用的領(lǐng)域。無線傳感網(wǎng)具備隨機(jī)部署、自組織、無需人工干預(yù)的特點，非常適合監(jiān)視作戰(zhàn)區(qū)域，能夠?qū)撤奖?、武器、作?zhàn)環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)控，同時能實現(xiàn)目標(biāo)定位與追蹤，為戰(zhàn)略決策提供準(zhǔn)確有效的依據(jù)。

（3）環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是無線傳感網(wǎng)的典型應(yīng)用場合。隨著人類對環(huán)境日益關(guān)注，環(huán)境監(jiān)測人員需要實時獲得大量監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)，進(jìn)行有效的分析和預(yù)測。由于監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的復(fù)雜，可能出現(xiàn)極其惡劣、有毒或有害的情況，現(xiàn)場采樣會損害監(jiān)測人員的健康，另外通過現(xiàn)場采樣-實驗室分析的方式存在較大的數(shù)據(jù)分析延遲問題，不能對環(huán)境情況進(jìn)行實時分析和預(yù)測。無線傳感網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了對環(huán)境信息的實時采集、監(jiān)測、處理和分析預(yù)測，同時提高環(huán)境監(jiān)測效率與安全性。無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用使得在野外惡劣環(huán)境中隨機(jī)、實時獲取數(shù)據(jù)成為可能[16]。

（4）野生動植物保護(hù)

近年，由于環(huán)境的惡化，人類的亂捕濫獵以及人類活動范圍的不斷擴(kuò)大，野生動植物生境受到愈來愈嚴(yán)重的威脅。據(jù)世界《紅皮書》統(tǒng)計，20世紀(jì)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(zāi)。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(hù)展開野生動植物行為規(guī)律的研究越來越迫切。無線傳感網(wǎng)在大范圍野生動植物監(jiān)測中極具優(yōu)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(xié)作的采集監(jiān)測區(qū)域環(huán)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(qū)內(nèi)部寬帶網(wǎng)絡(luò)己經(jīng)普及的基礎(chǔ)上利用小區(qū)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建的以家庭為單位的控制系統(tǒng)，其目的是為住戶提供以住宅為平臺，兼?zhèn)渚W(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、服務(wù)、管理于一體的高效、舒適、安全、便利的居住環(huán)境。具體實現(xiàn)為在家具家電中嵌入傳感器芯片，使它們與網(wǎng)絡(luò)互連，通過一定媒介構(gòu)成與外界的通訊通道，利用語音與遠(yuǎn)程遙控技術(shù)監(jiān)測控制家庭范圍中家具與電器的狀態(tài)。

（6）其它應(yīng)用

無線傳感網(wǎng)還可以應(yīng)用于其它一些領(lǐng)域，包括智能電網(wǎng)、農(nóng)業(yè)灌溉自動化控制、藥品管理、遠(yuǎn)程醫(yī)療、預(yù)警監(jiān)測和緊急救援等。2004年，文獻(xiàn)[17]研究運用無線傳感網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測厄瓜多爾中部的Tangurahua火山，通過對振動傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷火山的活動情況。文獻(xiàn)[18]研究了運用無線傳感網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)洪水預(yù)警。

3　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，針對無線傳感網(wǎng)的研究已進(jìn)入面向應(yīng)用的整體解決方案階段，側(cè)重于對節(jié)點群體行為的研究，如跨層協(xié)同設(shè)計、能量管理與優(yōu)化調(diào)度、服務(wù)質(zhì)量保障、網(wǎng)內(nèi)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(xiàn)狀

2003年，美國科學(xué)基金委員會制定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃，領(lǐng)域涉及智能感知有毒化學(xué)物品、生物攻擊等的傳感器節(jié)點、分布式環(huán)境下傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性等問題。2005年，對系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究計劃中，主要探討下一代高可靠性、高安全性的可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，以及可編程的無線網(wǎng)絡(luò)和傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特征，資助金額高達(dá)4000萬美金。2007年美國國家自然科學(xué)基金會（NSF）資助的CitySense項目，監(jiān)控城市的天氣和環(huán)境污染，目標(biāo)是打造世界上第一個能夠在整個城市范圍內(nèi)實時傳送傳感器數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡(luò)。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(guān)項目的研究工作。在美國，幾乎各大著名院校都有相關(guān)的研究小組，專門從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)研究。哈佛大學(xué)[19]、麻省理工學(xué)院[20]、加州大學(xué)伯克利分校[21]、康奈爾大學(xué)[22]等在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)內(nèi)容的研究。歐洲聯(lián)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了深入討論。

（2）國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國非常重視無線傳感網(wǎng)的研究和發(fā)展，國內(nèi)的許多科研機(jī)構(gòu)，如中科院計算所[23]、清華大學(xué)[24]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[25]、北京大學(xué)[26]、國防科技大學(xué)[27-28]、浙江大學(xué)[29]、復(fù)旦大學(xué)[30]、北京航空航天大學(xué)[31]、北京郵電大學(xué)[32]等，從2002年開始在傳感器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、時間同步和定位方面展開了深入的研究工作。西北大學(xué)在此方面也開展了一系列工作，對嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、無線傳感器中的定位等技術(shù)進(jìn)行了探討。與此同時，大量的企業(yè)也逐步開始關(guān)注無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，推出了多種針對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yè)、高校和研究所共同參與的“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”重大專項，目標(biāo)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(tǒng)、近距離無線互連系統(tǒng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)，加大科技成果的商業(yè)應(yīng)用。2010年科技部資助的國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（即973項目），以無線傳感網(wǎng)關(guān)鍵核心技術(shù)及重點產(chǎn)品的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化為重點，開展重點領(lǐng)域的應(yīng)用示范和推廣，以促進(jìn)傳感網(wǎng)在環(huán)境監(jiān)測、智能家居、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用[2]。2010年，正式獲準(zhǔn)立項由我國參與主導(dǎo)提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)同信息處理國際標(biāo)準(zhǔn)，在同一年，全球首顆二維碼解碼芯片由我國企業(yè)研制出，研發(fā)的光纖傳感器具有國際領(lǐng)先水平。2011年眾多高校和研究所承擔(dān)的國家863計劃“三網(wǎng)融合演進(jìn)技術(shù)與系統(tǒng)研究”，以自主創(chuàng)新為核心，引領(lǐng)和支撐三網(wǎng)融合發(fā)展、推動國家信息化、培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。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(jié)束語

上述無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用研究主要集中在全網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸、傳感器節(jié)點的定位、全網(wǎng)的拓?fù)涔芾?、?jié)點間的協(xié)作處理以及軟硬件的設(shè)計與制造。隨著近年來對無線傳感網(wǎng)的研究與應(yīng)用，無線傳感網(wǎng)將對我們的生活產(chǎn)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