无线传感网概述

陈　昊

（中国劳动关系学院，北京　100044）

无线传感网概述

陈昊

（中国劳动关系学院，北京100044）

无线传感网作为多学科交叉的一个研究方向，已获得了国内外众多学者的关注。随着研究的深入和相关技术的发展，无线传感器网络被广泛地应用到各个领域，并表现出巨大的潜力。本文从无线传感网的结构、应用和研究现状三方面总结了无线传感网的发展。

无线传感网；监测；应用

本文著录格式：陈昊. 无线传感网概述[J]. 软件，2016，37（9）：105-108

0　引言

无线传感器网络简称无线传感网（Wireless Sensor Network，WSN）是当前在国际上备受关注的、多学科高度交叉的、应用广泛的前沿热点研究领域[1]。无线传感网技术被认为是21世纪最重要的技术之一，将对人类的生活方式产生巨大的影响。2008年，美国《福布斯》指出未来的无线传感网要比现在的Internet大得多，无线传感网正由高科技概念逐步走向大规模应用，它的发展和广泛应用将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响，并产生巨大的推动力[2]。

作为一种全新的信息获取和处理方式，传感网受到了国内外学术界和工业界的高度重视。1998年，美国国防部提出“智能尘埃”的概念，最先开始了无线传感网技术的研究，主要应用于军事领域。2009年1月，IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”的概念，2009年2月，奥巴马签署生效的《美国恢复和再投资法案》提出要在智能电网投资110亿美元、卫生医疗投资190亿美元、教育信息技术投资6.5亿美元，这些投资都与无线传感网技术相关，是奥巴马政府推动经济复苏和塑造国家竞争力的重点[2]。2009年惠普公司的“地球中枢系统”（Central Nervous System for the Earth，EcNSE）旨在创建新的信息生态系统所需技术的数学和物理基础，预计将在全球范围内安装一万亿个微型传感器。

我国无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首次正式出现于1999年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中。初步具备了一定的技术、产业和应用基础，呈现出良好的发展态势。我国2010年远景规划和“十五”计划中都将无线传感网列为重点发展的产业之一。在这些项目的支持下，许多高校和科研机构纷纷开展有关无线传感网的理论研究和应用实践[3-5]，取得了一系列的研究成果。

1　无线传感网

一个典型的无线传感网的体系结构如图1-1所示，包括传感器节点、汇聚节点（即sink节点）、通信网络和数据中心。传感器节点随机或有规律地部署在观测区域，以多跳自组织的方式组成网络。sink节点负责对传感器节点发来的数据分类汇总，通过通信网络将数据传至监控中心[1]。

图1　-1　典型的无线传感网体系结构

2　无线传感网的应用

随着微电子技术的发展，微处理器的体积不断缩小，价格日益下降，使得无线传感网的广泛应用成为可能。目前，在土遗址保护监测[6-9]、环境监测[10]、城市交通[11]、目标跟踪[12]、智能家居[13]、军事侦察[14]、野生动植物保护[15]等多个领域有着广泛的应用。

（1）土遗址保护监测

土遗址材质源于夯土，经过千百年环境侵蚀，其中的很大部分面临垮塌毁灭的危险。研究表明，自然环境是造成土遗址基体受损的主要原因，对土遗址状态影响巨大。无线传感网监测系统能够协作采集网络区域内环境或监测对象的多样信息并进行综合处理，实现动态监测，可以及时发现由于自然环境及外力导致的形变、下沉等隐患，这些细微的变形、裂缝可能导致土遗址的坍塌、毁灭，通过调节环境及人为干涉进行预防性保护。

（2）军事侦察

军事应用是无线传感网最早应用的领域。无线传感网具备随机部署、自组织、无需人工干预的特点，非常适合监视作战区域，能够对敌方兵力、武器、作战环境进行实时监控，同时能实现目标定位与追踪，为战略决策提供准确有效的依据。

（3）环境监测

环境监测系统是无线传感网的典型应用场合。随着人类对环境日益关注，环境监测人员需要实时获得大量监测区域数据，进行有效的分析和预测。由于监测区域环境的复杂，可能出现极其恶劣、有毒或有害的情况，现场采样会损害监测人员的健康，另外通过现场采样-实验室分析的方式存在较大的数据分析延迟问题，不能对环境情况进行实时分析和预测。无线传感网技术的应用实现了对环境信息的实时采集、监测、处理和分析预测，同时提高环境监测效率与安全性。无线传感网的应用使得在野外恶劣环境中随机、实时获取数据成为可能[16]。

（4）野生动植物保护

近年，由于环境的恶化，人类的乱捕滥猎以及人类活动范围的不断扩大，野生动植物生境受到愈来愈严重的威胁。据世界《红皮书》统计，20世纪有110个种和亚种的哺乳动物以及139种和亚种的鸟类在地球上消失了。近年来，全世界每天有75个物种灭绝，每小时有3个物种灭绝。由此推算，在未来50年中，地球陆地上四分之一的动物和植物将遭到灭顶之灾。各种野生动植物的生存正在面临着各种各样的威胁，针对野生动植物保护展开野生动植物行为规律的研究越来越迫切。无线传感网在大范围野生动植物监测中极具优势，研究者可以在不干扰动植物正常生活的情况下，长期、实时、协作的采集监测区域环境和野生动植物活动信息。

（5）智能家居

智能家居是指在小区内部宽带网络己经普及的基础上利用小区内部的网络环境搭建的以家庭为单位的控制系统，其目的是为住户提供以住宅为平台，兼备网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、服务、管理于一体的高效、舒适、安全、便利的居住环境。具体实现为在家具家电中嵌入传感器芯片，使它们与网络互连，通过一定媒介构成与外界的通讯通道，利用语音与远程遥控技术监测控制家庭范围中家具与电器的状态。

（6）其它应用

无线传感网还可以应用于其它一些领域，包括智能电网、农业灌溉自动化控制、药品管理、远程医疗、预警监测和紧急救援等。2004年，文献[17]研究运用无线传感网技术监测厄瓜多尔中部的Tangurahua火山，通过对振动传感器采集到的数据进行分析判断火山的活动情况。文献[18]研究了运用无线传感网技术实现洪水预警。

3　国内外研究现状

目前，针对无线传感网的研究已进入面向应用的整体解决方案阶段，侧重于对节点群体行为的研究，如跨层协同设计、能量管理与优化调度、服务质量保障、网内信息处理等[2]。具有代表性的计划有美国的“智慧地球”、日本的“u-Japan”、韩国的“IT839”和中国的“感知中国”。

（1）国外研究现状

2003年，美国科学基金委员会制定了无线传感器网络研究计划，领域涉及智能感知有毒化学物品、生物攻击等的传感器节点、分布式环境下传感器网络的特性等问题。2005年，对系统和网络技术的研究计划中，主要探讨下一代高可靠性、高安全性的可扩展网络，以及可编程的无线网络和传感器系统的网络特征，资助金额高达4000万美金。2007年美国国家自然科学基金会（NSF）资助的CitySense项目，监控城市的天气和环境污染，目标是打造世界上第一个能够在整个城市范围内实时传送传感器数据的无线网络。除此之外，美国能源部、交通部、国家航空航天局也相继启动了相关项目的研究工作。在美国，几乎各大著名院校都有相关的研究小组，专门从事无线传感器网络的相关技术研究。哈佛大学[19]、麻省理工学院[20]、加州大学伯克利分校[21]、康奈尔大学[22]等在无线传感器网络研究领域的成绩较为突出。英国、加拿大、意大利、日本和德国等国家的科研组织也相继展开了对无线传感器网络内容的研究。欧洲联盟的France Telecom、Philips、Ericsson、Siemens等公司，日本的欧姆龙、NEC、OKI等公司也对无线传感器网络进行了深入讨论。

（2）国内研究现状

我国非常重视无线传感网的研究和发展，国内的许多科研机构，如中科院计算所[23]、清华大学[24]、哈尔滨工业大学[25]、北京大学[26]、国防科技大学[27-28]、浙江大学[29]、复旦大学[30]、北京航空航天大学[31]、北京邮电大学[32]等，从2002年开始在传感器数据管理系统、时间同步和定位方面展开了深入的研究工作。西北大学在此方面也开展了一系列工作，对嵌入式无线传感器网络节点、无线传感器中的定位等技术进行了探讨。与此同时，大量的企业也逐步开始关注无线传感器网络技术的发展，推出了多种针对于无线传感器网络的解决方案。

最近几年主要的项目有2008年工信部资助的多个企业、高校和研究所共同参与的“新一代宽带无线移动通信网”重大专项，目标是研制具有海量通信能力的新一代宽带蜂窝移动通信系统、近距离无线互连系统与传感器网络，加大科技成果的商业应用。2010年科技部资助的国家重点基础研究发展计划项目（即973项目），以无线传感网关键核心技术及重点产品的研发和产业化为重点，开展重点领域的应用示范和推广，以促进传感网在环境监测、智能家居、工业控制等领域的应用[2]。2010年，正式获准立项由我国参与主导提出的传感器网络协同信息处理国际标准，在同一年，全球首颗二维码解码芯片由我国企业研制出，研发的光纤传感器具有国际领先水平。2011年众多高校和研究所承担的国家863计划“三网融合演进技术与系统研究”，以自主创新为核心，引领和支撑三网融合发展、推动国家信息化、培育战略性新兴产业。2012年打造的京杭运河无锡段的“智能航道”，使无锡段畅通度提高了80%，事故率降低11%，船舶最大吨位从500吨提高到1000吨。

4　结束语

上述无线传感网的应用研究主要集中在全网数据的传输、传感器节点的定位、全网的拓扑管理、节点间的协作处理以及软硬件的设计与制造。随着近年来对无线传感网的研究与应用，无线传感网将对我们的生活产生越来越大的影响。

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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