《物聯(lián)網(wǎng)工程及應(yīng)用》課件第4章

第4章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介4.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

4.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展

4.3本章小結(jié)

4.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

4.1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念

無(wú)線通信、集成電路、傳感器以及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)等技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，極大地促進(jìn)了低成本、低功耗、多功能的微型傳感器發(fā)展。這些傳感器通常在微小體積內(nèi)集成了信息采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信等多種功能，能夠無(wú)線傳輸并進(jìn)行組網(wǎng)工作，完美地實(shí)現(xiàn)短距離的通信。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks，WSN)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域里被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。由于微型傳感器的體積小、重量輕，有的甚至可以像灰塵一樣在空氣中浮動(dòng)，因此，人們又稱其為“智能塵埃(SmartDust)”，將它散布于四周以實(shí)時(shí)感知物理世界的變化。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)中心節(jié)點(diǎn)的全分布系統(tǒng)。通過(guò)隨機(jī)投放的方式，眾多傳感器節(jié)點(diǎn)被密集部署于監(jiān)控區(qū)域。這些傳感器節(jié)點(diǎn)集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，它們通過(guò)無(wú)線信道相連，自組織地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)借助于其內(nèi)置的形式多樣的傳感器，測(cè)量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號(hào)，探測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的物理現(xiàn)象。傳感器節(jié)點(diǎn)間具有良好的協(xié)作能力，通過(guò)局部的數(shù)據(jù)交換來(lái)完成全局任務(wù)。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能要求，多跳、對(duì)等的通信方式較之傳統(tǒng)的單跳、主從通信方式更適合于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還可有效避免在長(zhǎng)距離無(wú)線信號(hào)傳播過(guò)程中所遇到的信號(hào)衰落和干擾等各種問(wèn)題。通過(guò)網(wǎng)關(guān)，傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以連接到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上(如Internet、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等)，從而將采集到的信息傳給遠(yuǎn)程的終端用戶使用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、微電子制造技術(shù)、軟件編程技術(shù)等，是多學(xué)科高度交叉、新興、前沿的一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。如果說(shuō)因特網(wǎng)構(gòu)成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變?nèi)伺c自然界的交互方式。未來(lái)的人們將通過(guò)遍布四周的傳感器網(wǎng)絡(luò)直接感知客觀世界，從而極大地?cái)U(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認(rèn)識(shí)世界的能力。4.1.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)(SensorNode)、匯聚節(jié)點(diǎn)(SinkNode)和管理節(jié)點(diǎn)(ManagerNode)。

圖4-1中，大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)密布于整個(gè)被觀測(cè)區(qū)域中，通過(guò)自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)在對(duì)探測(cè)到的信息進(jìn)行初步處理之后，以多跳中繼的方式將其傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，然后經(jīng)衛(wèi)星、Internet或是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等到達(dá)終端用戶所在的管理節(jié)點(diǎn)。終端用戶也可以通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和配置、發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)或是收集回傳數(shù)據(jù)。圖4-1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，由于受到體積、價(jià)格和電源供給等因素的限制，它的處理能力、存儲(chǔ)能力相對(duì)較弱，通信距離也很有限，通常只與自身通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)。要訪問(wèn)通信范圍以外的節(jié)點(diǎn)，必須使用多跳路由。為了保證采集到的數(shù)據(jù)信息能夠通過(guò)多跳網(wǎng)絡(luò)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的分布要相當(dāng)密集。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都具有信息采集和路由雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要存儲(chǔ)、管理和融合其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，同時(shí)與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。匯聚節(jié)點(diǎn)通常具有較強(qiáng)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力，它既可以是一個(gè)具有足夠能量供給、更多內(nèi)存資源和計(jì)算能力的增強(qiáng)型傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以是一個(gè)帶有無(wú)線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。匯聚節(jié)點(diǎn)連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)管理節(jié)點(diǎn)與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的通信，把收集到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上，同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)提交的任務(wù)。

傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感單元、處理單元、無(wú)線收發(fā)單元和電源單元等幾部分組成，如圖4-2所示。圖4-2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)傳感單元由傳感器和數(shù)/模(A/D)轉(zhuǎn)換模塊組成，用于感知、獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的信息，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；處理單元由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括處理器、存儲(chǔ)器等，負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分的工作，存儲(chǔ)和處理自身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；無(wú)線收發(fā)單元由無(wú)線通信模塊組成，負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源單元能夠?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)提供正常工作所必需的能源，通常采用微型電池。此外，傳感器節(jié)點(diǎn)還可以包括其他輔助單元，如移動(dòng)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和自供電系統(tǒng)等。由于需要進(jìn)行比較復(fù)雜的任務(wù)調(diào)度與管理，處理單元還需要包含一個(gè)功能較為完善的微型化嵌入式操作系統(tǒng)，如美國(guó)UCBerkeley大學(xué)開發(fā)的TinyOS。目前已有多種成型的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，如Berkeley的Motes，ICTCAS/PHKUST的BUDS，Intel的IMote等，它們?cè)趯?shí)現(xiàn)原理上是相似的，只是采用了不同的微處理器、不同的協(xié)議和通信方式。由于傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，一旦電能耗盡，節(jié)點(diǎn)就失去了工作能力。為了最大限度地節(jié)約電能，在硬件設(shè)計(jì)方面，要盡量采用低功耗器件，在沒(méi)有通信任務(wù)的時(shí)候切斷射頻部分電源；在軟件設(shè)計(jì)方面，各層通信協(xié)議都應(yīng)該以節(jié)能為中心，必要時(shí)可以犧牲一些其他的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，以獲得更高的電源效率。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)以及應(yīng)用支撐平臺(tái)這三個(gè)部分組成，如圖4-3所示。圖4-3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

1．分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

與傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)中的TCP/IP協(xié)議體系類似，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。

(1)物理層。物理層負(fù)責(zé)信號(hào)的調(diào)制和數(shù)據(jù)的收發(fā)，所采用的傳輸介質(zhì)主要有無(wú)線電、紅外線、光波等。

(2)數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、媒體訪問(wèn)和差錯(cuò)控制。其中，媒體訪問(wèn)協(xié)議保證可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信；差錯(cuò)控制則保證源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息可以完整無(wú)誤地到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

(3)網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)。通常，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)無(wú)法直接與網(wǎng)關(guān)通信，需要通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)以多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)。

(4)傳輸層。傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，主要是通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)，并使用衛(wèi)星、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、Internet等與外部網(wǎng)絡(luò)通信，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分。

2．網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)

網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)主要是對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)自身的管理以及用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，它包括拓?fù)淇刂?、服?wù)質(zhì)量管理、能量管理、安全管理、移動(dòng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理等。

(1)拓?fù)淇刂?。為了?jié)約能量，某些傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)在某些時(shí)刻進(jìn)入休眠狀態(tài)，這會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，因此需要通過(guò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)管理各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，保持網(wǎng)絡(luò)暢通和數(shù)據(jù)能夠有效傳輸。拓?fù)淇刂评面溌穼?、網(wǎng)絡(luò)層完成拓?fù)渖?，反過(guò)來(lái)又為它們提供基礎(chǔ)信息支持，優(yōu)化MAC協(xié)議和路由協(xié)議，降低能耗。

(2)服務(wù)質(zhì)量管理。服務(wù)質(zhì)量(QoS)管理在各協(xié)議層設(shè)計(jì)隊(duì)列管理、優(yōu)先級(jí)或者帶寬預(yù)留等機(jī)制，并對(duì)特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)給予特別處理。它是網(wǎng)絡(luò)與用戶之間以及網(wǎng)絡(luò)上互相通信的用戶之間關(guān)于信息傳輸與共享的質(zhì)量約定。為滿足用戶的要求，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須能夠?yàn)橛脩籼峁┳銐虻馁Y源，以用戶的可接受性能為指標(biāo)工作。

(3)能量管理。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，電源能量是各個(gè)節(jié)點(diǎn)最寶貴的資源。為了使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間盡可能地長(zhǎng)，需要合理、有效地控制節(jié)點(diǎn)對(duì)能量的使用。每個(gè)協(xié)議層中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統(tǒng)以便進(jìn)行能量分配決策。

(4)安全管理。由于節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)部署、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性以及無(wú)線信道的不穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的安全機(jī)制無(wú)法在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中適用，因此需要設(shè)計(jì)新型的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，這需要采用擴(kuò)頻通信、接入認(rèn)證/鑒權(quán)、數(shù)字水印和數(shù)據(jù)加密等技術(shù)。

(5)移動(dòng)管理。在某些無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境中節(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)，移動(dòng)管理就是用來(lái)監(jiān)測(cè)和控制節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，它不僅能夠維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，還可以使傳感器節(jié)點(diǎn)跟蹤它的鄰居。

(6)網(wǎng)絡(luò)管理。網(wǎng)絡(luò)管理是對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備及傳輸系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)視、控制、診斷和測(cè)試所采用的技術(shù)和方法。它要求協(xié)議各層嵌入各種信息接口，并定時(shí)收集協(xié)議運(yùn)行狀態(tài)和流量信息，協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)協(xié)議組件的運(yùn)行。

3．應(yīng)用支撐平臺(tái)

應(yīng)用支撐平臺(tái)建立在分層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)之上，它包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件，通過(guò)應(yīng)用服務(wù)接口和網(wǎng)絡(luò)管理接口來(lái)為終端用戶提供各種具體應(yīng)用的支持。

(1)時(shí)間同步。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議和應(yīng)用要求各節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘必須保持同步，這樣多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)才能相互配合工作。此外，節(jié)點(diǎn)的休眠和喚醒也要求時(shí)鐘同步。

(2)定位。節(jié)點(diǎn)定位是確定每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置或絕對(duì)位置，它在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、緊急救援等應(yīng)用中尤為重要。

(3)應(yīng)用服務(wù)接口。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是多種多樣的，針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境有各種不同的應(yīng)用層協(xié)議，如任務(wù)安排和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議、節(jié)點(diǎn)查詢和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議等。

(4)網(wǎng)絡(luò)管理接口。網(wǎng)絡(luò)管理接口主要是傳感器管理協(xié)議，用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層。

4.1.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在過(guò)去的幾十年間取得了飛速的發(fā)展。作為Internet在無(wú)線和移動(dòng)領(lǐng)域的擴(kuò)展和延伸，無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)(Ad-hocNetwork)是由若干采用無(wú)線通信的節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)形成的一個(gè)多跳的移動(dòng)性對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，不依賴于任何基礎(chǔ)設(shè)施。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)有很多相似之處，總的來(lái)說(shuō)，它們都具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

(1)分布式。網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)地位平等，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)分布式算法來(lái)協(xié)調(diào)彼此的行為，是一個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。

(2)自組織。通常網(wǎng)絡(luò)所處的物理環(huán)境及網(wǎng)絡(luò)自身有很多不可預(yù)測(cè)因素。比如：節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定；節(jié)點(diǎn)之間的相鄰關(guān)系預(yù)先不知道；部分節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡或其他原因而死亡，新的節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中；無(wú)線通信質(zhì)量受環(huán)境影響；網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的突發(fā)事件等。這樣就要求節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，即無(wú)需人工干預(yù)和任何其他預(yù)置的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，可以在任何時(shí)刻、任何地方快速展開并自動(dòng)組網(wǎng)，自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過(guò)適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

(3)拓?fù)渥兓?。由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)具備移動(dòng)能力，節(jié)點(diǎn)在工作和睡眠狀態(tài)之間切換以及傳感器節(jié)點(diǎn)隨時(shí)可能由于各種原因發(fā)生故障而失效，或者有新的傳感器節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充進(jìn)來(lái)以提高網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量；加上無(wú)線信道間的互相干擾、地形和天氣等綜合因素的影響，都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化，而且變化的方式與速率難以預(yù)測(cè)。這就要求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠適應(yīng)拓?fù)渥兓?，具有?dòng)態(tài)可重構(gòu)的性能。

(4)多跳路由。由于節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的限制，節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍有限，通常只能與它的鄰居節(jié)點(diǎn)通信，如果要與其覆蓋范圍以外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)。此外，多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成的，沒(méi)有專門的路由設(shè)備。這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以是信息的發(fā)起者，也可以是信息的轉(zhuǎn)發(fā)者。

(5)安全性差。由于采用了無(wú)線信道、分布式控制等技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)更容易受到被動(dòng)竊聽、主動(dòng)入侵等攻擊。因此，網(wǎng)絡(luò)通信的保密性和安全性十分重要，信道加密、抗干擾、用戶認(rèn)證和其他安全措施都需要特別考慮，以防止監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造的監(jiān)測(cè)信息。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究初期，人們一度認(rèn)為成熟的Internet技術(shù)加上無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是足夠充分的，但隨后的深入研究表明，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著與無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)明顯不同的技術(shù)要求和應(yīng)用目標(biāo)。無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)以傳輸數(shù)據(jù)為目的，致力于在不依賴于任何基礎(chǔ)設(shè)施的前提下為用戶提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心，將能源的高效使用作為首要設(shè)計(jì)目標(biāo)，專注于從外界獲取有效信息。除此之外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還具有以下一些區(qū)別于無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)有特征。

(1)規(guī)模大、密度高。為獲取盡可能精確、完整的信息，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常密集部署在大片的監(jiān)測(cè)區(qū)域中，其節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和密度較無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)成數(shù)量級(jí)的提高。它并非依靠單個(gè)設(shè)備能力的提升，而是通過(guò)大量冗余節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作來(lái)提高系統(tǒng)的工作質(zhì)量。

(2)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作在一定的物理環(huán)境中。不斷變化的外界環(huán)境(如無(wú)線通信鏈路時(shí)斷時(shí)續(xù)，突發(fā)事件產(chǎn)生導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)任務(wù)負(fù)載變化等)往往會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的功能，這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)能夠隨著環(huán)境的變化而適時(shí)地調(diào)整自身的工作狀態(tài)。此外，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化也要求系統(tǒng)能夠很好地適應(yīng)自身動(dòng)態(tài)多變的“內(nèi)在環(huán)境”。

(3)應(yīng)用相關(guān)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)感知客觀世界的物理量來(lái)獲取外界的信息。由于不同應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，因而對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求也不同，其硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和通信協(xié)議也必然會(huì)有很大差異。這使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不能像Internet那樣有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺(tái)，只有針對(duì)每一個(gè)具體的應(yīng)用來(lái)開展設(shè)計(jì)工作，才能實(shí)現(xiàn)高效、可靠的系統(tǒng)目標(biāo)，這也是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。

(4)以數(shù)據(jù)為中心。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，人們通常只關(guān)心某個(gè)區(qū)域內(nèi)某個(gè)觀測(cè)指標(biāo)的數(shù)值，而不會(huì)去具體關(guān)心單個(gè)節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。例如：人們可能希望知道“監(jiān)測(cè)區(qū)域東北角上的溫度是多少”，而不會(huì)關(guān)心“節(jié)點(diǎn)8所探測(cè)到的溫度值是多少”。這就是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)，它不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過(guò)程，能夠快速、有效地組織起各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶。

(5)節(jié)點(diǎn)能力受限。傳感器節(jié)點(diǎn)具有的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力等都十分有限，因而在實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)的能力要受到以下一些限制：

電源能量受限。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的微型化，節(jié)點(diǎn)的電池能量有限，而且由于物理限制難以給節(jié)點(diǎn)更換電池，所以傳感器節(jié)點(diǎn)的電池能量限制是整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的約束之一，它直接決定了網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。

計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限。廉價(jià)微型的傳感器節(jié)點(diǎn)帶來(lái)了處理器能力弱、存儲(chǔ)器容量小的特點(diǎn)，使得其不能進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，而傳統(tǒng)Internet上成熟的協(xié)議和算法對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言開銷太大，難以使用，因此必須重新設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、有效的協(xié)議及算法。如何利用有限的計(jì)算和存儲(chǔ)資源完成諸多協(xié)同任務(wù)成為對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。

通信能力有限。通常，無(wú)線通信的能耗E與通信距離d的關(guān)系為

其中，2<n<4。參數(shù)n的取值與很多因素有關(guān)：由于傳感器節(jié)點(diǎn)體積小，發(fā)送端和接收端都貼近地面，障礙物多，干擾大，n的取值要偏大；另外，天線質(zhì)量對(duì)信號(hào)發(fā)射質(zhì)量的影響也很大。綜合考慮這些因素，通常取n為3，即通信能耗與通信距離的3次方成正比，隨著通信距離的增加，能耗會(huì)急劇增加。為節(jié)能起見，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用多跳路由的通信傳輸機(jī)制，盡量減少單跳通信的距離。E?=?kdn由于無(wú)線信道自身的物理特性，使得它所能提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬相對(duì)有線信道要小得多。此外，節(jié)點(diǎn)能量的變化、周圍地勢(shì)地貌以及自然環(huán)境的影響都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信性能發(fā)生變化，甚至通信有可能時(shí)斷時(shí)續(xù)。因此，如何設(shè)計(jì)可靠的通信機(jī)制以滿足網(wǎng)絡(luò)的通信需求是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

4.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展

4.2.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程

信息化革命促進(jìn)了傳感器信息的獲取從單一化逐漸向集成化、微型化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。伴隨著網(wǎng)絡(luò)化的潮流以及傳感相關(guān)技術(shù)的飛速進(jìn)步，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展跨越了三個(gè)階段：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、普適計(jì)算。

1．無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展起源于人們對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，它的不斷進(jìn)步直接推動(dòng)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念的產(chǎn)生和發(fā)展。下面是幾種典型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

(1)?ALOHA系統(tǒng)。

1971年，美國(guó)夏威夷大學(xué)創(chuàng)建了ALOHA系統(tǒng)，它包含7臺(tái)計(jì)算機(jī)，采用雙向星型拓?fù)溥B接，橫跨夏威夷的四座島嶼，是第一個(gè)獲得成功應(yīng)用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。其最重要的一點(diǎn)是提出了隨機(jī)占用信道的概念，即系統(tǒng)中眾多用戶共用一個(gè)信道，采用突發(fā)占用、碰撞重發(fā)的方法。當(dāng)某一個(gè)用戶有信息要傳遞時(shí)，就立即向信道上發(fā)送消息，同時(shí)檢測(cè)信道的使用情況。如果出錯(cuò)，則認(rèn)為和其他用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)生了碰撞，于是在某一時(shí)延后重發(fā)這個(gè)數(shù)據(jù)分組。這里選取“某一時(shí)延”是為了防止發(fā)生碰撞的用戶在檢測(cè)到碰撞后都立即重發(fā)分組，而使各個(gè)用戶錯(cuò)開重發(fā)時(shí)間，以避免連鎖碰撞的惡性循環(huán)。

(2)分組無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

基于ALOHA系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)于1972年開始了以包交換無(wú)線電網(wǎng)(PRNET)為代表的一系列無(wú)線分組網(wǎng)絡(luò)研發(fā)計(jì)劃。PRNET是一種直序擴(kuò)頻系統(tǒng)，每個(gè)接入節(jié)點(diǎn)通過(guò)每隔7.5s向鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)布信標(biāo)來(lái)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。另外，加拿大的業(yè)余無(wú)線電愛好者數(shù)字通信小組(ADCG)采用單一信道工作模式以及頻移鍵控調(diào)制方法，在通信過(guò)程中使用了與ALOHA系統(tǒng)相似的載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)(CSMA)的信道接入方式。分組無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的后續(xù)研究取得了不少成果，最主要的進(jìn)步是開發(fā)了多路訪問(wèn)沖突避免(MACA)無(wú)線信道接入?yún)f(xié)議。MACA將CSMA機(jī)制與蘋果公司Localtalk網(wǎng)絡(luò)中使用的RTS/CTS通信握手機(jī)制相結(jié)合，很好地解決了“隱蔽終端”和“暴露終端”的問(wèn)題。

(3)無(wú)線局域網(wǎng)。

無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)通過(guò)無(wú)線信道來(lái)完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信，并實(shí)現(xiàn)通信的移動(dòng)化、個(gè)性化和寬帶化，它具有接入靈活、移動(dòng)便捷、方便組建、易于擴(kuò)展等諸多優(yōu)點(diǎn)。作為全球公認(rèn)的局域網(wǎng)權(quán)威，IEEE802工作組建立的標(biāo)準(zhǔn)在局域網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。IEEE于1997年發(fā)布了無(wú)線局域網(wǎng)領(lǐng)域第一個(gè)在國(guó)際上被認(rèn)可的協(xié)議——802.11協(xié)議。1999年8月，802.11標(biāo)準(zhǔn)得到了進(jìn)一步的完善和修訂，包括用一個(gè)基于SNMP的MIB來(lái)取代原來(lái)基于OSI協(xié)議的MIB。另外還增加了兩項(xiàng)內(nèi)容，一項(xiàng)是802.11a，它擴(kuò)充了標(biāo)準(zhǔn)的物理層，頻帶為5GHz，采用QFSK調(diào)制方式，傳輸速率為6～54Mb/s。它采用正交頻分復(fù)用(OFDM)的獨(dú)特?cái)U(kuò)頻技術(shù)，可提供25Mb/s的無(wú)線ATM接口和10Mb/s的以太網(wǎng)無(wú)線幀結(jié)構(gòu)接口，并支持語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)。這樣的速率完全能滿足室內(nèi)、外各種應(yīng)用場(chǎng)合。另一項(xiàng)是802.11b標(biāo)準(zhǔn)，在2.4GHz頻帶，采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)和補(bǔ)償編碼鍵控(CCK)調(diào)制方式。該標(biāo)準(zhǔn)可提供11Mb/s的數(shù)據(jù)速率，還能夠根據(jù)情況的變化，在11Mb/s、5.5Mb/s、2Mb/s、1Mb/s的不同速率之間自動(dòng)切換。它從根本上改變了無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用現(xiàn)狀，擴(kuò)大了無(wú)線局域網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，大多數(shù)廠商生產(chǎn)的無(wú)線局域網(wǎng)產(chǎn)品都基于802.11b標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)版本802.11g。其最高傳輸速率為54Mb/s，同樣使用了2.4GHz的頻率。

(4)無(wú)線個(gè)域網(wǎng)。

HomeRF工作組于1998年為在家庭范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的無(wú)線通信制定了一個(gè)規(guī)范，即共享無(wú)線訪問(wèn)協(xié)議(SWAP)。該協(xié)議主要針對(duì)家庭無(wú)線局域網(wǎng)，其數(shù)據(jù)通信采用簡(jiǎn)化的IEEE802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。之后，HomeRF工作組又制定了HomeRF標(biāo)準(zhǔn)，它是IEEE802.11與泛歐數(shù)字無(wú)繩電話標(biāo)準(zhǔn)(DECT)的結(jié)合，用于實(shí)現(xiàn)PC和用戶電子設(shè)備之間的無(wú)線數(shù)字通信，可同步支持4條高質(zhì)量語(yǔ)音信道并具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

(5)無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)。

無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由帶有無(wú)線收發(fā)裝置的移動(dòng)終端所組成的多跳自組織的自治網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線局域網(wǎng)都屬于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施范疇，它們需要類似基站或訪問(wèn)服務(wù)點(diǎn)這樣的中心控制設(shè)備，而無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)中心的分布式控制網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)用戶終端兼?zhèn)渎酚善骱椭鳈C(jī)兩種功能，這為便攜終端實(shí)現(xiàn)自由快速的無(wú)線通信提供了可能。20世紀(jì)90年代以來(lái)，以Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)為代表的無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)從無(wú)線通信領(lǐng)域中的一個(gè)小分支逐漸擴(kuò)大到相對(duì)較為獨(dú)立的領(lǐng)域。由于它不依賴于任何已有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，終端節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)且隨意分布，因此，如何在終端節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的情況下保證高質(zhì)量的數(shù)據(jù)通信是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

2．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)起源于美國(guó)軍方的作戰(zhàn)需求。20世紀(jì)90年代中期以后，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了學(xué)術(shù)界、軍界和工業(yè)界的極大關(guān)注，美國(guó)通過(guò)國(guó)防部和國(guó)家自然基金委員會(huì)等多種渠道投入巨資支持無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，其他發(fā)達(dá)國(guó)家也相繼啟動(dòng)了許多關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究計(jì)劃。

(1)?SensorIT。

DARPA在1998年開展了名為SensorInformationTechnology(SensorIT)的研究計(jì)劃。該計(jì)劃共有29個(gè)研究項(xiàng)目，分別在25個(gè)研究機(jī)構(gòu)完成。它的研究目標(biāo)主要是針對(duì)適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)高度動(dòng)態(tài)的環(huán)境，建立快速進(jìn)行任務(wù)分配和查詢的反應(yīng)式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作信息處理技術(shù)發(fā)揮戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)化觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)。

(2)?WINS。

由DARPA資助，加州大學(xué)洛杉磯分校與羅克韋爾研究中心合作開展的WINS(WirelessIntegratedNetworkSensors)開始于1996年。該研究計(jì)劃的目標(biāo)是結(jié)合MEMS技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、嵌入式計(jì)算和無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)造大規(guī)模、復(fù)雜的集成傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物理世界與網(wǎng)絡(luò)世界的連接。

(3)?SmartDust。

在DARPA/MTOMEMS的資助下，U.C.Berkeley大學(xué)于1998年開始了名為SmartDust的研究計(jì)劃，其目標(biāo)是結(jié)合MEMS技術(shù)和集成電路技術(shù)，研制體積不超過(guò)1m3，使用太陽(yáng)能電池，具有光通信能力的自治傳感器節(jié)點(diǎn)。由于體積小、重量輕，該節(jié)點(diǎn)可以附著在其他物體上，甚至可以在空氣中浮動(dòng)。

(4)?SeaWeb。

SeaWeb由美國(guó)海軍研究辦公室(ONR)支持，目標(biāo)是研究基于水聲通信的組網(wǎng)技術(shù)。該項(xiàng)目針對(duì)水聲通信帶寬窄、速率低、時(shí)延抖動(dòng)大等特點(diǎn)，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取的信息對(duì)水聲信道時(shí)變、空變的特點(diǎn)進(jìn)行建模。該項(xiàng)目在1999年到2004年間進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，取得了大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了構(gòu)造水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可行性。

(5)?Hourglass。

哈佛大學(xué)于2004年開展了名為Hourglass的研究項(xiàng)目，旨在構(gòu)建一個(gè)健壯、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，即把不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，提供一個(gè)對(duì)廣泛分布的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、過(guò)濾、聚集和存儲(chǔ)的框架，并致力于將這個(gè)框架發(fā)展成為一個(gè)可以部署多傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的平臺(tái)。

(6)?SensorWebs。

2001年以來(lái)，美國(guó)國(guó)家航空與航天局(NASA)的JPL實(shí)驗(yàn)室所開展的SensorWebs計(jì)劃，致力于通過(guò)近地低空軌道飛行的星載傳感器提供全天候、同步、連續(xù)的全球影像，實(shí)現(xiàn)對(duì)地球突發(fā)事件的快速反應(yīng)，并準(zhǔn)備用在將來(lái)的火星探測(cè)項(xiàng)目上。

(7)?IrisNet。

IrisNet是Intel公司與美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)正在合作開發(fā)的技術(shù)，其主要設(shè)想是利用XML語(yǔ)言將分散于全球的傳感器網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)集中起來(lái)，并加以靈活利用，使其成為傳感信息世界中的Google。

(8)?NEST。

網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)(NEST)戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)作為DARPA主導(dǎo)的一個(gè)重要項(xiàng)目，致力于為火控和制導(dǎo)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的目標(biāo)定位信息。該項(xiàng)目成功地驗(yàn)證了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠準(zhǔn)確定位敵方狙擊手。這些傳感器節(jié)點(diǎn)能夠跟蹤子彈產(chǎn)生的沖擊波，在節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)測(cè)定子彈發(fā)射時(shí)產(chǎn)生聲震和槍震的時(shí)間，以判定子彈的發(fā)射源。三維空間的定位精度可達(dá)1.5m，定位延遲達(dá)2s，甚至能顯示出敵方射手采用跪姿和站姿射擊的差異。

3．普適計(jì)算

在主機(jī)計(jì)算時(shí)代，人們只能通過(guò)數(shù)量有限的大型主機(jī)獲取和處理有限的信息，這時(shí)的信息空間是由相對(duì)孤立的計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)空間構(gòu)成的，信息服務(wù)也相當(dāng)有限。在桌面計(jì)算時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)極大地促進(jìn)了信息空間的拓展，但信息空間的信息仍然有限，通常只能通過(guò)有限的手段(即桌面計(jì)算設(shè)備)來(lái)獲取和處理信息。這嚴(yán)重阻礙了人們獲取信息的能力,因而需要一種與信息空間發(fā)展相適應(yīng)的計(jì)算模式來(lái)滿足人們的信息需求，普適計(jì)算應(yīng)運(yùn)而生。1991年,MarkWeiser提出了“普適計(jì)算(PervasiveComputing)”的思想，即把計(jì)算機(jī)嵌入到環(huán)境或日常工具中去，讓計(jì)算機(jī)本身從人們的視線中消失，使人們注意的中心回歸到要完成的任務(wù)本身，并可以隨時(shí)隨地和透明地獲得數(shù)字化的服務(wù)。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的興起與迅速發(fā)展，普適計(jì)算的技術(shù)理念在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上得到了很好的實(shí)踐和延伸。作為實(shí)現(xiàn)普適計(jì)算的一個(gè)重要途徑，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠很好地實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的感知和多通道交互方式；同時(shí)通過(guò)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)(比如公共數(shù)據(jù)網(wǎng)、小型的局域網(wǎng)等傳輸媒介)來(lái)實(shí)現(xiàn)服務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，最后終端用戶通過(guò)普適設(shè)備來(lái)隨時(shí)隨地獲取所需要的各種服務(wù)信息。借助于大量分布于我們四周的微型傳感器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)周圍物理環(huán)境的變化，將一些影響我們?nèi)粘Ｉ畹奈锢憩F(xiàn)象信息化，從而將邏輯上的信息世界與真實(shí)的物理世界融合在一起，讓人們可以自由地穿行于物理世界和信息空間，“就如同人們?cè)谏种猩⒉桨闱逍伦匀弧?。成功的研究?xiàng)目如加州大學(xué)洛杉磯分校電子工程系的WINS，加州大學(xué)伯克利分校的WEBS，科羅拉多大學(xué)的MANTIS，南加州大學(xué)信息科學(xué)院的SCADDS，俄亥俄州大學(xué)的ExScal，麻省理工學(xué)院的NMS和μAMPS，哈佛大學(xué)的CodeBlue以及普渡大學(xué)的ESP項(xiàng)目，等等。另外，很多知名的機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室如IBM、微軟、英特爾、斯托尼布魯克分校的WINGS實(shí)驗(yàn)室、南加州大學(xué)的RESL實(shí)驗(yàn)室、耶魯大學(xué)的ENALAB實(shí)驗(yàn)室、加州大學(xué)洛杉磯分校的CENS實(shí)驗(yàn)室等也在從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。繼歐美等國(guó)家之后，日本、韓國(guó)、澳大利亞以及中國(guó)等國(guó)家和地區(qū)也積極開展了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院于1999年首次將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于“重點(diǎn)地區(qū)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警和決策支持示范系統(tǒng)”項(xiàng)目中。其后，傳感器網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)被確定為我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展“十一五計(jì)劃”中需要重點(diǎn)突破的核心技術(shù)。以中科院上海微系統(tǒng)所開始開發(fā)微傳感器系統(tǒng)平臺(tái)為代表，中科院軟件所、電子所、自動(dòng)化所等研究所，以及各大高校如清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、電子科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等都較早地進(jìn)行了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。為了擴(kuò)大研究領(lǐng)域，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)從基礎(chǔ)研究發(fā)展到應(yīng)用研究，中科院和武漢大學(xué)先后與香港科技大學(xué)和香港城市大學(xué)建立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，共同開展研究工作。2005年，電子科技大學(xué)聯(lián)合幾家科研機(jī)構(gòu)在自主搭建的平臺(tái)上構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，完成了硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。很多學(xué)者針對(duì)無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)定位、時(shí)間同步、能量路由等問(wèn)題做了研究并提出了新的算法，推進(jìn)了無(wú)線傳感器的理論研究。

2006年，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被國(guó)務(wù)院“國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要”列為信息產(chǎn)業(yè)優(yōu)先發(fā)展課題之一，國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)防科工委和國(guó)家發(fā)改委從2003年起，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課題投入了越來(lái)越多的支持。2006年至今，很多中小型通信和電子企業(yè)均已開始了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的研究。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并影響了人們的生活方式，已成為當(dāng)今研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。4.2.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展

隨著人類探知領(lǐng)域和空間的拓展，人們需要獲取信息的種類在增多，需要信息傳遞的速度在增快，需要信息處理的能力在增強(qiáng)。信息領(lǐng)域始終為引領(lǐng)潮流的研究領(lǐng)域。

信息領(lǐng)域包括信息采集、信息傳輸和信息處理三大子領(lǐng)域。信息采集即傳感，是人類感官的延伸，為人們認(rèn)識(shí)和控制相應(yīng)的對(duì)象提供條件和依據(jù)；信息傳輸是人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的延伸，將所采集的信息傳輸?shù)叫畔⒅袠幸员闾幚?；信息處理是人類大腦的延伸，對(duì)輸送到的信息進(jìn)行加工，用于認(rèn)識(shí)和控制。此三大子領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展相互依存、相互推動(dòng)并交替上升。每次信息領(lǐng)域的重大突破都會(huì)導(dǎo)致人類社會(huì)發(fā)生深刻的變革。專家預(yù)言，隨著傳感、傳輸與處理三大子領(lǐng)域技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)生，人類將被逐漸引領(lǐng)步入“網(wǎng)絡(luò)即傳感器”的傳感時(shí)代，人們可以通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)直接感知真實(shí)世界甚至虛擬世界的一切，從而極大地?cái)U(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的功能，增強(qiáng)了人類認(rèn)識(shí)世界的能力。這些必將極大地推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，并帶來(lái)社會(huì)的深刻變革。

在現(xiàn)代社會(huì)中，傳感器已經(jīng)成為連接自然世界與電子世界的主要媒介。與此同時(shí)，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，人們不再滿足于單個(gè)傳感器獨(dú)立地對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知，而是希望通過(guò)傳感器之間的相互協(xié)作與通信完成更為廣泛與精細(xì)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并且把監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)以及部分處理的結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給相應(yīng)的用戶，以便用戶完成更為復(fù)雜的計(jì)算、分析以及處理。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國(guó)際上備受關(guān)注的、由多學(xué)科高度交叉形成的新興前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。傳感網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)及分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過(guò)各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理，并通過(guò)隨機(jī)自組織無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端，從而真正實(shí)現(xiàn)“無(wú)處不在的計(jì)算”理念。傳感網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)引起了世界許多國(guó)家軍界、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，被認(rèn)為是將對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。從2003年開始，美國(guó)科學(xué)基金委員會(huì)就開始資助傳感器和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目，涉及能感知有毒化學(xué)物、爆炸物和生物攻擊的傳感器，在分布環(huán)境下的傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，傳感器和工業(yè)系統(tǒng)的集成，以及在決策過(guò)程中如何有效利用感知數(shù)據(jù)的問(wèn)題。這些研究和應(yīng)用緊密聯(lián)系，政府每年撥款3400萬(wàn)美元支持大小不同的研究項(xiàng)目。

2003年，美國(guó)能源部和許多大學(xué)和研究中心合作，資助520萬(wàn)美元研究通過(guò)無(wú)線和感知方法提高工業(yè)部門效率；資助300萬(wàn)美元研究分布式無(wú)線多傳感器技術(shù)；與Eaton公司等合作，資助300萬(wàn)美元研究Eaton無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的能量管理解決技術(shù)；資助290萬(wàn)美元研究如何利用低成本的一氧化碳傳感器和火爐控制系統(tǒng)提高鍋爐效率等。歐盟的EYES(自組織和協(xié)作有效能量的傳感網(wǎng)絡(luò))是一項(xiàng)為期3年的計(jì)劃，從2002年開始實(shí)施。研究的范圍包括分布式信息處理、無(wú)線通信和移動(dòng)計(jì)算。該項(xiàng)目集中研究體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議和軟件，使節(jié)點(diǎn)“聰明”，自組織及相互協(xié)作。他們提出應(yīng)具備兩層結(jié)構(gòu)：低層處理傳感器和傳感網(wǎng)絡(luò)，上層根據(jù)低層提供的信息，為應(yīng)用提供服務(wù)。在通信網(wǎng)絡(luò)方面開發(fā)的新技術(shù)包括內(nèi)部傳感器結(jié)構(gòu)、分布無(wú)線接入、路由協(xié)議、可靠的端到端傳輸、節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步和定位；在服務(wù)層，支持移動(dòng)傳感器應(yīng)用，包括信息收集、查找、發(fā)現(xiàn)和安全等。

2004年3月，日本總務(wù)省成立“泛在傳感網(wǎng)絡(luò)(UbiquitousSensorNetwork，USN)”調(diào)查研究會(huì)，研究會(huì)成員共31名，除家電廠商、通信運(yùn)營(yíng)商和大學(xué)之外，還包括SKYLEYNETWORKS、世康、歐姆龍等大型公司。

國(guó)外的一些著名大學(xué)如加州大學(xué)洛杉磯分校、康奈爾大學(xué)、麻省理工學(xué)院和加州大學(xué)伯克利分校等也先后開展了傳感網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作。其中以下幾項(xiàng)研究值得關(guān)注。加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)在生態(tài)監(jiān)控方面研究了小氣候傳感器和視頻傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括通過(guò)有限的傳感器節(jié)點(diǎn)和簡(jiǎn)單且易于測(cè)試的通信軟件進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)收集的應(yīng)用系統(tǒng)，研究鳥巢中微氣候的影響，還研究了自動(dòng)分類實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)端鳥巢內(nèi)圖像數(shù)據(jù)的收集和在土壤中嵌入網(wǎng)絡(luò)感知技術(shù)等。另外還有移動(dòng)感知平臺(tái)的生態(tài)應(yīng)用系統(tǒng)、無(wú)線傳感器中的自適應(yīng)通信、農(nóng)業(yè)和生態(tài)應(yīng)用中視頻成像節(jié)點(diǎn)的部署等。在地震監(jiān)控和響應(yīng)方面，研究了數(shù)據(jù)通信控制器和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步，實(shí)時(shí)地震監(jiān)控和深埋地下的傳感器的可靠部署，寬帶地震網(wǎng)絡(luò)，連續(xù)實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)檢測(cè)的無(wú)線地震監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等。在污染傳輸監(jiān)控方面，研究了實(shí)驗(yàn)室污染源估計(jì)，包括開發(fā)提取污染源區(qū)域特征的軟硬件系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室?guī)r石影響評(píng)估，傳輸媒質(zhì)中沙漠土壤物理模型和相關(guān)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，在理想化土壤系統(tǒng)中水滲透和土壤潮濕分布的初步實(shí)現(xiàn)，傳感器錯(cuò)誤控制等。麻省理工學(xué)院研究了傳感網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)集成框架以及集成兩者技術(shù)的查詢優(yōu)化技術(shù)等，并且獲得了NSF的資助；在DARPA的支持下，研究了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的中間件技術(shù)，比如定位、追蹤和聯(lián)網(wǎng)等，還研究了大型傳感網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展算法、軟件應(yīng)用的靈活性以及利用無(wú)線和超聲波提供定位服務(wù)的方法等。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)研制及其關(guān)鍵技術(shù)的研究，將極大地推動(dòng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)的國(guó)產(chǎn)化研究，為中國(guó)提供具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高科技產(chǎn)品。4.2.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展方向

根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，總結(jié)出每層中面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)如下。

1．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的主要技術(shù)挑戰(zhàn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低能耗、低成本、微型化等特點(diǎn)，以及具體應(yīng)用的特殊需求給物理層的設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。

(1)調(diào)制機(jī)制。低能耗、低成本的特點(diǎn)一方面要求調(diào)制機(jī)制盡量設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，能量消耗低。另一方面，無(wú)線通信本身的不可靠性、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有無(wú)線通信系統(tǒng)和無(wú)線設(shè)備之間的無(wú)線電干擾，以及具體應(yīng)用的特殊要求使得調(diào)制機(jī)制必須具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

(2)便于與上層協(xié)議結(jié)合的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)。物理層處于最底層，是整個(gè)開放系統(tǒng)的基礎(chǔ)。它的設(shè)計(jì)對(duì)以上各層的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要影響，而跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究的主要內(nèi)容。

(3)硬件設(shè)計(jì)。在整個(gè)協(xié)議棧中，物理層與硬件的關(guān)聯(lián)最為密切。微型、低功耗、低成本的傳感、處理和通信單元的設(shè)計(jì)是非常必要的。

2．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的主要技術(shù)挑戰(zhàn)

盡管無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議研究取得了很大進(jìn)展，但還有一些根本性的問(wèn)題尚未完全解決?？偟膩?lái)說(shuō)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議還面臨以下若干技術(shù)挑戰(zhàn)。

(1)復(fù)雜度和性能的折中?，F(xiàn)有的MAC協(xié)議為了追求能耗的最小化，往往以提高節(jié)點(diǎn)復(fù)雜度為代價(jià)。例如，基于低功耗前導(dǎo)載波的協(xié)議以增加額外的接收信號(hào)檢測(cè)電路為代價(jià)。這在實(shí)際的計(jì)算和存儲(chǔ)能力較低的傳感器節(jié)點(diǎn)上往往難以實(shí)現(xiàn)，因此要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，研究如何在復(fù)雜度和性能之間實(shí)現(xiàn)最優(yōu)折中。

(2)各種性能指標(biāo)間的折中。在MAC協(xié)議設(shè)計(jì)中，傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種性能指標(biāo)之間經(jīng)常會(huì)發(fā)生沖突。例如，為了降低功耗，希望節(jié)點(diǎn)盡可能長(zhǎng)時(shí)間處于休眠狀態(tài)，但這勢(shì)必會(huì)增大消息延遲；為了降低成本，希望使用低穩(wěn)定度、低成本的時(shí)間基準(zhǔn)，但這對(duì)基于時(shí)分復(fù)用類的MAC協(xié)議來(lái)說(shuō)則非常不利?？傊F(xiàn)有的MAC協(xié)議往往顧此失彼，僅考慮了某些性能指標(biāo)的優(yōu)化，而忽略了其他方面的指標(biāo)。

(3)跨層優(yōu)化。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)分層網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別是各層間能夠緊密協(xié)作與信息共享。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)不應(yīng)死守傳統(tǒng)分層設(shè)計(jì)的觀念，而應(yīng)該通過(guò)跨層設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。例如，MAC協(xié)議中可以根據(jù)應(yīng)用層傳遞的消息的重要性或緊迫程度，為不同節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)分配不同的信道訪問(wèn)能力。

3．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層的主要技術(shù)挑戰(zhàn)

路由協(xié)議不僅要考慮節(jié)能，更要根據(jù)具體的應(yīng)用背景從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的角度，考慮網(wǎng)絡(luò)能量的均衡使用，最終延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。研究人員采用多種策略來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由，提出了各種各樣的路由協(xié)議。好的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)。

(1)針對(duì)能量高度受限的特點(diǎn)，高效利用能量幾乎是設(shè)計(jì)的第一策略。

(2)針對(duì)包頭開銷大、通信耗能、節(jié)點(diǎn)有合作關(guān)系、數(shù)據(jù)有相關(guān)性和節(jié)點(diǎn)能量有限等特點(diǎn)采用數(shù)據(jù)聚合、過(guò)濾等技術(shù)。

(3)針對(duì)流量特征、通信耗能等特點(diǎn)，采用通信量負(fù)載平衡技術(shù)。

(4)針對(duì)節(jié)點(diǎn)少移動(dòng)的特點(diǎn)，不維護(hù)其移動(dòng)性。

(5)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)封閉、不提供計(jì)算等特點(diǎn)，只在匯聚節(jié)點(diǎn)考慮與其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

(6)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不編址的特點(diǎn)，采用基于數(shù)據(jù)或基于位置的通信機(jī)制。

(7)針對(duì)節(jié)點(diǎn)易失效的特點(diǎn)，采用多路徑機(jī)制。

盡管無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議研究取得了很大進(jìn)展，但還有一些根本性的問(wèn)題尚未完全解決?？偟膩?lái)說(shuō)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議還面臨以下若干技術(shù)挑戰(zhàn)。

(1)減小通信量。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信最為耗能，因此應(yīng)在協(xié)議中盡量減少數(shù)據(jù)通信量。例如，可在數(shù)據(jù)查詢或者數(shù)據(jù)上報(bào)中采用某種過(guò)濾機(jī)制，抑制節(jié)點(diǎn)上傳不必要的數(shù)據(jù)；采用數(shù)據(jù)融合機(jī)制，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)前就完成可能的數(shù)據(jù)計(jì)算。

(2)構(gòu)建能量有效的全局最優(yōu)路由策略。由于能量的約束，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)法采用傳統(tǒng)的全局中心控制式路由算法精確計(jì)算優(yōu)化路由，而是依據(jù)本地拓?fù)湫畔?shí)現(xiàn)路由的局部?jī)?yōu)化。如何將路由的局部?jī)?yōu)化拓展到實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)是路由算法設(shè)計(jì)的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

(3)保持通信量負(fù)載平衡。通過(guò)更加靈活地使用路由策略讓各個(gè)節(jié)點(diǎn)分擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸，平衡節(jié)點(diǎn)的剩余能量，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。例如，可在層次路由中采用動(dòng)態(tài)路由；在路由選擇中采用隨機(jī)路由而非穩(wěn)定路由；在路徑選擇中考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量。

(4)應(yīng)具有容錯(cuò)性。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容易發(fā)生故障，因此應(yīng)盡量利用節(jié)點(diǎn)易獲得的網(wǎng)絡(luò)信息計(jì)算路由，以確保在路由出現(xiàn)故障時(shí)能夠盡快恢復(fù)，并可采用多路徑傳輸來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(5)應(yīng)具有安全機(jī)制。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的固有特性，其路由協(xié)議極易受到安全威脅，尤其是在軍事應(yīng)用中。目前的路由協(xié)議很少考慮安全問(wèn)題，因此在一些應(yīng)用中必須考慮設(shè)計(jì)具有安全機(jī)制的路由協(xié)議。

4．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層的主要技術(shù)挑戰(zhàn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層技術(shù)雖然取得了一些進(jìn)展，但仍然存在以下問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

(1)需要設(shè)計(jì)具有較短時(shí)延的傳輸協(xié)議。現(xiàn)有的傳輸協(xié)議都需要較長(zhǎng)的時(shí)延才能保證可靠的傳輸，尤其當(dāng)存在多個(gè)并發(fā)傳輸任務(wù)時(shí)，因此這些協(xié)議不適用于對(duì)時(shí)延有較高要求的實(shí)時(shí)應(yīng)用。

(2)需要考慮如何保證傳輸?shù)陌踩?。在受到惡意攻擊的情況下，可靠的傳輸層技術(shù)應(yīng)該能夠安全可靠地傳輸數(shù)據(jù)。在進(jìn)一步研究時(shí)，可以考慮如何將數(shù)據(jù)加密技術(shù)結(jié)合到傳輸層技術(shù)的設(shè)計(jì)中。

(3)需要優(yōu)化現(xiàn)有的傳輸協(xié)議，提高可擴(kuò)展性和容錯(cuò)性，降低能量消耗并縮短響應(yīng)時(shí)間。例如，可通過(guò)調(diào)整執(zhí)行任務(wù)的傳感器數(shù)量或位置，更好地控制無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性和能耗。

由于以上這些挑戰(zhàn)，根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要有四個(gè)方面。

(1)靈活、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛地應(yīng)用于軍事、環(huán)境、醫(yī)療、家庭、工業(yè)等領(lǐng)域。其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)與具體的應(yīng)用環(huán)境有著緊密關(guān)聯(lián)。在環(huán)境監(jiān)測(cè)中需要使用靜止、低速的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；軍事應(yīng)用中需要使用移動(dòng)的、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；智能交通里還需要將RFID技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合起來(lái)使用。這些面向不同應(yīng)用背景的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所使用的路由機(jī)制、數(shù)據(jù)傳輸模式、實(shí)時(shí)性要求以及組網(wǎng)機(jī)制等都有著很大的差異，因而網(wǎng)絡(luò)性能各有不同。目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中所提出的各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都是基于某種特定的應(yīng)用而提出的，這給無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通用化設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)了巨大的困難。如何設(shè)計(jì)功能可裁減、自主靈活、可重構(gòu)和適應(yīng)于不同應(yīng)用需求的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，將是未來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

(2)跨層設(shè)計(jì)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著分層的體系結(jié)構(gòu)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)也大都是分層進(jìn)行的。各層的設(shè)計(jì)相互獨(dú)立且具有一定局限性，因而各層的優(yōu)化設(shè)計(jì)并不能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)最優(yōu)。針對(duì)此問(wèn)題，一些研究者提出了跨層設(shè)計(jì)的概念?？鐚釉O(shè)計(jì)的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)邏輯上并不相鄰的協(xié)議層之間的設(shè)計(jì)互動(dòng)與性能平衡。對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，能量管理機(jī)制、低功耗設(shè)計(jì)等在各層設(shè)計(jì)中都有所體現(xiàn)；但要使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能效果達(dá)到最優(yōu)，還應(yīng)采用跨層設(shè)計(jì)的思想。將MAC與路由相結(jié)合進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)可以有效節(jié)省能量,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。同樣，傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量管理和低功耗設(shè)計(jì)也必須結(jié)合實(shí)際跨層進(jìn)行。此外，在時(shí)間同步和節(jié)點(diǎn)定位方面，采用跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式能夠使節(jié)點(diǎn)直接獲取物理層的信息，有效避免本地處理帶來(lái)的誤差，從而獲得較為準(zhǔn)確的相關(guān)信息。

(3)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。ZigBee是一種新興的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)范，主要用于近距離無(wú)線連接。它的基礎(chǔ)是IEEE無(wú)線個(gè)域網(wǎng)工作組所制定的IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。802.15.4標(biāo)準(zhǔn)旨在為低能耗的簡(jiǎn)單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在10m左右的低速連接，可廣泛用于交互玩具、庫(kù)存跟蹤監(jiān)測(cè)等消費(fèi)與商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。此外，ZigBee還具有低傳輸速率、低功耗、協(xié)議簡(jiǎn)單、時(shí)延短、安全可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰Φ葍?yōu)點(diǎn)。ZigBee的這些優(yōu)點(diǎn)極好地支持了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)：它能夠在眾多微小的傳感器節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，這些節(jié)點(diǎn)只需要很低的功耗，以多跳接力的方式在節(jié)點(diǎn)間傳送數(shù)據(jù)，因而通信效率非常高。目前，ZigBee聯(lián)盟正在進(jìn)行協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的整合工作，該標(biāo)準(zhǔn)的成功制定對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的推廣使用將有著深遠(yuǎn)、重要的意義。

(4)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合將帶來(lái)新的應(yīng)用。例如，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)的融合，一方面使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)得以借助這兩種傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳遞信息，另一方面這兩種網(wǎng)絡(luò)可以利用傳感信息實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的創(chuàng)新。此外，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為傳感與信息采集的基礎(chǔ)設(shè)施融合進(jìn)網(wǎng)格體系，構(gòu)建一種全新的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)格體系——無(wú)線傳感器網(wǎng)格。傳感器網(wǎng)絡(luò)專注于探測(cè)和收集環(huán)境信息，復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)等服務(wù)則交給網(wǎng)格來(lái)完成，將能夠?yàn)榇笮偷能娛聭?yīng)用、科研、工業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)交易等應(yīng)用領(lǐng)域提供一個(gè)集數(shù)據(jù)感知、密集處理和海量存儲(chǔ)于一體的強(qiáng)大的操作平臺(tái)。4.2.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，它能應(yīng)用于軍事、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、城市智能交通、空間探索、大型車間和倉(cāng)庫(kù)管理，以及機(jī)場(chǎng)、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究和廣泛應(yīng)用，傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)逐漸深入人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。

1．在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由密集型、低成本、隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)組成，具有可快速部署、自組織、隱蔽性強(qiáng)和高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，某個(gè)節(jié)點(diǎn)因受外界環(huán)境影響失效不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，因此適合工作在惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，可完成對(duì)敵軍地形和兵力布防及裝備的偵察、實(shí)時(shí)監(jiān)視戰(zhàn)場(chǎng)、定位攻擊目標(biāo)、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估、監(jiān)測(cè)和搜索核攻擊和生物化學(xué)攻擊等功能。在戰(zhàn)場(chǎng)中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)飛機(jī)播撒、特種炮彈發(fā)射等方法布置于軍事要地，傳感器節(jié)點(diǎn)收集該區(qū)域內(nèi)武器裝備、物資供給、地形地貌、敵軍布防等有價(jià)值的信息，通過(guò)衛(wèi)星直接發(fā)送至作戰(zhàn)指揮部或通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送至指揮部，有利于指揮員迅速做出作戰(zhàn)決策，也為火控和制導(dǎo)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的目標(biāo)定位信息，從而達(dá)到“知已知彼、百戰(zhàn)不殆”。在戰(zhàn)后，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以部署在目標(biāo)區(qū)域收集戰(zhàn)場(chǎng)損害評(píng)估數(shù)據(jù)。

典型的軍事方面應(yīng)用是美國(guó)BAE公司開發(fā)的“狼群”地面無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以監(jiān)聽敵方雷達(dá)和通信，分析網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，還可以干擾敵方發(fā)射機(jī)或通過(guò)算法