1.2　无线传感器网络的发展与应用

目前无线传感器网络（WSN）正处于蓬勃发展的阶段，已经成为继计算机、互联网与移动通信之后信息产业新一轮竞争中的制高点，对人们的社会生活和产业变革带来了巨大的影响。《商业周刊》将WSN列为21世纪最具影响力的21项技术之一，《技术评论》杂志也将其列为未来改变世界的十大新兴技术之首。我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中，将WSN列入重大专项、优先发展主题、前沿领域，它也是国家重大专项“新一代宽带无线移动通信网”中的一个重要研究方向，同时国家重点基础研究发展计划（“973”计划）也将WSN列为其重要研究内容。我国政府近年来大力开展智慧城市建设，WSN可以通过遍布城市各个角落的智能传感器来感知城市的交通流量、空气质量、噪声等，并根据感知结果来优化交通流量调度、治理雾霾天气等。可以说，WSN为智慧城市的建设提供了基础支撑。

1.2.1　WSN的发展过程及趋势

1.WSN的发展过程

无线网络技术的发展起源于人们对无线数据传输的需求，无线网络技术的不断进步直接推动了WSN概念的产生和发展。WSN的发展过程可以分为以下几个阶段。

第一阶段：WSN的基本思想起源于20世纪70年代，当时的传感器网络特别简单，传感器只能获取简单信号，数据传输采用点对点模式，传感器节点与传感控制器相连就构成了传感器网络雏形，人们把它称为第一代传感器网络。

第二阶段：在20世纪80年代至90年代，随着相关学科的不断发展和进步，该阶段的传感器网络具备了获取多种信息的综合处理能力，并通过串/并接口与传感控制器相连，组成兼具信息综合和信息处理两种能力的传感器网络，通常被称为第二代传感器网络。

第三阶段：传感器网络更新的速度越来越快，在20世纪90年代后期，第三代传感器网络问世，它更加智能化，综合处理能力更强，能够智能地获取各种信息，网络采用局域网形式，通过一根总线实现传感器节点和传感控制器的连接，是一种智能化的传感器网络。

第四阶段：到现在为止，第四代传感器网络还在开发之中，虽然第四代WSN在实验室中已经能够运行，但限于节点成本、电池寿命等原因，大规模、通用成型的产品和种类还不能够满足社会的需求。这一代网络结构采用无线通信模式，大规模地撒播具有简单数据处理和融合能力的无线传感器节点，无线自组织地实现节点间的相互通信，这就是所谓的WSN。

目前，不论国内还是国外，WSN都是一个重点研究的课题，随着时间的推移和科技的发展，相信在几年之内WSN必定会取得巨大的突破。

2.WSN的发展方向

WSN是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统，具有很强的应用相关性，不同应用需要配置不同的网络模型、软件系统与硬件平台。随着技术的发展，WSN的应用与研究呈现出无线传感器节点体积小、成本低、能耗少、通信能力强、可维护性和扩展性好、稳定性和安全性高等发展趋势。WSN的发展应注意以下方面：

（1）低成本问题。WSN是由大量的无线传感器节点组成的，单个节点的成本会极大程度地影响WSN的成本。为了达到降低单个节点成本的目的，需要设计出对计算、通信和存储能力均要求较低的简单网络系统和通信协议。此外，还可以通过减少管理与维护的开销来降低WSN的成本，这需要WSN具有自配置和自修复的能力。

（2）低能耗问题。在WSN中传感节点能量是有限的，而能量又与WSN寿命紧密联系。在应用中，无线传感器节点会由于能量耗尽而失效或废弃，这就要求WSN中的无线传感器节点都要最小化自身的能耗，以获得最长的工作时间。目前常见的解决方案是使用高能电池，理想的情况是让无线传感器节点具备自我收集能量的功能，自动收集能量技术的开发和使用令WSN的无线传感器节点的工作时间更长。在WSN中的各项技术和协议的使用一般都是以节能为前提的，针对不同应用的节点自定位算法、优化覆盖算法、时间同步算法都是值得进一步深入研究的问题，以进一步提高网络的性能，延长WSN寿命。

（3）安全与抗干扰问题。由于WSN具有严格的资源和成本限制，因此在实际应用中也会带来一定的安全问题。例如，无线传感器节点在实际应用中往往会部署在环境恶劣、人员不可到达的区域，因此要求无线传感器节点必须具备良好的安全性和一定的抗干扰能力。

无线传感器节点可能在极寒冷、极炎热、极干或极潮湿等恶劣条件下工作，要求这些现状都不能对无线传感器节点的感知产生影响，也不能对无线传感器节点内的电路运行产生影响，同时也不能影响无线传感器节点间的数据传输。因此在对无线传感器节点的设计上，不仅要考虑无线传感器节点的外壳设计、内部电路的设计，而且还要考虑如何使用较少的能量完成数据加密、身份认证、入侵检测，以及在被破坏或受干扰的情况下可靠地完成任务，这也是WSN研究与设计面临的一个重要挑战。

（4）实时性问题。WSN的应用大多要求有较高的实时性，如目标在进入监测区域之后，要求WSN能够在一个很短的时间内对这一事件做出响应。若其反应时间过长，则目标可能已离开监测区域，从而使得到的数据失效。又如，车载监控系统需要在很短的时间内读一次加速度仪的测量值，否则将无法正确估计速度，导致交通事故。这些应用都对WSN的实时性提出了很大的挑战。

（5）协作方式。在WSN中，单个无线传感器节点的能力有限，往往不能单独完成对目标的测量、跟踪和识别工作，从而需要多个无线传感器节点采用一定的算法通过交换信息，对所获得的数据进行加工、汇总和过滤，并以事件的形式得到最终结果。

无线传感器节点间的协作方式通常包括协作式采集、处理、存储以及传输数据。通过协作方式，无线传感器节点可以共同实现对目标的感知，得到完整的信息。这种方式可以有效克服单个无线传感器节点处理和存储能力不足的缺点，共同完成复杂任务的执行。在协作方式下，可以通过多跳中继转发，也可以通过多节点协作发射的方式来实现远距离通信。

在数据的协作传输过程中会涉及网络协议的设计问题，这也是WSN目前研究的热点之一。

1.2.2　WSN在物联网中的应用

物联网（Internet of Things，IoT）是新一代信息技术的重要组成部分，其核心和基础是互联网，并在互联网的基础上进行了延伸和扩展。世界上所有的物品，小到纽扣、手表，大到汽车、公路设施、楼房等都可以通过互联网进行通信，并实现智能化识别和管理，万物的连接就形成了物联网。目前，物联网已在智能家居、智能医疗、智慧城市、智能交通、智能校园等领域得到了广泛的应用。

物联网是通过射频识别（Radio Frequency IDentification，RFID）、红外感应器、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议把物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。从技术架构上来看，物联网可分为感知层、网络层和应用层。物联网的组成架构如图1.1所示。

感知层由传感器以及传感器网关构成，包括各种传感器、二维码标签、射频识别（RFID）标签和读写器、摄像头、全球定位系统（GPS）等感知终端。感知层的作用相当于人的眼、耳、鼻、喉和皮肤的神经末梢，它是物联网获取数据的来源，其主要功能是识别物体、采集数据。网络层由各种私有网络、互联网、有线/无线网络，以及网络管理系统等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传输和处理感知层获取的数据。应用层是物联网和用户之间的接口，与行业需求相结合，实现物联网的智能应用。

物联网的行业特性主要体现在其应用领域内。目前，绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、智能医疗、智能家居、智能交通和环境监测等行业均有物联网的应用，某些行业已积累了一些成功的案例。

根据物联网的实质用途，可以得出以下三种基本应用模式：

（1）智能标签。通过二维码、射频识别等技术标识特定的对象，用于区分对象个体。例如，在人们日常生活中使用的各种智能卡、二维码标签的基本用途就是用来获得对象的识别信息。此外，通过二维码标签还可以获得对象物品所包含的扩展信息，如智能卡上的金额、二维码标签中所包含的网址和名称等。

（2）环境监控和对象跟踪。利用多种类型的传感器和广泛部署的无线传感器节点，可以实现对某个对象实时状态的获取和特定对象行为的监测。例如，通过分布在市区的噪声探头可以监测噪声污染，通过二氧化碳传感器可以监测大气中二氧化碳的浓度，通过全球定位系统可以跟踪车辆位置，通过交通路口的摄像头可以捕捉实时交通流量等。

（3）对象的智能控制。物联网基于智能网络，可以依据无线传感器节点所获取的数据进行决策，通过控制和反馈等方式改变对象的行为。例如，根据光线的强弱可以自动调整路灯的亮度，根据车辆的流量可以自动调整红绿灯的间隔时间等。

作为物联网的重要组成部分，WSN实现了感知数据的采集、处理和传输功能，它的出现直接推动了物联网的发展。WSN具有自治能力、能够自主组网，不需要布线，而且无线传感器节点的低能耗和微型化，能够部署在越来越多的应用场景，可安装在工控设备、运输车辆、历史建筑、林木等之上，甚至可植入人或其他动物的体内。伴随着互联网和4G、5G网络的广泛应用，能实现无处不在的感知，极大地丰富了人类的感知能力和范围。

基于前述对物联网和WSN的定义及特征分析可知，物联网与WSN的关系是物联网包含WSN，WSN是物联网的基础，如图1.2所示。从通信对象及技术的覆盖范围来看，WSN是物联网实现数据采集的网络。

1.2.3　WSN的应用领域

随着大规模、分布式WSN的应用，WSN将会覆盖和装备整个地球，连续监测和收集各种物理、生物等信息，包括土壤和空气条件、各种基础设施的状况、濒危物种的习性特征等。WSN的应用能够帮助人们理解和管理与我们不断增强连接的物理世界。

WSN的应用可以分为跟踪应用和监测应用两类，如图1.3所示，这两类应用呈现出了相互融合的趋势。监测应用包括环境监测、公共卫生监测、商业监测、生物监测、军事监测等，跟踪应用包括工业跟踪、公共事业跟踪、商业跟踪、军事跟踪等。

根据监测对象的特性，WSN的应用可以分类为空间监测、目标监测，以及空间和目标的交互监测。空间监测包括战场环境、气候、环境质量等监测。目前，碳循环、气候变化和有害海藻等生物现象在时空维度上没有合适的观察手段，WSN能够提高相关的模型精度和预报的准确率。目标监测包括建筑物状况、设备维护、医疗诊断等。更多的动态应用包含复杂的交互，如灾难管理、应急响应、健康医疗、泛在计算环境等。定位与跟踪应用就是WSN通过对目标间的距离（或角度）测量，并进行定位计算获得目标的位置。

根据感知数据的获取方式，WSN应用可以分类为事件驱动、时间驱动和查询驱动。事件驱动的应用是WSN监测和报告特定的事件是否发生，如火警或区域入侵事件。这类应用在事件发生时由无线传感器节点发送数据到汇聚节点。目标发现和跟踪是典型的事件驱动的应用实例，包含目标监测、分类和确定目标的位置等，一旦目标在监测区域出现，通常需要及时报告和跟踪目标的位置。目标监测和跟踪中的目标可以分为两种类型，一类是相对活动区域来说较小的目标，如战场上的坦克或士兵；另一类是在监测区域不断扩散的目标，如森林大火、战场毒气等，不仅要监测到目标，还要监测扩散的区域和速度等。事件驱动的应用往往对传输可靠性、实时性的要求较高。

时间驱动的应用需要周期性的数据采集，如环境监测、交通流量监测等。无线传感器节点周期性地将感知到的数据发送到汇聚节点，数据上报的周期可以预先设置，也可以根据所监测环境及应用的要求由用户动态地设置。这类应用通过无线传感器节点的连续监测来反映监测对象的变化，适合连续状态的监测，如农作物监测。但对用户来说，返回的大部分数据可能是无用的，会导致传输和处理资源的浪费。在这类应用中，监测区域内多数无线传感器节点通常都要报告，对传输的实时性及传输质量的要求不如事件驱动的应用高，但需要确定最优的上报周期。

查询驱动的应用就是用户希望查询覆盖区域内的信息，向WSN发送查询请求，无线传感器节点根据查询请求检索所需的数据。查询驱动的应用实际上就是用户或应用组件与无线传感器节点之间的请求-响应交互，这类应用也可被视为事件驱动的应用，其中事件就是用户发送的查询请求。查询驱动的应用将WSN看成数据库，为用户提供了一个高层查询接口，向用户隐藏了网络拓扑以及无线通信的细节。

在事件驱动的应用中，当感兴趣的事件发生时，才会产生数据流量；而在时间驱动的应用中，数据每隔一定时间就会被发送到汇聚节点；查询驱动的应用则是按照用户的需要收集数据。很多实际应用需要完成多种任务，既有事件驱动的数据流量，也有时间驱动的数据流量，往往是混合的数据流量模式，这种模式综合利用了两种或更多的方法，可降低由于单种方法的缺陷所造成的影响。

WSN技术被认为是21世纪中能够对信息技术、经济和社会进步发挥重要作用的技术，其发展潜力巨大，该技术的广泛应用，将会对现代军事、现代信息技术、现代制造业及许多重要的社会领域产生巨大的影响。