1.1 无线传感器网络概述

无线传感器网络是新兴的下一代网络。如果说互联网（Internet）构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变了人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。美国的《商业周刊》和《MIT技术评论》在预测未来技术发展的报告中，将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的十大技术之一。

然而，无线传感器网络的应用与设计面临着严峻的挑战，因为其所需知识包括了电子、通信工程和计算机科学领域的几乎所有研究方向。因此，世界各地许多大学都给高年级本科生或研究生开设无线传感器网络的相关课程；同时，无线传感器网络也是很多科研项目和学术论文的关注点。

1.1.1 发展历程

无线传感器网络研究的初期是在军事领域。1978年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）举办了分布式传感器网络研讨会，重点关注了传感器网络研究面临的挑战，包括网络技术、信号处理技术以及分布式计算等，对无线传感器网络的基本思路进行了探讨，并开始资助卡内基梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线传感器网络的雏形。1980年，DARPA启动了分布式传感器网络计划，后来又启动了传感器信息技术项目。

20世纪80~90年代，无线传感器网络的研究主要集中在军事领域，成为网络中心战的关键技术；从20世纪90年代中期开始，美国和欧洲等先后开展了大量关于无线传感器网络的研究工作。

1993年，美国加州大学洛杉矶分校与罗克韦尔科学中心（Rockwell Science Center）合作开始了无线集成网络传感器（Wireless Integrated Network Sensors，WINS）项目，其目的是将嵌入在设备、设施和环境中的传感器、控制器以及处理器建成分布式网络，并能够通过互联网进行访问，这种传感器网络已多次在美军的实战环境中进行了试验。1996年发明的低功率无线集成微型传感器（LWIM）是WINS项目的研究成果之一。

2001年，美国陆军提出了“灵巧传感器网络通信”计划，其基本思想是在整个作战空间中放置大量的传感器节点来收集敌方的数据，然后将数据汇集到数据控制中心融合成一张立体的战场图片。当作战组织需要时，可以提供给他们，使其及时了解战场上的动态，并依此调整作战计划。之后美军又提出了“无人值守地面传感器群”项目，其主要目标是使基层部队人员具备在任何地方均能部署传感器的灵活性。部署的方式依赖于需要执行的任务，指挥员可以将多种传感器进行最适宜的组合来满足作战需求。该计划的一部分就是研究最优的组合方式以满足任务需求。

在工商业领域，1995年美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”，该规划有效地集成了先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、控制技术和计算机处理技术等，并应用于整个地面交通管理，建立一个大范围、全方位、实时高效的综合交通运输管理系统，对车速、车距进行控制，还能提供道路通行状况信息、最佳的行驶路线，发生交通事故时可以自动联系事故抢救中心。

随着无线传感器网络研究的不断深入，其应用领域也越来越广泛。2002年5月，美国能源部与美国Sandia国家实验室合作，共同研究用于地铁、车站等场所的防恐怖袭击对策系统，该系统集检测有毒气体的化学传感器和网络技术于一体，传感器一旦检测到某种有害物质，就会自动向管理中心通报，并自动采取急救措施。2002年10月，美国英特尔（Intel）公司公布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，该规划表明英特尔公司将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林防火乃至海底板块调查、行星探测等领域的研究与应用。美国国家自然科学基金会（NSF）于2003年制定了传感器网络研究计划，投资3400万美元，在加州大学成立了传感器网络研究中心，并联合加州大学伯克利分校和南加州大学等科研机构进行相关基础理论的研究。

对传感器的应用程度能够大体反映出国家的科技和经济实力。目前，从全球总体情况看，美国、日本等少数经济发达国家占据了传感器市场70%以上的份额，发展中国家所占份额相对较少。其中，市场规模最大的3个国家分别是美国、日本、德国，分别占据了传感器市场整体份额的29.0%、19.5%、11.3%。未来，随着发展中国家经济的持续增长，对传感器的研究与应用的需求也将大幅增加。

我国在20世纪的80~90年代将传感器技术列入国家重点攻关项目，开展了以机械、力敏、气敏、湿敏、生物敏为主的五大传感器技术的研究，但是无线传感器网络的研究起步较晚，首次正式启动出现于1999年。当年，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”将无线传感器网络列入该领域的五大重点项目之一。20世纪90年代后期到21世纪初，出现了基于现场总线技术的智能传感器网络，该网络采用现场总线连接传感控制器，构建局域网络，其局部测控网络通过网关和路由器可以实现与互联网的无线连接，引起了国家建设和管理领域的重视。

无线传感器网络是涉及传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式技术、分布式计算技术、微电子制造技术、软件编程技术等多学科交叉的研究领域，具有鲜明的跨学科研究特点。我国的中科院上海微系统与信息技术研究所、沈阳自动化研究所、软件研究所、计算技术研究所、电子学研究所、自动化研究所和合肥智能机械研究所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展了传感器网络的研究，并取得了一定的研究成果。

无线传感器网络是物联网的重要组成部分，正是有了更广泛、更全面的互联互通，物联网的感知才更透彻、更具洞察力；有了更透彻的感知，自然就有了更综合、更深入的智能。最早提出的传感器网络的经典应用当中就有将温度传感器用于森林防火的。如何从传感器连续不断的、枯燥乏味的温度测量值中发现潜在的火灾危险呢？可以定义温度大于某个阈值是发生火灾的标志，这可以算是最简单的事件检测算法。如果能从长期的温度数据中挖掘模式，从看似不相关的气象事件中挖掘联系，这就体现了智能的不断深入。

1.1.2 定义

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，经过无线网络发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三要素。无线传感器网络体系的结构如图1-1所示。

无线传感器网络系统通常包括传感器节点（sensor）、汇聚节点（sink node）和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域（sensor field）内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。传感器网络技术发展过程如表1-1所示。

无线传感器网络节点的组成和功能包括以下四个基本单元。

1）传感单元：由传感器和模-数转换功能模块组成，负责对感知对象的信息进行采集和数据转换。

2）处理单元：由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等，负责控制整个节点的操作，存储和处理自身采集的数据以及其他传感器节点发来的数据。

3）通信单元：由无线通信模块组成，负责实现传感器节点之间以及传感器节点与用户节点、管理控制节点之间的通信，交互控制消息和收/发业务数据。

4）电源部分。

此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、运动系统以及发电装置等。