1.引言
近年來(lái)，無(wú)線通信、集成電路傳感器以及微機(jī)系統(tǒng)近年來(lái)，無(wú)線通信、集成電路傳感器以及微機(jī)系統(tǒng)近年來(lái)，無(wú)線通信、集成電路傳感器以及微機(jī)系統(tǒng)近年來(lái)，無(wú)線通信、集成電路傳感器以及微機(jī)系統(tǒng)(MEMS)等技術(shù)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了低成本、功耗多能的無(wú)線傳感器大量生產(chǎn)。是一種集傳感功能與驅(qū)動(dòng)控制力、計(jì)算通信于一體的資源受限嵌入式設(shè)備，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)則是由大量無(wú)線傳感器構(gòu)成的自組織網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)對(duì)象信息，并將傳其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)對(duì)象信息，并將傳送給需要的用戶。
WSN被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一，它將會(huì)對(duì)人類未來(lái)生活方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。在生深遠(yuǎn)影響。在2003年2月的美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志月的美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志月的美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志(《TechnologyReviewTechnologyReview》)評(píng)出的對(duì)人類未來(lái)生活產(chǎn)深遠(yuǎn)影響十大新興技術(shù)中，WSN位居第一。同年，美國(guó)《商業(yè)周刊》未來(lái)技術(shù)專版在論述四大新時(shí)，WSN也被列入其中。
2.WSN的組成和特點(diǎn)的組成和特點(diǎn)的組成和特點(diǎn)
WSN由大量無(wú)線傳感器采用自組織方式構(gòu)成(見(jiàn)圖1)，它借助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的形式多樣傳感器測(cè)量所在環(huán)境中信號(hào)，從而探測(cè)各種需要的數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到需要的地方。
無(wú)線傳感器一般由數(shù)據(jù)采集單元、處理輸電源等部無(wú)線傳感器一般由數(shù)據(jù)采集單元、處理輸電源等部分組成(見(jiàn)圖2)。被監(jiān)測(cè)物理信號(hào)的形式?jīng)Q定了傳感器類型，如溫度度傳感器，監(jiān)測(cè)聲音強(qiáng)的壓等。處理通常選用嵌入式數(shù)度傳感器，監(jiān)測(cè)聲音強(qiáng)的壓等。處理通常選用嵌入式數(shù)據(jù)傳輸單元主要由低功耗、短距離的無(wú)線通信模塊組成。微型化操作系統(tǒng)選用據(jù)傳輸單元主要由低功耗、短距離的無(wú)線通信模塊組成。微型化操作系統(tǒng)選用嵌入式操作系統(tǒng)，如Vxworks、μCOS-II、μClinux、TinyOS等。
傳感器網(wǎng)絡(luò)與統(tǒng)相比有一些獨(dú)的特點(diǎn)，主要：
1.節(jié)點(diǎn)密集，每個(gè)既是傳感器又路由；
2.具有限的計(jì)算能力和通信以及電源供應(yīng)；
3.獨(dú)特的底層通信傳輸媒介；
4.傳感器節(jié)點(diǎn)間無(wú)中心、自組織，多跳通信；
5.可以同時(shí)通過(guò)多條信源——信宿路由傳輸數(shù)據(jù)；
6.網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的魯棒性和良好伸縮。
3.WSN的應(yīng)用領(lǐng)域及其概述
3.1軍事領(lǐng)域
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強(qiáng)和高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，因此非常適合在軍事上應(yīng)用。利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)敵軍兵力和裝備的監(jiān)控、戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、目標(biāo)的定位、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估、核攻擊和生物化學(xué)攻擊的監(jiān)測(cè)和搜索等功能。目前國(guó)際許多機(jī)構(gòu)的課題都是以戰(zhàn)場(chǎng)需求為背景展開(kāi)的。例如，美軍開(kāi)展的如C4KISR計(jì)劃、SmartSensorWeb、靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、無(wú)人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸鞲衅鹘M網(wǎng)系統(tǒng)、網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)CEC，等等。
在軍事領(lǐng)域應(yīng)用方面，該項(xiàng)技術(shù)的遠(yuǎn)景目標(biāo)是：利用飛機(jī)或火炮等發(fā)射裝置，將大量廉價(jià)傳感器節(jié)點(diǎn)按照一定的密度布放在待測(cè)區(qū)域內(nèi)，對(duì)周邊的各種參數(shù)，如溫度、濕度、聲音、磁場(chǎng)、紅外線等各種信息進(jìn)行采集，然后由傳感器自身構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等信道，傳回信息中心。
該技術(shù)可用于敵我軍情監(jiān)控。在友軍人員、裝備及軍火上加裝傳感器節(jié)點(diǎn)以供識(shí)別，隨時(shí)掌控自己情況。通過(guò)在敵方陣地部署各種傳感器，做到知己知彼，先發(fā)制人。另外，該項(xiàng)技術(shù)可用于智慧型武器的引導(dǎo)器，與雷達(dá)、衛(wèi)星等相互配合，利用自身接近環(huán)境的特點(diǎn)，可避免盲區(qū)，使武器的使用效果大幅度提升。
3.2環(huán)境科學(xué)
隨著人們對(duì)于環(huán)境的日益關(guān)注，環(huán)境科學(xué)所涉及的范圍越來(lái)越廣泛。通過(guò)傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)是一件困難的工作。傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了方便,比如,跟蹤候鳥和昆蟲的遷移,研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響,監(jiān)測(cè)海洋、大氣和土壤的成分等。ALERT系統(tǒng)中就有數(shù)種傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)降雨量、河水水位和土壤水分,并依此預(yù)測(cè)爆發(fā)山洪的可能性。類似地,傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)森林火災(zāi)準(zhǔn)確、及時(shí)地預(yù)報(bào)也應(yīng)該是有幫助的。
3.3農(nóng)業(yè)領(lǐng)域
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著卓越的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。它可用于監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣變更、牲畜和家禽的環(huán)境狀況以及大面積的地表檢測(cè)。在精細(xì)農(nóng)業(yè)中,以監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。
WSN系統(tǒng)通常由環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、基站、通信系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)以及監(jiān)控軟硬件系統(tǒng)構(gòu)成。如圖所示，根據(jù)需要，人們可以在待測(cè)區(qū)域安放不同功能的傳感器并組成網(wǎng)絡(luò)，長(zhǎng)期大面積地監(jiān)測(cè)微小的氣候變化，包括溫度、濕度、風(fēng)力、大氣、降雨量，收集有關(guān)土地的濕度、氮濃縮量和土壤PH值等，從而進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)，幫助農(nóng)民抗災(zāi)、減災(zāi)，科學(xué)種植，獲得較高的農(nóng)作物產(chǎn)量。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信便利、部署方便的優(yōu)點(diǎn)，使其在節(jié)水灌溉的控制中得以應(yīng)用。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)還具有土壤參數(shù)、氣象參數(shù)的測(cè)量能力，再與互聯(lián)網(wǎng)、GPS技術(shù)結(jié)合，可以比較方便地實(shí)現(xiàn)灌區(qū)動(dòng)態(tài)管理、作物需水信息采集與精量控制專家系統(tǒng)的構(gòu)建，并可進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效、低能耗、低投入、多功能的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉平臺(tái)?？稍跍厥摇⑼ピ夯▓@綠地、高速路隔離帶、農(nóng)田井用灌溉區(qū)等區(qū)域，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水技術(shù)的定量化、規(guī)范化、模式化、集成化，促進(jìn)節(jié)水工業(yè)的快速和健康發(fā)展。
3.4工業(yè)領(lǐng)域及其他領(lǐng)域
工業(yè)方面，煤礦、石化、冶金行業(yè)對(duì)工作人員安全、易燃、易爆、有毒物質(zhì)的監(jiān)測(cè)的成本一直居高不下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)把部分操作人員從高危環(huán)境中解脫出來(lái)的同時(shí)，提高險(xiǎn)情的反應(yīng)精度和速度。
在建筑領(lǐng)域，采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以讓大采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以讓大樓、橋梁和其它建筑物能夠自身感覺(jué)并意識(shí)到它們的狀況，使得安裝了傳器網(wǎng)絡(luò)智能建筑動(dòng)告訴管理自身感覺(jué)并意識(shí)到它們的狀況，使得安裝了傳器網(wǎng)絡(luò)智能建筑動(dòng)告訴管理部門它們的狀態(tài)信息，從而可以讓管理按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行定期維修工作。
家居方面，智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將住宅內(nèi)各種備聯(lián)起來(lái)，使他們能夠自動(dòng)運(yùn)行，相互協(xié)作為居住者提供盡可多的便利和舒適。
醫(yī)療方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在檢測(cè)人體生理數(shù)據(jù)、老年健康狀況醫(yī)院無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在檢測(cè)人體生理數(shù)據(jù)、老年健康狀況醫(yī)院藥品管理以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等方面可發(fā)揮出色的作用。在病人身上安置體溫采集、呼吸、血壓等測(cè)量傳感器，醫(yī)生可以遠(yuǎn)程了解病人的情況。利用網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)間地收集人的生理數(shù)據(jù)，這些在研制新藥品的過(guò)程中非常有用。