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　　信息技術的發展使我們實現了對信息的海量存儲、高速傳輸和快速處理。但是，對新信息的獲取卻仍未達到自動化的水平，這就大大限制了人們對外部世界的實時反應能力。近年來，隨著傳感器、計算機、無線通信、微機電等技術的發展和相互融合，人們終于可以實時監測外部環境，實現大范圍、自動化的信息采集了，這就是――

　　無線傳感器網絡

　　無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network）是由大量低成本且具有傳感、數據處理和無線通信能力的傳感器結點通過自組織方式形成的網絡。它獨立于基站或移動路由器等基礎通信設施，通過分布式協議自組成網絡。

　　無線傳感器網絡由大量無線傳感器結點互連而成，是傳感器向微型化、智能化和無線通信化的延伸。根據傳感器結點在使用中是否移動，可將無線傳感器網絡分為靜態網絡和動態網絡，其中大多數是靜態網絡。在靜態網絡中，傳感器結點被隨機地或按一定要求布置在監測區域內，并根據用戶的要求，可對溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力等環境參數進行測量，或者感知物體的運動速度和方向等。在動態網絡中，傳感器結點一般被安置在可移動的物體上，如車輛或被監測的動物，它將隨物體的移動而移動。無線傳感器網絡中有一個特殊結點，稱為匯聚(sink)結點，它是中心處理結點，也稱網關結點。該結點可向區域內的傳感器結點發送數據采集命令，并接收和處理傳感器結點傳送來的數據。如圖1所示。

圖1 傳感器網絡示意圖

　　1.應用模式

　　無線傳感器網絡的典型應用模式可分為兩類，一類是傳感器結點監測環境狀態的變化或事件的發生，將發生的事件或變化的狀態報告給管理中心；一類是由管理中心發布命令給某一區域的傳感器結點，傳感器結點執行命令并返回相應的監測數據。與之對應的，傳感器網絡中的通信模式也主要有兩種，一是傳感器將采集到的數據傳輸到管理中心，稱為多到一通信模式；一是管理中心向區域內的傳感器結點發布命令，稱為一到多通信模式。前一種通信模式的數據量大，后一種則相對較小。

　　2. 硬件組成

　　傳感器結點的組成可以分為與應用相關和與應用相對獨立兩部分，如圖2所示。前一部分包括傳感部件、模-數轉換（ADC）部件等；后一部分又稱為結點平臺，包括計算部件、存儲部件、通信部件、電源部件等。隨著微電子技術、微機械加工技術、高能電池技術的發展，傳感器結點的體積將越來越小，功耗越來越少，價格也會越來越低，而計算能力將越來越強，最終達到所謂“智能塵埃”的水平。這些廉價的微小結點可以大規模地部署到各類特殊環境中，對目標形成全方位的連續監測，并將采集到的數據通過網絡傳輸給處理中心或相應的用戶。因此，這種技術在諸多領域都具有廣闊的應用前景。

圖2 無線傳感器原理圖

　　3. 軟件系統

　　傳感器結點的軟件系統可分為三個層次：操作系統層、系統服務層、應用層，如圖3所示。操作系統層提供硬件訪問接口和任務執行環境；系統服務層包括網絡通信協議、能量管理、定位與定時等，主要為應用提供所需的系統服務；應用層實現特定應用所需的功能，包括對來自多個傳感器結點的數據進行融合等。

　　4. 系統特點

　　無線傳感器網絡與移動自組網絡（Mobile Ad hoc Network，MANET）有類似之處，但又各具特點。無線傳感器網絡所具有的特點如下：

　　● 專用 傳感器網絡是針對某種數據采集需求而專門建立的。

　　● 自組織 網絡的建立和結點間通信不依賴于固定的通信基礎設施。傳感器結點通過分布式網絡協議實現組網，網絡能夠自動調整以適應結點的移動、加入和退出、剩余電量和無線傳輸范圍的變化等。

　　● 規模大 傳感器網絡可能包含多達上千個甚至上萬個結點。

　　● 高冗余 為了保證網絡的可用性和生存能力，傳感器網絡通常具有較高的結點和網絡鏈路冗余，以及采集的數據冗余。

　　● 拓撲易變化 除了結點移動帶來的網絡拓撲變化外，傳感器結點的功率控制和剩余電量下降等因素也會導致網絡拓撲變化。另外，根據應用需要，網絡中有些結點可能進入休眠狀態，從而引起工作結點在數目和分布上的變化，導致拓撲改變。

　　● 空間位置尋址 傳感器網絡一般不需要支持任意兩個傳感器結點之間的點對點通信，傳感器結點不必具有全球惟一的標識，不必采用Internet的IP尋址。用戶往往不關心數據采集于哪一個結點，而關心數據所屬的空間位置，因此可采取空間位置尋址方式。

　　● 流量不均衡 傳感器網絡中流向處理中心的數據量往往遠大于反方向的流量。數據流向處理中心并在處理中心集中，會出現離處理中心越近，結點負載越重的現象。

　　● 結點數據融合 傳感器網絡在數據傳輸過程中，通常要求中間結點能將來自多個傳感器的相關數據進行融合，再傳送給處理中心。數據融合可以減少冗余數據，節省通信所帶來的電能消耗，延長網絡生存時間，減輕處理中心的負載。

　　● 結點能力有限 由于低成本、低能耗、體積小、野外部署等要求，傳感器結點在供電、計算、存儲、通信等方面的能力比較受限。

　　由于傳感器網絡潛在的巨大應用價值，它已經引起了世界各國的軍事部門、工業界和學術界的極大關注。2003年，美國自然科學基金委員會制定了傳感器網絡研究計劃，投資3400萬美元，支持相關基礎理論的研究。美國加州大學伯克利分校、麻省理工學院等一批高校分別開展了傳感器網絡的基礎理論和關鍵技術的研究。美國國防部也對傳感器網絡給予了高度重視，把傳感器網絡作為一個重要研究領域，設立了一系列研究項目。Intel、微軟等信息業巨頭也開始了傳感器網絡應用開發方面的工作。我國自然科學基金在2004年度也設置了傳感器網絡的重點項目，展開了相關的研究工作，目前不少部門已啟動相關的研究工作，我們應抓住機遇，加強科技界和產業界的合作，推動我國無線傳感器網絡領域的技術快速發展及推廣應用。