無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上/r/n精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上/r/n專心---專注---專業(yè)/r/n專心---專注---專業(yè)/r/n精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上/r/n專心---專注---專業(yè)/r/n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀/r/nDevelopmentStatusofWirelessSensorNetwork/r/n摘要:在對無線傳感器網(wǎng)路(WSN)產(chǎn)生和發(fā)展、技術(shù)成熟程度分析的基礎(chǔ)上，文章分析了WSN組網(wǎng)模式、拓撲控制、媒體訪問控制(MAC)和鏈路控制、路由與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及跨層設(shè)計、時間同步技術(shù)、自定位和目標定位技術(shù)等組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用支撐技術(shù)方面的研究內(nèi)容?；趹?yīng)用中的典型實用和示范系統(tǒng)，文章對WSN的應(yīng)用進行了分類。

關(guān)鍵字:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；自組織網(wǎng)絡(luò)；無線Mesh網(wǎng)絡(luò)；分簇控制；能量效率；移動控制/r/n英文摘要:Thearticleintroducesthestartup,roadmapofWirelessSensorNetwork(WSN),anditsmaturityintechniquesandmarket,andsurveyskeyresearchtopicsandtechniquessupportingapplicationsinthisarea,includingnetworkingmodel,topologycontrol,mediaaccessandlinkcontrol,routing,dataforwardingandcross-layerdesigntechnique,timesynchronization,nodepositioning,objecttracking,etc.Basedonpracticalapplicationanddemonstrationofthetypicalsystems,thepaperclassifiesapplicationsofWSN.

英文關(guān)鍵字:wirelesssensornetwork;Adhocnetwork;wirelessmeshnetworks;clusteringcontrol;energyefficiency;motioncontrol/r/n/r/n基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(“973”計劃)項目(2006CB)；國家自然科學(xué)基金資助項目()/r/n/r/n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是信息科學(xué)領(lǐng)域中一個全新的發(fā)展方向，同時也是新興學(xué)科與傳統(tǒng)學(xué)科進行領(lǐng)域間交叉的結(jié)果。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了智能傳感器、無線智能傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3個階段。智能傳感器將計算能力嵌入到傳感器中，使得傳感器節(jié)點不僅具有數(shù)據(jù)采集能力，而且具有濾波和信息處理能力；無線智能傳感器在智能傳感器的基礎(chǔ)上增加了無線通信能力，大大延長了傳感器的感知觸角，降低了傳感器的工程實施成本；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到無線智能傳感器中，使得傳感器不再是單個的感知單元，而是能夠交換信息、協(xié)調(diào)控制的有機結(jié)合體，實現(xiàn)物與物的互聯(lián)，把感知觸角深入世界各個角落，必將成為下一代互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。/r/n

/r/n1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展背景

/r/n1996年，美國UCLA大學(xué)的WilliamJKaiser教授向DARPA提交的“低能耗無線集成微型傳感器”揭開了現(xiàn)代WSN網(wǎng)絡(luò)的序幕。1998年，同是UCLA大學(xué)的GregoryJPottie教授從網(wǎng)絡(luò)研究的角度重新闡釋了WSN的科學(xué)意義。在其后的10余年里，WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到學(xué)術(shù)界、工業(yè)界乃至政府的廣泛關(guān)注，成為在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、健康護理、智能家居、建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)控、復(fù)雜機械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等眾多領(lǐng)域中最有競爭力的應(yīng)用技術(shù)之一。美國商業(yè)周刊將WSN網(wǎng)絡(luò)列為21世紀最有影響的技術(shù)之一，麻省理工學(xué)院(MIT)技術(shù)評論則將其列為改變世界的10大技術(shù)之一。/r/n/r/n1.1WSN相關(guān)的會議和組織

/r/nWSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一經(jīng)提出，就迅速在研究界和工業(yè)界得到廣泛的認可。1998年到2003年，各種與無線通信、AdHoc網(wǎng)絡(luò)、分布式系統(tǒng)的會議開始大量收錄與WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相關(guān)的文章。2001年，美國計算機學(xué)會(ACM)和IEEE成立了第一個專門針對傳感網(wǎng)技術(shù)的會議InternationalConferenceonInformationProcessinginSensorNetwork(IPSN)，為WSN網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展開拓了一片新的技術(shù)園地。2003年到2004年，一批針對傳感網(wǎng)技術(shù)的會議相繼組建。ACM在2005年還專門創(chuàng)刊ACMTransactiononSensorNetwork，用來出版最優(yōu)秀的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成果。2004年，Boston大學(xué)與BP、Honeywell、InetcoSystems、Invensys、MillennialNet、Radianse、SensicastSystems等公司聯(lián)合創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會，旨在促進WSN技術(shù)的開發(fā)。2006年10月，在中國北京，中國計算機學(xué)會傳感器網(wǎng)絡(luò)專委會正式成立，標志著中國WSN技術(shù)研究開始進入一個新的歷史階段。/r/n/r/n1.2相關(guān)科研和工程項目

/r/n美國從20世紀90年代開始，就陸續(xù)展開分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)(DSN)、集成的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器(WINS)、智能塵埃(SmartDust)、?滋AMPS、無線嵌入式系統(tǒng)(WEBS)、分布式系統(tǒng)可升級協(xié)調(diào)體系結(jié)構(gòu)研究(SCADDS)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感(CENS)等一系列重要的WSN網(wǎng)絡(luò)研究項目。/r/n

自2001年起，美國國防部遠景研究計劃局(DARPA)每年都投入千萬美元進行WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，并在C4ISR基礎(chǔ)上提出了C4KISR計劃，強調(diào)戰(zhàn)場情報的感知能力、信息的綜合能力和利用能力，把WSN網(wǎng)絡(luò)作為一個重要研究領(lǐng)域，設(shè)立了SmartSensorWeb、靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、無人值守地面?zhèn)鞲衅魅?、傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)、網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)等一系列的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項目。在美國自然科學(xué)基金委員會的推動下，美國如麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)洛杉磯分校、南加州大學(xué)、康奈爾大學(xué)、伊利諾斯大學(xué)等許多著名高校也進行了大量WSN網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。美國的一些大型IT公司(如Intel、HP、Rockwell、TexasInstruments等)通過與高校合作的方式逐漸介入該領(lǐng)域的研究開發(fā)工作，并紛紛設(shè)立或啟動相應(yīng)的研發(fā)計劃，在無線傳感器節(jié)點的微型化、低功耗設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)組織、數(shù)據(jù)處理與管理以及WSN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等方面都取得了許多重要的研究成果。DustNetworks和CrossbowTechnologies等公司的智能塵埃、Mote、Mica系列節(jié)點已走出實驗室，進入應(yīng)用測試階段。/r/n

除美國以外，日本、英國、意大利、巴西等國家也對傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣，并各自展開了該領(lǐng)域的研究工作。/r/n

中國現(xiàn)代意義的WSN網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達國家同步啟動，首先被記錄在1999年發(fā)表的中國科學(xué)院《知識創(chuàng)新工程試點領(lǐng)域方向研究》的信息與自動化領(lǐng)域研究報告中。/r/n

2001年，中國科學(xué)院成立了微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，掛靠中科院上海微系統(tǒng)所，旨在整合中科院內(nèi)部的相關(guān)單位，共同推進傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。從2002年開始，中國國家自然科學(xué)基金委員會開始部署傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的課題。截至2008年底，中國國家自然基金共支持面上項目111項、重點項目3項；國家“863”重點項目發(fā)展計劃共支持面上項目30余項，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“973”也設(shè)立2項與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)的項目；國家發(fā)改委中國下一代互聯(lián)網(wǎng)工程項目(CNGI)也對傳感器網(wǎng)絡(luò)項目進行了連續(xù)資助?！爸袊磥?0年技術(shù)預(yù)見研究”提出的157個技術(shù)課題中有7項直接涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。2006年初發(fā)布的《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術(shù)確定了3個前沿方向，其中2個與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究直接相關(guān)。最值得一提的是，中國工業(yè)與信息化部在2008年啟動的“新一代寬帶移動通信網(wǎng)”國家級重大專項中，有第6個子專題“短距離無線互聯(lián)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”是專門針對傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而設(shè)立的。該專項的設(shè)立將大大推進WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展。/r/n/r/n1.3WSN技術(shù)的成熟度分析/r/n

Gartner信息技術(shù)研究與咨詢公司從2005年到2008年對WSN網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)追蹤和評估。2005年，Gartner認為WSN技術(shù)的關(guān)注度已經(jīng)越過了膨脹高峰并回歸理性，表現(xiàn)為以美國為首的科研人員開始理性反思這種技術(shù)模式是不是有進一步推廣和發(fā)展的機會。當時的預(yù)期比較樂觀，認為該技術(shù)將在2～5年內(nèi)走向成熟。2006年，Gartner的評估認為該技術(shù)正按照預(yù)定曲線前行，但成熟時間要更長一些；而到了2007年，Gartner發(fā)現(xiàn)對該技術(shù)的關(guān)注度又有大幅度回升，但其市場并沒有走向高產(chǎn)能期，而是似乎又回到了技術(shù)膨脹期。同時，距離成熟的時間仍然是10年以上。/r/n

超過5年的市場預(yù)測往往意味公司對該項技術(shù)缺乏準確的判斷。從這一點上看，WSN技術(shù)從市場的角度上看還有些撲朔迷離。Gartner的2008年技術(shù)預(yù)測報告中沒有對該領(lǐng)域進行預(yù)測也正是基于這一點。這種結(jié)果的可能原因是殺手級應(yīng)用所需的幾項關(guān)鍵性的支撐技術(shù)目前難于突破，微型化、可靠性、能量供給在目前看來是制約應(yīng)用的最大問題。另外，這些技術(shù)之間還彼此制約。首先，微型化使節(jié)點通信距離變短，路徑長度增加，數(shù)據(jù)延遲難于預(yù)期；其次，能量獲取和存儲容量與設(shè)備體積(表面積)呈正比，充足的能源和微型化設(shè)計之間的矛盾難于調(diào)和；再有，現(xiàn)有電子技術(shù)還很難做到可降解的綠色設(shè)計，微型化給回收帶來困難，從而威脅到環(huán)境健康。/r/n

市場不會向技術(shù)妥協(xié)，如果一項技術(shù)不能在方方面面做到完美就很難被市場所接受。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要想在未來十幾年內(nèi)有所發(fā)展，一方面要在這些關(guān)鍵的支撐技術(shù)上有所突破；另一方面，就要在成熟的市場中尋找應(yīng)用，構(gòu)思更有趣、更高效的應(yīng)用模式。值得慶幸的是，WSN技術(shù)在中國找到了發(fā)展機會。政府引導(dǎo)、研究人員推動和企業(yè)的積極參與大大加快了WSN技術(shù)的市場化進程。中國必將在WSN技術(shù)和市場推進中發(fā)揮重要作用。/r/n

/r/n2WSN技術(shù)體系及其發(fā)展現(xiàn)狀

/r/nWSN技術(shù)是多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，因而包含眾多研究方向，WSN技術(shù)具有天生的應(yīng)用相關(guān)性，利用通用平臺構(gòu)建的系統(tǒng)都無法達到最優(yōu)效果。WSN技術(shù)的應(yīng)用定義要求網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點設(shè)備能夠在有限能量(功率)供給下實現(xiàn)對目標的長時間監(jiān)控，因此網(wǎng)絡(luò)運行的能量效率是一切技術(shù)元素的優(yōu)化目標。下面從核心關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵支撐技術(shù)兩個層面分別介紹應(yīng)用系統(tǒng)所必須的設(shè)計和優(yōu)化的技術(shù)要點。/r/n/r/n2.1核心關(guān)鍵技術(shù)/r/n/r/n/r/n2.1.1組網(wǎng)模式/r/n在確定采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計后，首先面臨的問題是采用何種組網(wǎng)模式。是否有基礎(chǔ)設(shè)施支持，是否有移動終端參與，匯報頻度與延遲等應(yīng)用需求直接決定了組網(wǎng)模式。/r/n

(1)扁平組網(wǎng)模式

所有節(jié)點的角色相同，通過相互協(xié)作完成數(shù)據(jù)的交流和匯聚。最經(jīng)典的定向擴散路由(DirectDiffusion)研究的就是這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。/r/n

(2)基于分簇的層次型組網(wǎng)模式

節(jié)點分為普通傳感節(jié)點和用于數(shù)據(jù)匯聚的簇頭節(jié)點，傳感節(jié)點將數(shù)據(jù)先發(fā)送到簇頭節(jié)點，然后由簇頭節(jié)點匯聚到后臺。簇頭節(jié)點需要完成更多的工作、消耗更多的能量。如果使用相同的節(jié)點實現(xiàn)分簇，則要按需更換簇頭，避免簇頭節(jié)點因為過渡消耗能量而死亡。/r/n

(3)網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)模式

Mesh模式在傳感器節(jié)點形成的網(wǎng)絡(luò)上增加一層固定無線網(wǎng)絡(luò)，用來收集傳感節(jié)點數(shù)據(jù)，另一方面實現(xiàn)節(jié)點之間的信息通信，以及網(wǎng)內(nèi)融合處理。AkyildizLF等[1]總結(jié)了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模式。/r/n

(4)移動匯聚模式

移動匯聚模式是指使用移動終端收集目標區(qū)域的傳感數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)到后端服務(wù)器。移動匯聚可以提高網(wǎng)絡(luò)的容量，但數(shù)據(jù)的傳遞延遲與移動匯聚節(jié)點的軌跡相關(guān)。如何控制移動終端軌跡和速率是該模式研究的重要目標。Kim等[2]提出的SEAD分發(fā)協(xié)議就是針對這種組網(wǎng)模式。BiY等[3-4]研究了多種Sink的移動匯聚模式。/r/n

此外，還有其他類型的網(wǎng)絡(luò)。如當傳感節(jié)點全部為移動節(jié)點，通過與固定的Mesh網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通信(移動產(chǎn)生的通信機會)，可形成目前另一個研究熱點，即機會通信模式。/r/n/r/n2.1.2拓撲控制

/r/n組網(wǎng)模式?jīng)Q定了網(wǎng)絡(luò)的總體拓撲結(jié)構(gòu)，但為了實現(xiàn)WSN網(wǎng)絡(luò)的低能耗運行，還需要對節(jié)點連接關(guān)系的時變規(guī)律進行細粒度控制。目前主要的拓撲控制技術(shù)分為時間控制、空間控制和邏輯控制3種。時間控制通過控制每個節(jié)點睡眠、工作的占空比，節(jié)點間睡眠起始時間的調(diào)度，讓節(jié)點交替工作，網(wǎng)絡(luò)拓撲在有限的拓撲結(jié)構(gòu)間切換；空間控制通過控制節(jié)點發(fā)送功率改變節(jié)點的連通區(qū)域，使網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)不同的連通形態(tài)，從而獲得控制能耗、提高網(wǎng)絡(luò)容量的效果；邏輯控制則是通過鄰居表將不“理想的”節(jié)點排除在外，從而形成更穩(wěn)固、可靠和強健的拓撲。WSN技術(shù)中，拓撲控制的目的在于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連通(實時連通或者機會連通)的同時保證信息的能量高效、可靠的傳輸。/r/n

KumarS等[5]研究了在睡眠喚醒進行能耗控制的網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)k連通的條件。ChenAi等[6]研究了柵欄(邊界)防護應(yīng)用中的拓撲覆蓋問題。LiX[7]則通過圖理論研究無線網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制算法。WangX、YeF、SchurgersC和LuG等學(xué)者[8]研究了如何利用連通的骨干網(wǎng)絡(luò)減少網(wǎng)絡(luò)活動開銷，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期問題。/r/n/r/n2.1.3媒體訪問控制和鏈路控制

/r/n媒體訪問控制(MAC)和鏈路控制解決無線網(wǎng)絡(luò)中普遍存在的沖突和丟失問題，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流狀態(tài)控制臨近節(jié)點，乃至網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的信道訪問方式和順序，達到高效利用網(wǎng)絡(luò)容量，減低能耗的目的。要實現(xiàn)拓撲控制中的時間和空間控制，WSN的MAC層需要配合完成睡眠機制、時分信道分配和空分復(fù)用等功能。YeW等[9]提出了WSN最經(jīng)典的基于睡眠的MAC協(xié)議——S-MAC；AhnG-S等[10]研究了在最后兩跳內(nèi)采用時分復(fù)用方式緩解由最后兩跳沖突引入的“漏斗”效應(yīng)；RajendranV等[11]研究了WSN中無競爭訪問的高能效方法；ZhaiH[12]和KimY[13]等則研究了基于多射頻、多信道的MAC協(xié)議。MAC控制是WSN最為活躍的研究熱點，因為MAC層的運行效率直接反應(yīng)整個網(wǎng)絡(luò)的能量效率。/r/n

復(fù)雜環(huán)境的短距離無線鏈路特性與長距離完全不同，短距離無線射頻在其覆蓋范圍內(nèi)的過渡臨界區(qū)寬度與通信距離的比例要大得多，因而更多鏈路呈現(xiàn)復(fù)雜的不穩(wěn)定特性。GanesonD等[14]，ZhaoJ等[15]通過大量的實驗驗證了過渡區(qū)的存在；ZunigaM等[16]分析了過渡區(qū)的成因。復(fù)雜的鏈路特征需要在MAC控制中更充分地考慮鏈路特性，ZhuH等[17]研究了適應(yīng)鏈路特性的多鏈路MAC控制機制。鏈路特征同時也是在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和匯聚中需要考慮的重要因素。/r/n/r/n2.1.4路由、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及跨層設(shè)計

/r/nWSN網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流向與Internet相反：在Internet網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備主要從網(wǎng)絡(luò)上獲取信息；而在WSN網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備是向網(wǎng)絡(luò)提供信息。因此，WSN網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議設(shè)計有自己的獨特要求。由于在WSN網(wǎng)絡(luò)中對能量效率的苛刻要求，研究人員通常利用MAC層的跨層服務(wù)信息來進行轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點、數(shù)據(jù)流向的選擇。另外，網(wǎng)絡(luò)在任務(wù)發(fā)布過程中一般要將任務(wù)信息傳送給所有的節(jié)點，因此設(shè)計能量高效的數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議也是在網(wǎng)絡(luò)層研究的重點。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)也是提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率的一項技術(shù)。在分布式存儲網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，一份數(shù)據(jù)往往有不同的代理對其感興趣，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)通過有效減少網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，來提高網(wǎng)絡(luò)容量和效率。/r/n/r/n2.1.5QoS保障和可靠性設(shè)計

/r/nQoS保障和可靠性設(shè)計技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)走向可用的關(guān)鍵技術(shù)之一。QoS保障技術(shù)包括通信層控制和服務(wù)層控制。傳感器網(wǎng)絡(luò)大量的節(jié)點如果沒有質(zhì)量控制，將很難完成實時監(jiān)測環(huán)境變化的任務(wù)?？煽啃栽O(shè)計技術(shù)目的則是保證節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)在惡劣工作條件下長時間工作。節(jié)點計算和通信模塊的失效直接導(dǎo)致節(jié)點脫離網(wǎng)絡(luò)，而傳感模塊的失效則可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)岐變，造成網(wǎng)絡(luò)的誤警。如何通過數(shù)據(jù)檢測失效節(jié)點也是關(guān)鍵研究內(nèi)容之一。/r/n/r/n2.1.6移動控制模型

/r/n隨著WSN組織結(jié)構(gòu)從固定模式向半移動乃至全移動轉(zhuǎn)換，節(jié)點的移動控制模型變得越來越重要。LuoJ等[18]指出，當匯聚節(jié)點沿著網(wǎng)絡(luò)邊緣移動收集可以最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)生命周期；BiY等提出了多種匯聚點移動策略，根據(jù)每輪數(shù)據(jù)匯聚情況，估計下一輪能夠最大延長網(wǎng)絡(luò)生命期的匯聚點位置。ButlerZ等針對事件發(fā)生頻度自適應(yīng)移動節(jié)點的位置，使感知節(jié)點更多地聚集在使事件經(jīng)常發(fā)生的地方，從而分擔(dān)事件匯報任務(wù)，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。/r/n/r/n2.2關(guān)鍵支撐技術(shù)/r/n/r/n2.2.1WSN網(wǎng)絡(luò)的時間同步技術(shù)

/r/n時間同步技術(shù)是完成實時信息采集的基本要求，也是提高定位精度的關(guān)鍵手段。常用方法是通過時間同步協(xié)議完成節(jié)點間的對時，通過濾波技術(shù)抑制時鐘噪聲和漂移。最近，利用耦合振蕩器的同步技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無狀態(tài)自然同步方法也倍受關(guān)注，這是一種高效的、可無限擴展的時間同步新技術(shù)。/r/n/r/n2.2.2基于WSN的自定位和目標定位技術(shù)

/r/n定位跟蹤技術(shù)包括節(jié)點自定位和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的目標定位跟蹤。節(jié)點自定位是指確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點自身位置，這是隨機部署組網(wǎng)的基本要求。GPS技術(shù)是室外慣常采用的自定位手段，但一方面成本較高，另一方面在有遮擋的地區(qū)會失效。傳感器網(wǎng)絡(luò)更多采用混合定位方法：手動部署少量的錨節(jié)點(攜帶GPS模塊)，其他節(jié)點根據(jù)拓撲和距離關(guān)系進行間接位置估計。目標定位跟蹤通過網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的配合完成對網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中特定目標的定位和跟蹤，一般建立在節(jié)點自定位的基礎(chǔ)上。/r/n/r/n2.2.3分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合/r/n

分布式動態(tài)實時數(shù)據(jù)管理是以數(shù)據(jù)中心為特征的WSN網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)之一。該技術(shù)通過部署或者指定一些節(jié)點為代理節(jié)點，代理節(jié)點根據(jù)監(jiān)測任務(wù)收集興趣數(shù)據(jù)。監(jiān)測任務(wù)通過分布式數(shù)據(jù)庫的查詢語言下達給目標區(qū)域的節(jié)點。在整個體系中，WSN網(wǎng)絡(luò)被當作分布式數(shù)據(jù)庫獨立存在，實現(xiàn)對客觀物理世界的實時和動態(tài)的監(jiān)測。/r/n

信息融合技術(shù)是指節(jié)點根據(jù)類型、采集時間、地點、重要程度等信息標度，通過聚類技術(shù)將收集到的數(shù)據(jù)進行本地的融合和壓縮，一方面排除信息冗余，減小網(wǎng)絡(luò)通信開銷，節(jié)省能量；另一方面可以通過貝葉斯推理技術(shù)實現(xiàn)本地的智能決策。/r/n/r/n2.2.4WSN的安全技術(shù)

/r/n安全通信和認證技術(shù)在軍事和金融等敏感信息傳遞應(yīng)用中有直接需求。傳感器網(wǎng)絡(luò)由于部署環(huán)境和傳播介質(zhì)的開放性，很容易受到各種攻擊。但受無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源限制，直接應(yīng)用安全通信、完整性認證、數(shù)據(jù)新鮮性、廣播認證等現(xiàn)有算法存在實現(xiàn)的困難。鑒于此，研究人員一方面探討在不同組網(wǎng)形式、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計中可能遭到的各種攻擊形式；另一方面設(shè)計安全強度可控的簡化算法和精巧協(xié)議，滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實需求。/r/n/r/n2.2.5精細控制、深度嵌入的操作系統(tǒng)技術(shù)/r/n

作為深度嵌入的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，WSN網(wǎng)絡(luò)對操作系統(tǒng)也有特別的要求，既要能夠完成基本體系結(jié)構(gòu)支持的各項功能，又不能過于復(fù)雜。從目前發(fā)展狀況來看，TinyOS是最成功的WSN專用操作系統(tǒng)。但隨著芯片低功耗設(shè)計技術(shù)和能量工程技術(shù)水平的提高，更復(fù)雜的嵌入式操作系統(tǒng)，如Vxworks、Uclinux和Ucos等，也可能被WSN網(wǎng)絡(luò)所采用。/r/n/r/n2.2.6能量工程/r/n

能量工程包括能量的獲取和存儲兩方面。能量獲取主要指將自然環(huán)境的能量轉(zhuǎn)換成節(jié)點可以利用的電能，如太陽能，振動能量、地?zé)帷L(fēng)能等。2007年在無線能量傳遞方面有了新的研究成果：通過磁場的共振傳遞技術(shù)將使遠程能量傳遞。這項技術(shù)將對WSN技術(shù)的成熟和發(fā)展帶來革命性的影響。在能量存儲技術(shù)方面，高容量電池技術(shù)是延長節(jié)點壽命，全面提高節(jié)點能力的關(guān)鍵性技術(shù)。納米電池技術(shù)是目前最有希望的技術(shù)之一。/r/n

/r/n3基于WSN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

/r/nWSN網(wǎng)絡(luò)是面向應(yīng)用的，貼近客觀物理世界的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其產(chǎn)生和發(fā)展一直都與應(yīng)用相聯(lián)系。多年來經(jīng)過不同領(lǐng)域研究人員的演繹，WSN技術(shù)在軍事領(lǐng)域、精細農(nóng)業(yè)、安全監(jiān)控、環(huán)保監(jiān)測、建筑領(lǐng)域、醫(yī)療監(jiān)護、工業(yè)監(jiān)控、智能交通、物流管理、自由空間探索、智能家居等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了充分的肯定和展示。

2005年，美國軍方成功測試了由美國Crossbow產(chǎn)品組建的槍聲定位系統(tǒng)，為救護、反恐提供有力手段。美國科學(xué)應(yīng)用國際公司采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)筑了一個電子周邊防御系統(tǒng)，為美國軍方提供軍事防御和情報信息。/r/n

中國，中科院微系統(tǒng)所主導(dǎo)的團隊積極開展基于WSN的電子圍欄技術(shù)的邊境防御系統(tǒng)的研發(fā)和試點，已取得了階段性的成果。/r/n

在環(huán)境監(jiān)控和精細農(nóng)業(yè)方面，WSN系統(tǒng)最為廣泛。2002年，英特爾公司率先在俄勒岡建立了世界上第一個無線葡萄園，這是一個典型的精準農(nóng)業(yè)、智能耕種的實例。杭州齊格科技有限公司與浙江農(nóng)科院合作研發(fā)了遠程農(nóng)作管理決策服務(wù)平臺，該平臺利用了無線傳感器技術(shù)實現(xiàn)對農(nóng)田溫室大棚溫度、濕度、露點、光照等環(huán)境信息的監(jiān)測。/r/n

在民用安全監(jiān)控方面，英國的一家博物館利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一個報警系統(tǒng)，他們將節(jié)點放在珍貴文物或藝術(shù)品的底部或背面，通過偵測燈光的亮度改變和振動情況，來判斷展覽品的安全狀態(tài)。中科院計算所在故宮博物院實施的文物安全監(jiān)控系統(tǒng)也是WSN技術(shù)在民用安防領(lǐng)域中的典型應(yīng)用。/r/n

現(xiàn)代建筑的發(fā)展不僅要求為人們提供更加舒適、安全的房屋和橋梁，而且希望建筑本身能夠?qū)ψ陨淼慕】禒顩r進行評估。WSN技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控方面將發(fā)揮重要作用。2004年，哈工大在深圳地王大廈實施部署了監(jiān)測環(huán)境噪聲和震動加速度響應(yīng)測試的WSN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。/r/n

在醫(yī)療監(jiān)控方面，美國英特爾公司目前正在研制家庭護理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，作為美國“應(yīng)對老齡化社會技術(shù)項目”的一項重要內(nèi)容。另外，在對特殊醫(yī)院(精神類或殘障類)中病人的位置監(jiān)控方面，WSN也有巨大應(yīng)用潛力。/r/n

在工業(yè)監(jiān)控方面，美國英特爾公司為俄勒岡的一家芯片制造廠安裝了200臺無線傳感器，用來監(jiān)控部分工廠設(shè)備的振動情況，并在測量結(jié)果超出規(guī)定時提供監(jiān)測報告。西安成峰公司與陜西天和集團合作開發(fā)了礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和礦工井下區(qū)段定位系統(tǒng)。/r/n

在智能交通方面，美國交通部提出了“國家智能交通系統(tǒng)項目規(guī)劃”，預(yù)計到2025年全面投入使用。該系統(tǒng)綜合運用大量傳感器網(wǎng)絡(luò)，配合GPS系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等資源，實現(xiàn)對交通車輛的優(yōu)化調(diào)度，并為個體交通推薦實時的、最佳的行車路線服務(wù)。目前在美國的賓夕法尼亞州的匹茲堡市已經(jīng)建有這樣的智能交通信息系統(tǒng)。/r/n

中科院上海微系統(tǒng)所為首的研究團隊正在積極開展WSN在城市交通的應(yīng)用。中科院軟件所在地下停車場基于WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了細粒度的智能車位管理系統(tǒng)，使得停車信息能夠迅速通過發(fā)布系統(tǒng)推送給附近的車輛，大大提高率了停車效率。/r/n

物流領(lǐng)域是WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是發(fā)展最快最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域。盡管在倉儲物流領(lǐng)域，RFID技術(shù)還沒有被普遍采納，但基于RFID和傳感器節(jié)點在大粒度商品物流管理中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。寧波中科萬通公司與寧波港合作，實現(xiàn)基于RFID網(wǎng)絡(luò)的集裝箱和集卡車的智能化管理。另外，還使用WSN技術(shù)實現(xiàn)了封閉倉庫中托盤粒度的貨物定位。/r/n

WSN網(wǎng)絡(luò)自由部署、自組織工作模式使其在自然科學(xué)探索方面有巨大的應(yīng)用潛力。2002年，由英特爾的研究小組和加州大學(xué)伯克利分校以及巴港大西洋大學(xué)的科學(xué)家把WSN技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)視大鴨島海鳥的棲息情況。2005年，澳洲的科學(xué)家利用WSN技術(shù)來探測北澳大利亞蟾蜍的分布情況。佛羅里達宇航中心計劃借助于航天器布撒的傳感器節(jié)點實現(xiàn)對星球表面大范圍、長時期、近距離的監(jiān)測和探索。/r/n

智能家居領(lǐng)域是WSN技術(shù)能夠大展拳腳的地方。浙江大學(xué)計算機系的研究人員開發(fā)了一種基于WSN網(wǎng)絡(luò)的無線水表系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)水表的自動抄錄。復(fù)旦大學(xué)、電子科技大學(xué)等單位研制了基于WSN網(wǎng)絡(luò)的智能樓宇系統(tǒng)，其典型結(jié)構(gòu)包括了照明控制、警報門禁，以及家電控制的PC系統(tǒng)。各部件自治組網(wǎng)，最終由PC機將信息發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上。人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)終端對家庭狀況實施監(jiān)測。/r/n

WSN在應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展可謂方興未艾，要想進一步推進該技術(shù)的發(fā)展，讓其更好為社會和人們的生活服務(wù)，不僅需要研究人員開展廣泛的應(yīng)用系統(tǒng)研究，更需要國家、地區(qū)，以及優(yōu)質(zhì)企業(yè)在各個層面上的大力推動和支持。/r/n

/r/n4結(jié)束語

/r/nWSN網(wǎng)絡(luò)從機制研究、系統(tǒng)研發(fā)，到應(yīng)用示范試點，正在努力走向技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的成熟。在中國，政府的引導(dǎo)、研究人員的推動和企業(yè)的積極參與使WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速穩(wěn)步發(fā)展。為了讓W(xué)SN更快地進入應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，為更多人服務(wù)，必須在努力尋找獨特的殺手锏應(yīng)用的同時，更多地將目光轉(zhuǎn)向改善成熟產(chǎn)業(yè)中對自動化監(jiān)測、檢驗和管理的應(yīng)用需求，為其量身訂做協(xié)議、軟件和產(chǎn)品，并努力做到與現(xiàn)有管理系統(tǒng)的無縫連接。只有在應(yīng)用和市場上站穩(wěn)腳跟，才能保持WSN在技術(shù)上的持續(xù)發(fā)展。/r/n

/r/n5參考文獻/r/n

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