原创 无线传感器网络 人与大自然亲密接触

　　二十世纪中期以来，计算技术、网络技术和传感技术的飞速发展为生产力的提高起到了巨大的推动作用，其中前两者的结合已经深刻地改变着人们的生产方式和生活习惯。而在二十世纪六十年代末，后两者的结合产生了传感器网络的概念，但由于当时的技术条件限制，缺乏可实用的集成传感器导致这一方向并未能充分开展起来。

　　尽管计算技术和网络技术的结合催生了许多新颖的应用模式和新颖的技术手段，但这二者的结合仍然基本属于传统的“人与人”或者“人与机”交互的范畴。直到二十世纪九十年代，随着通信技术、嵌入式计算技术，以及微电子技术的飞速发展，尤其是与莫尔定律相印证，各类电子产品的制造成本持续地降低到人们可以接受的时候，一种同时拥有感知、计算和通信能力，并且能够适用于各类不同环境的微型智能传感器才开始在世界范围内出现，而这些微小传感器节点的网络化将全面改变人们信息获取方式，这就是1993 年发端于美国的分布式传感器网络(DSN，Distributed Sensor Networks)。

　　分布式传感器网络是一种新兴的、极具发展潜力的网络技术，这种网络可以随机部署在人迹罕至的恶劣环境中，通过大冗余的部署，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息并传送给感兴趣的观测者。在通信方式上，虽然分布式节点之间可以采用有线、无线、红外和光等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合这种网络使用，为明确起见，一般称这类网络为无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Networks)。作为沟通客观物理世界和主观感知世界的载体与桥梁，无线传感器网络将是一种全新的信息获取和处理技术，是信息感知和采集的一场革命。

　　传感节点通用硬件结构

　　根据应用的不同，无线传感器网络的节点组成不尽相同，但其硬件构成一般由四部分组成：感知单元(sensing unit)、嵌入式处理器(processing unit)、通信模块(transceiver unit)和能量供给(power unit)四部分，其功能模块如图1所示：

　　图1 传感器节点硬件功能示意图

　　无线传感器网络最重要的功能便是感知、采集并传输网络覆盖环境中各种信息的变化，因此感知装置是节点的最基本组成部分，但根据应用的不同和成本的区别，节点中感知单元的功能和数量不尽相同，比如借助于微型传感器中内置的形式多样的感知单元测量所在环境中的热、红外、声纳、振动和地磁场信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、移动物体的大小、速度和方向等众多观测者感兴趣的物理现象。当传感器感知到环境的各类参数后，便经过ADC将连续的模拟信号转变成为嵌入式处理器可处理的数字信号，而处理器除负责协调节点各组成部分的工作之外，还因其计算功能，可以为承担相同任务的传感器之间进行协作数据处理。处理后的数据将由通信模块负责直接或间接地传送到传感器网络的信息接入点。区别于以往工业界的传感器组网技术，人们现在主要研究的传感器网络一般均指采用无线通信方式的分布式传感器网络，因为其往往部署在相对恶劣的环境中，节点本身往往需要具备一定的能源供给能力。另外，对于某些特殊的应用，某些节点还可能包含定位装置(Location Finding System)、自移动装置(Mobilizer)，甚至是能量产生装置(Power Generator)等。

　　无线传感器网络典型应用结构

　　无线传感器网络是由一组高密度，高度自治的传感器节点以自组织的方式构成的无线网络，它与ad hoc移动自组网一样都采用无基站的移动通信方式，图2中给出了一个典型的无线传感器网络应用结构图。该网络由传感器节点、信息接收器(Sink，无线传感器网络网关、基站、接入点等都指同一概念)、Internet或通信卫星、任务管理节点等部分构成。

　　图2 无线传感器网络典型应用结构图

　　在无线传感器网络中，分布在整个网络区域数以千计的网络节点能够互相协作地自组织组网，并完成实时监测、感知和采集分布区域内的各种环境或监测对象信息的各项功能。同时，每个节点都可以通过传感器的移动通信单元以“多跳”路由方式发送自身获得的信息，也可对自身信息进行简单的处理以及转发来自其他节点的信息，从而使将目标对象的详尽而准确的信息通过Sink 的Internet 或通信卫星，传送到需要这些信息的用户。同样，用户也可以通过Sink 实现任务管理节点(即用户)与网络节点之间的通信，以同样的方式将命令等信息逐跳转发到各节点。

　　无线传感网络应用前景

　　无线传感器网络最大的优势在于通过一组大冗余低成本的简单传感器协同工作，可以实现对某一复杂环境或事件的精确信息感知能力。这种自组网能力使其与传统传感器系统相比，具有高可靠性、高抗毁性、随需而设、即设即用等特点，尤其适合无法部署固定线路的场合，比如恶劣的野外环境，或是战时以及救灾等突发事件等需要网络快速、灵活快速部署的场合，而且，由于无线传感器网络的冗余特性，即使在某个或者某些节点失效时，仍能保障整个传感系统具有很高的可靠性。

　　无线传感器网络凭借其技术特点在军事，环境科学，医疗，以及其他商业领域都拥有广泛的应用前景。在军事方面，由于传感器网络非常适合于恶劣的战场环境部署，因此可被充分用于战场环境侦察和监视系统的C4KISR 系统，作为遥感遥测等大尺度信息的补充，通过铺设传感器网络，以更隐蔽更快速的方式近距离地观察敌方的地形和布防情况，为火控和制导系统提供更为精确的目标定位信息，并且使指挥员及时准确地了解双方的武器装备和军用物资供给等情况，从而融合来自战场的各类数据形成军队完备的战区态势图。此外，通过传感器节点在重要街道的密集部署，甚至可以使得指挥员最快速地获得敌方狙击手的精确方位，为己方重要人物的安保防恐提供帮助。

　　此外，无线传感网络还可以完成在突发灾难性环境如核反应堆的监控，火警及地震等灾难事件区的监测等。在环境科学方面，无线传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便，比如跟踪野生动物的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监控海洋、大气和土壤的成分，监控城市大气与水污染指标等等。类似地，无线传感器网络也可以应用到精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等;在医疗健康方面，医生可以借助安装在病人身上的传感器长时间收集病人的生理数据，随时了解病人的病情，进行及时处理。此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而独特的应用;在空间探索方面，借助于航天器布撒的传感器节点实现对星球表面长时间的监测。除此之外无线传感器网络还可以在智能家居、仓储物流管理，工厂自动化等等诸多商业领域发挥巨大作用。特别是在目前城市化的加快进程中，无线传感器网络也可以充分用于城市车辆的监控和跟踪中，为交通和环境问题的解决提供帮助。

　　由于无线传感器网络具有的这些特点和优点，人们为其想象出了多种应用，但目前限制无线传感器网络广泛应用的主要困难除了尚缺乏有效的通信协议以及相关支撑技术等，还在于传感器节点本身的价格难以普及。随着人们对传感器网络这一新技术的重点投入，以及大规模网络示范建设的开展，无线传感器网络节点的价格会逐步下降。根据CrossBow 公司的预测，预计到2008 年，无线传感器网络的节点的价格将降到目前的10%，而整体市场份额将接近30 亿美元。

　　无线传感器网络市场预测

　　作为有助于缩小人机隔阂的技术和产品，无线传感器网络可以实现人与自然界以及机与机之间无处不在的通信和计算能力，随着网络技术的进一步成熟和网络节点价格的持续下降，大规模部署无线传感器网络的条件有可能快速成熟，具有极强生命力的无线传感器网络的应用将不仅仅局限于军事领域，无线传感器网络与数字城市建设相结合是我国今后一个比较现实的热点领域，数字奥运、数字北京的建设为无线传感器网络的应用示范提供了广阔的舞台。奥运场馆作为奥运会比赛的关键区域，基于无线与有线传感器网络融合的方式不仅可以为奥运场馆进行更为丰富更为精细的综合监控，而且该模式还可后续广泛应用于环境、地震、卫生、智能家居等多个领域和行业。尤其是无线传感器网络与基于地理位置信息的服务紧密结合可以使传感器网络的应用进入到一个崭新的领域，与移动通信网络技术结合，可以为用户提供更加丰富、便捷、灵活的服务，这将导致产业价值链发生变化，形成巨大的经济效益和社会效益。