无线传感网技术应用前景及展望

摘要：简述无线传感器网络的定义、组成及特点，并结合其特点介绍了无线传感器网络在各行各业广泛的应用价值和未来发展前景以及基本问题。

关键词：无线传感器网络；组成；应用；发展

0 引言

科技飞速发展，人类早已完全置身于信息时代。随着微电子技术、材料技术和通讯技术等等发展，作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器技术已经从过去的单一化向集成化、微型化和网络化方向发展，必将带来又一场信息。

通过综合传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，而形成具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器网络（WSN， wireless sensor networks），它是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，利用无线通信方式形成的一个多跳自组织网路系统，来实现协作地实时地感知、采集和处理网络分布区域内的各种对象信息，并发送给观察者。从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。

　　无线传感器网络综合了多种领域，也是当前计算机网络研究的热点，具有巨大应用价值。因而已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的广泛关注，被广泛地应用于军事，工业过程控制、、环境监测和现代农业等领域。 

1 无线传感网的研究背景

无线传感网最早雏形是美军在越战中使用的震动与声音传感器的简单网络，但只是传统传感器的点对点传输。无线传感网技术真正意义上的兴起是从20世纪90年代开始。

1999年，在美国召开的移动计算和网络国际会议上，提出"无线传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇"；美国《商业周刊》将无线传感器网络列为21世纪最有影响力的21项技术之一；《MIT技术评论》将无线传感器网络列入十种改变未来世界新兴技术之首。近年来随着技术的不断成熟，无线传感器网络逐步进入产业化阶段，以无线传感器网络为基础的"物物互联"市场在全球高速发展。

传感器网络技术的发展对整个国家的社会、经济具有重大的战略意义，也被认为是继计算机和互联网之后的"第三次IT浪潮"。

2无线传感网的国内外发展现状

无线传感器网络与传统的无线网络(如WLAN和蜂窝移动电话网络)有着不同的设计目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。

这些节点通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。当然，从理论上讲，太阳能电池能持久地补给能源，但工程实践中生产这种微型化的电池还有相当的难度。

在无线传感器网络的研究初期，人们一度认为成熟的Internet技术加上Ad-hoc路由机制对传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明两者明显不同的技术要求，前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。为了适应广泛的应用程序，传统网络的设计遵循着“端到端”思想，强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发，对于传感器网络，这未必是一种合理的选择。一些为自组织的Ad-hoc网络设计的协议和算法未必适合传感器网络的特点和应用的要求。地址的作用在传感器网络中就显得不是十分重要，应用程序不怎么关心单节点上的信息；中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存也显得很有必要。在密集性的传感器网络中，相邻节点间的距离非常短，低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为传感器网络的研究提出了新的技术问题。

发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展，IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学还于最近创办了传感器网络协会，期望能促进传感器联网技术开发。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。

对于中国这是一个难得的发展机遇。在以计算机应用为核心的"第一次IT浪潮"中，中国属于后期介入；在以互联网与移动通信网络为核心的"第二次IT浪潮"中，中国处于中期跟进。而以无线传感器网络为核心的 "第三次IT浪潮"的兴起，中国与国际保持同步发展。无线传感器网络已成为中国科技领域少数位于世界前列的方向之一。中国已经把无线传感器网络的发展提高到了国家战略高度，将其列入了《国家中长期科学与技术发展规划纲要（2006-2020）》、《信息产业科技发展"十一五"计划和2020年中长期规划（纲要）》等重大专项研究之中。中国在技术、人才、技术平台和产业化基础但同时也存在一定的问题

3无线传感网的国内外研究热点

无线传感网的研究的热点在网络的网络层与链路层的构建以及节能优化与共性技术。

在网络层方面，主要是平面路由协议与层路由协议的研究。对于平面路由协议，主要集中在扩散控制、泛洪路由、SPIN、SAR的研究。对于层路由协议，主要集中在多层聚类算法、LEACH、TEEN、PEGAGIS的研究。

在链路层方面，主要集中在SMACS、基于CSMA的介质访问控制、TDMA/FDMA组合方案的研究。

信息的有效传递对于无线传感网十分关键，节点的节能优化也是相当重要。除了节约能源成本外，由于节点部署区域环境的变化，在有毒、高辐射等环境下节点可能是一次性使用，节点的工作时间也影响着整个系统的工作，因此基于动态功率管理和动态电压调度的系统节能管理也变得十分必要。

同时在多数实际情况下，定位和时钟同步的共性技术的之处也是不可或缺的。

4无线传感网的应用现况与前景

微小传感器技术和节点间的无线通信能力为传感器网络赋予了广阔的应用前景,主要表现在军事、环境、健康、家庭和其他商业领域.当然,在空间探索和灾难拯救等特殊的领域,传感器网络也有其得天独厚的技术优势

无线传感网的最早应用也是现在它的主要应用，即军事防御和反恐。它是C4ISRT系统中关键的一环，使得敌我识别、情报获取、战场定位和探测及判定化学、生物、放射、核子等物质和攻击更快更准更安全。在军事应用中,与的卫星和地面雷达系统相比,传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面:

(1)分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比,这一直是卫星和雷达这类系          统难以克服的技术问题之一。

(2)传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力。

(3)传感器节点与探测目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能的影响。 

(4)节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标。

(5)多节点联合,形成覆盖面积较大的实时探测区域. 

(6)借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力,可以有效地消除探测区域内的阴  影和盲点。

除了安全问题，目前的环境状况逐渐恶化，已引起人们广泛的关注。加强对环境的研究，防止进一步的恶化，具有重大的意义，但是通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作，而微型传感器的为随机的野外数据调查提供了便利，比如跟踪候鸟和昆虫的迁移,研究环境变化对农作物的影响,监测海洋、大气和土壤的成分等以及精细农业中,以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。

传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点,如心率和血压监测设备,利用传感器网络,医生就可以随时了解被监护病人的病情,进行及时处理。还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据,这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的,而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不便。此外,在药物管理等诸多方面,它也有新颖而独特的应用。

除此之外，无线传感网在空间探索、信息家电和智能家居都有着广泛应用。可以想见无线传感网将会是人感官与思维的极大延伸，而根据摩尔定律，无线传感网的节点将会更加趋于集成化、微型化和智能化，使我们的经济与社会发展得到更大的驱动力。

参考文献

[1]施荣华，张祖平.信息学科导论.科学出版社.2009.10

[2] 嘉兴市无线传感网络产业发展规划（2010～2020年）

[3] 任丰原，黄海宁，林 闯.无线传感器网络.软件学报.2003.7

[4] 陈雄，杜以书，唐国新. 无线传感器网络的研究现状及发展趋势. 系统仿真技术.2005.7