浅谈无线传感器网络的发展

浅谈无线传感器网络的发展

周梓鑫

武警警官学院  

摘要：当今社会，无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）被广泛地应用于民事和军事的各个领域。随着电子信息技术的深入发展，作为物联网技术的底层架构，无线传感器网络的应用将为国民经济发展和国家安全构建提供强有力的支撑和保障作用。

在通信技术、计算机技术、网络技术和传感器技术的发展推动下，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)被公认为21世纪最重要的技术之一。无线传感器网络被广泛地应用于工农业、军事通讯、环境监测、城市管理、健康监测、抢险救灾等领域。随着电子信息技术的深入发展，作为物联网技术的底层架构，无线传感器网络的应用将为国民经济发展和国家安全构建提供强有力的支撑和保障作用。

随着微电子机械系统（Micro-electromechanical Systems, MEMS）和超大规模集成电路的发展，“微型化”、“智能化”和“网络化”的电路系统性能得到极大的提升，成本也大幅度降低，推动着WSN被广泛地应用各个领域。

1、国外无线传感器网络发展概况

将成百上千的低成本、低功耗、多功能的微型传感器装置组成ad hoc微传感器节点，散布在一定的地理区域，每一个传感器节点监控自己周围的环境并把感知得到的数据无线传输给融合中心（Fusion Center, FC）实现任务/事件的检测，上述系统即构成了一个WSN。WSN具有自组织、微型化和对外部世界的感知能力，综合了传感器、嵌入式系统、通信和电源等多项技术。WSN节点通常由传感器、通信电路和数据处理电路构成，可以放置于工厂设备、农田或战场等危险或人类不便到达的地方完成定位、测量、控制等多种功能，可以在任何时候、任何地点通过数据的收集、处理、分析、散播提供一种崭新的信息通道，使人们获得较为详细、可靠的信息。WSN最初应用于战场监测，随着技术的发展和普及，WSN在当前被广泛应用在很多民用领域，如环境与生态监测、健康监护、智能家居以及交通控制等。

WSN最初可追溯到1978年的一项分布式传感器网络（P3205）的研究，此项目由美国国防部高级研究所计划署出资，卡耐基梅隆大学承担主要研究任务，这一项目揭开了WSN研究、发展与应用的序幕。

20世纪90年代，以加州大学洛杉矶分校的戴维·卡勒（David Culler）教授带领的研究小组为代表，开始了真正的WSN的研究。1996年，卡勒教授在美国国防部资助下开展了低功耗WSN设备（LWIM）项目的研究工作，并开发出了将多种传感器、控制器和通信芯片集成在一个设备上的LWIM节点；随后LWIM团队与Rockwell合作开发了WINS节点，该节点具备100Kbps数据率的通信能力和较强的数据处理能力。处理器功率在正常和睡眠状态下达到200mW和0.8mW。

与卡勒教授同时期的加州大学伯克利分校发起了旨在开发微型化传感器节点的“智慧尘埃”（Smart Dust）项目。1999年，加州大学伯克利分校发布了WeC节点，并在随后陆续推出了一系列微型化、低功耗的节点平台，包括后来被研究者广泛使用的Mica、MicaZ等。Mica系列节点的出现，标志着WSN的研究进入了低功耗、微体积的先进计算时代。

2002年，加州大学伯克利分校和英特尔的研究小组联合巴港大西洋大学的科学家在大鸭岛进行了一个关于WSN技术的实验，实验中用各种传感器监视岛上海鸟的栖息情况，使用的传感器有光照、大气压力、湿度、红外及摄像头等近十种类型，节点多达一百多个。实验通过无线传感器自组织网络收集和传递信息给基站的计算机，然后再通过卫星通讯将数据发送至加州的服务器。大鸭岛实验作为WSN发展过程中里程碑式的应用，对于后续的科研工作具有重要的指导意义。

WSN的研究越来越受到各个国家和跨国公司的重视。继美国国防部提出“智慧尘埃”后，美国陆军在2001年提出“灵巧传感器网络通信”计划；2002年，英特尔公司发布“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”；同年，欧盟提出了一项为期三年的自组织和协作有效能量的传感器网络（EYES）计划。美国科学基金委员会也投入大量的科研经费支持WSN的研究，2005年的资助金额达4000万美元。此外，美国交通部、美国国家航空航天局、能源部也启动了相关的研究项目。美国的知名高校也纷纷设立专门研究小组，并取得了许多突出的成果。同样，加拿大、英国、日本、德国等国家也纷纷开展WSN方面的研究，众多的知名公司如Philips、France Telecom、Ericsson、Siemens、NEC等也投入资金和人力进行WSN的研究。

2、国内无线传感器网络发展概况

中国对于WSN的研究进程稍稍落后于西方发达国家。2004年中国国家自然科学基金委员会将WSN列为重点研究项目。2005年我国开始传感器网络标准化研究工作《国家中长期科学与技术发展规划纲要（2006-2020）》在支持的重点领域及其优化主题“信息产业及现代服务业”中列入了“传感器网络及智能信息处理”，并在前沿技术中重点支持了“自组织传感器网络技术”。2008年9月启动的国家16个重大专项中03专项设立了7个方向，WSN为其中第6个—“短距离无线互联与传感器网络研发”。国内的一些大学和科研单位，如中科院自动化所和软件所、清华大学、哈尔滨工业大学从2002年开始在时间同步与定位、传感器数据管理系统方面开展了研究工作。重庆大学也在同一时间开始研究嵌入式WSN节点、可重构技术、无线传感器中的定位等技术。国内也有越来越多的企业开始关注WSN技术的发展，开始推出针对WSN的解决方案。至今在物联网大势所趋的环境下，WSN引发社会热议的同时也不断向前演进，有了更为广泛的创新、发展与应用的平台，在工业、农业、医疗、智慧家居、智慧交通、智慧城市等方面潜力巨大且影响深远。          

参考文献：

[1]刘云浩. 物联网导论[M]. 北京: 科学出版社. 2013: 6-9

[2]李建中, 高宏. 无线传感器网络的研究进展[J]. 计算机研究与发展. 2008, 45(1):1-15

[3]陈超. 物联网的应用和前景展望[J]. 中国信息化, 2013(4).

[4]司海飞, 杨忠, 王瑁. 无线传感器网络研究现状与应用[J]. 机电工程. 2011,28(1):16-20.

[5]丁仁伟. 无线传感器网络中能量收集节点的研究与实现[D]. 北京交通大学, 2014.