信息技术的发展使我们实现了对信息的海量存储、高速传输和快速处理。但是，对新信息的获取却仍未达到自动化的水平，这就大大限制了人们对外部世界的实时反应能力。近年来，随着传感器、计算机、无线通信、微机电等技术的发展和相互融合，人们终于可以实时监测外部环境，实现大范围、自动化的信息采集了，这就是――

　　无线传感器网络

　　无线传感器网络（Wireless Sensor Network）是由大量低成本且具有传感、数据处理和无线通信能力的传感器结点通过自组织方式形成的网络。它独立于基站或移动路由器等基础通信设施，通过分布式协议自组成网络。

　　无线传感器网络由大量无线传感器结点互连而成，是传感器向微型化、智能化和无线通信化的延伸。根据传感器结点在使用中是否移动，可将无线传感器网络分为静态网络和动态网络，其中大多数是静态网络。在静态网络中，传感器结点被随机地或按一定要求布置在监测区域内，并根据用户的要求，可对温度、湿度、噪声、光强度、压力等环境参数进行测量，或者感知物体的运动速度和方向等。在动态网络中，传感器结点一般被安置在可移动的物体上，如车辆或被监测的动物，它将随物体的移动而移动。无线传感器网络中有一个特殊结点，称为汇聚(sink)结点，它是中心处理结点，也称网关结点。该结点可向区域内的传感器结点发送数据采集命令，并接收和处理传感器结点传送来的数据。如图1所示。

图1 传感器网络示意图

　　1.应用模式

　　无线传感器网络的典型应用模式可分为两类，一类是传感器结点监测环境状态的变化或事件的发生，将发生的事件或变化的状态报告给管理中心；一类是由管理中心发布命令给某一区域的传感器结点，传感器结点执行命令并返回相应的监测数据。与之对应的，传感器网络中的通信模式也主要有两种，一是传感器将采集到的数据传输到管理中心，称为多到一通信模式；一是管理中心向区域内的传感器结点发布命令，称为一到多通信模式。前一种通信模式的数据量大，后一种则相对较小。

　　2. 硬件组成

　　传感器结点的组成可以分为与应用相关和与应用相对独立两部分，如图2所示。前一部分包括传感部件、模-数转换（ADC）部件等；后一部分又称为结点平台，包括计算部件、存储部件、通信部件、电源部件等。随着微电子技术、微机械加工技术、高能电池技术的发展，传感器结点的体积将越来越小，功耗越来越少，价格也会越来越低，而计算能力将越来越强，最终达到所谓“智能尘埃”的水平。这些廉价的微小结点可以大规模地部署到各类特殊环境中，对目标形成全方位的连续监测，并将采集到的数据通过网络传输给处理中心或相应的用户。因此，这种技术在诸多领域都具有广阔的应用前景。

图2 无线传感器原理图

　　3. 软件系统

　　传感器结点的软件系统可分为三个层次：操作系统层、系统服务层、应用层，如图3所示。操作系统层提供硬件访问接口和任务执行环境；系统服务层包括网络通信协议、能量管理、定位与定时等，主要为应用提供所需的系统服务；应用层实现特定应用所需的功能，包括对来自多个传感器结点的数据进行融合等。

　　4. 系统特点

　　无线传感器网络与移动自组网络（Mobile Ad hoc Network，MANET）有类似之处，但又各具特点。无线传感器网络所具有的特点如下：

　　● 专用 传感器网络是针对某种数据采集需求而专门建立的。

　　● 自组织 网络的建立和结点间通信不依赖于固定的通信基础设施。传感器结点通过分布式网络协议实现组网，网络能够自动调整以适应结点的移动、加入和退出、剩余电量和无线传输范围的变化等。

　　● 规模大 传感器网络可能包含多达上千个甚至上万个结点。

　　● 高冗余 为了保证网络的可用性和生存能力，传感器网络通常具有较高的结点和网络链路冗余，以及采集的数据冗余。

　　● 拓扑易变化 除了结点移动带来的网络拓扑变化外，传感器结点的功率控制和剩余电量下降等因素也会导致网络拓扑变化。另外，根据应用需要，网络中有些结点可能进入休眠状态，从而引起工作结点在数目和分布上的变化，导致拓扑改变。

　　● 空间位置寻址 传感器网络一般不需要支持任意两个传感器结点之间的点对点通信，传感器结点不必具有全球惟一的标识，不必采用Internet的IP寻址。用户往往不关心数据采集于哪一个结点，而关心数据所属的空间位置，因此可采取空间位置寻址方式。

　　● 流量不均衡 传感器网络中流向处理中心的数据量往往远大于反方向的流量。数据流向处理中心并在处理中心集中，会出现离处理中心越近，结点负载越重的现象。

　　● 结点数据融合 传感器网络在数据传输过程中，通常要求中间结点能将来自多个传感器的相关数据进行融合，再传送给处理中心。数据融合可以减少冗余数据，节省通信所带来的电能消耗，延长网络生存时间，减轻处理中心的负载。

　　● 结点能力有限 由于低成本、低能耗、体积小、野外部署等要求，传感器结点在供电、计算、存储、通信等方面的能力比较受限。

　　由于传感器网络潜在的巨大应用价值，它已经引起了世界各国的军事部门、工业界和学术界的极大关注。2003年，美国自然科学基金委员会制定了传感器网络研究计划，投资3400万美元，支持相关基础理论的研究。美国加州大学伯克利分校、麻省理工学院等一批高校分别开展了传感器网络的基础理论和关键技术的研究。美国国防部也对传感器网络给予了高度重视，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列研究项目。Intel、微软等信息业巨头也开始了传感器网络应用开发方面的工作。我国自然科学基金在2004年度也设置了传感器网络的重点项目，展开了相关的研究工作，目前不少部门已启动相关的研究工作，我们应抓住机遇，加强科技界和产业界的合作，推动我国无线传感器网络领域的技术快速发展及推广应用。