无线传感器网络技术

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无线传感器网络技术






    信息的获取是信息技术产业链和应用环节的第一步，没有它就没有信息的传输、处理和应用，就没有信息化。传感器技术是信息获取的最重要、最基本的技术。从目前的进展看，所有现存的事物、状态，过程和演进，都可以用物理量来描述，这个量就含有信息，都可以用传感器来获得。传感器信息获取技术从单一化到集成化、微型化，进而智能化、网络化，成为信息获取的新手段，从而出现无线传感器网络技术和相应的应用。


1 无线传感器网络的兴起
    传感器网络，经历了如图1所示的发展历程。第一代传感器网络出现在20世纪70年代，使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络；第二代传感器网络，具有获取多种信息信号的综合能力，采用串/并接口(如RS-232、RS-485)与传感控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络；第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和本世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络；第四代传感器网络正在研究开发，用大量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。






    无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络，最早的代表性论述出现在1999年，题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇[1，2]。2003年，美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同年，美国《商业周刊》未来技术专版，论述四大新技术时，无线传感器网络也列入其中。美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。2004年《IEEE Spectrum》杂志发表一期专集：传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。


2 无线传感器网络的关键技术
    无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式。无线传感器网络的集中式结构类似移动通信的蜂窝结构，集中管理。无线传感器网络的分布式结构，类似Ad Hoc网络结构，可自组织网络接入连接，分布管理。无线传感器网络的网状式结构，类似Mesh网络结构，网状分布连接和管理。典型的无线传感器网络结构如图2所示，无线传感器节点经多跳转发，通过网关接入网络，在网络的任务管理节点对传感信息进行管理、分类、处理，再把传感信息送给应用用户使用[3，4]。研究和开发有效的实用的无线传感器网络结构，为构建无线传感器网络奠定技术基础，是十分重要的。






    无线传感器终端(节点)，由采集信息信号的传感器部件、处理存储器、(收)发信机、电源和相关支持软件组成[5]。综合M 种传感信息的无线传感器终端结构如图3所示。






    尽量灵敏的传感器，尽量简易的信号收发，尽量节省的信息处理和尽量持久使用的电源，是无线传感器终端的希望和要求，也是实现无线传感器终端的技术关键。其中，尽量持久使用的电源技术，涉及高能电池。电池无线充电技术是特别引入关注和可能发展的方向。极低功耗传感收发技术，要省能省电，要自适应休眠和唤醒，要突发工作。超宽带(UWB)传输技术是很有希望的，低功耗的PHS技术经过适应改造也很有应用前景。


    无线传感器网络的协议结构是另一项关键技术。图4给出了国外发表的两种协议结构，两种协议结构之间没有本质区别。无线传感器网络对协议结构的期待是：尽量简化协议层次，尽量简练信令方式，尽量利用广播信息，尽量避免交互应答。用简洁的协议栈支持无线传感器网络的有效运行[4，6]。其中，区域覆盖和路由协议很重要，到处存在的接入可能，节省系统开销的路由选择，有向扩散的路由协议，都是值得研究开发的。极大量无线传感器终端的识别和管理、极大量采集数据的集中处理和应用，也是无线传感器网络面临的值得解决的课题。


3 无线传感器网络的应用前景
    无线传感器网络的应用前景十分诱人。传统应用有军事、监控、应急、环境、防空等领域，新兴应用将涉及家用、企业管理、保健、交通等领域。可以预计，将来无线传感器网络将无处不在。比如家庭采用无线传感器网络负责安全、调控、节电、保健等；企业和社区采用无线传感器网络负责保卫与安全、供应监测、人员流动与车辆进出等；服务业采用无线传感器网络负责商品流通、服务环境秩序、金融流通安全等。各种社会活动中，无线传感器网络的应用更是举不胜举。


    应该看到，无线传感器网络才刚刚兴起，它的技术、网络和应用都还不十分成熟，有待研究开发。无线传感器终端要马上达到希望的要求还会有很长一段发展历程，可以由易到难，利用现有通信技术和系统(如无线市话)，逐步演进升级。无线传感器网络业务和网络应用也需要不断开发，形成新兴应用领域。


4 结束语
    无线传感器网络是新兴的通信应用网络，其应用可以涉及到人类生活和社会活动的所有领域。因此，无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，需要各种技术支撑。
目前，成熟的通信技术都可能经过适当的改进和进一步发展，应用到无线传感器网络中，形成新的市场增长点，创造无线通信的新天地。