第1章 無線傳感器網絡概述

1.1 無線傳感器網絡現狀

1.1.1 基本概念及特點

隨著微機電系統和分布式信息處理技術的發展，低功耗、低成本、大規模的無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSNs）作為一種新興技術，拓寬了現代網絡的功能，提高了人們認知世界的能力。無線傳感器網絡是由隨機布撒在應用區域內大量微型、廉價的傳感器節點，以相互協作的方式構成的多跳、自組織網絡，能夠達到協作感知、采集和處理網絡覆蓋區域內被監測對象信息，并將收集到的信息傳送給使用者的目的，因此，無線傳感器網絡是一種新的信息獲取和信息處理方式。無線傳感器網絡具有節點分布范圍廣、個數多、單個節點成本低廉、網絡動態性強等特點，已廣泛應用于軍事、環境監測、醫療護理、智能家居等領域。

無線傳感器網絡與傳統無線網絡，在應用需求、設計目的和技術要求等方面有著各自的特點。傳統無線網絡的任務是傳輸數據和完成通信，而無線傳感器網絡中各個節點都可以接收信息，并以多跳路由的方式將信息傳送到匯聚節點，同理，匯聚節點也可利用相同的方式將信息傳送到各個節點。無線傳感器網絡的特點主要體現在以下幾個方面。

1.規模大

為了完成對區域的監測任務，監測區域內會部署大量節點，節點的個數可達上千個甚至上萬個，單位監測區域面積的網絡節點個數要遠大于傳統無線網絡。正是節點的大規模性，使得監測區域可以實現密集測量，從而得到高精度的監測信息。

2.動態性強

在無線傳感器網絡中，網絡拓撲結構隨時變化，影響網絡拓撲結構變化的原因如下：單個節點或許會有受環境干擾、能量不足等問題，從而導致節點出現故障；無線通信信道具有不穩定性，從而導致節點間可能發生中斷等情形；觀察者和被感知對象具有可移動性，節點間的連接情況受到影響。易變的網絡拓撲結構要求無線傳感器網絡系統能夠適應各種變化，具有動態系統的可重構性。

3.通信、計算和存儲能力受限

傳感器節點是一種微型嵌入式設備，考慮節點大規模部署中的能量消耗問題，節點的設計需要滿足價格低和功耗小的要求，這些限制條件導致其只能裝配處理能力較弱的處理器和容量較小的存儲器，無法進行過于復雜的計算。

4.無中心且自組織

無線傳感器網絡沒有中心節點，如果某個節點因故障而無法完成工作，整個網絡的穩定性由于其具有自組織能力而不會受到影響。在無線傳感器網絡應用中，節點位置和節點間的通信信息不能預先設定，甚至節點會因為自身能量耗盡或環境因素而使節點失效，網絡中的節點個數相應減少，網絡拓撲結構隨之變化，這就要求網絡中的節點不僅具有自主管理和自動配置的能力，還可以通過分布式算法快速完成系統布局和搭建。

5.數據中心

無線傳感器網絡是一種任務型網絡，它以數據為中心，采集到的數據被用作查詢或者傳輸的線索。此外，網絡中節點的編號與節點的位置之間并沒有必然的聯系。當用戶使用無線傳感器網絡進行事件查詢時，用戶關心的是發生事件的位置和發生事件的信息，而不關心是哪個節點傳輸的數據?？梢钥闯?，無線傳感器網絡是以數據為中心的網絡。

6.能量受限

無線傳感器網絡中節點的體積較小，只能使用電池供電。由于傳感器網絡部署的環境十分復雜，基本不能通過更換電池的方式給節點補充能量，一旦網絡中節點的電池電量不足，該節點就會因失效而被廢棄。因此，節省能源成了無線傳感器網絡的一個關鍵問題，如何在不影響節點功能的前提下，高效利用節點能量提供服務至關重要。

1.1.2 研究現狀

由于無線傳感器網絡具有較高的科研價值及應用前景，所以在國內外都得到了廣泛的關注，尤其在美國、日本、中國、歐洲和俄羅斯等國家和地區中的發展尤為迅速。

無線傳感器網絡的發展目前經歷了4個代際。第一代無線傳感器網絡誕生于20世紀70年代末期，傳感器節點通過采用點對點的傳輸方式以星形拓撲結構構成傳感器網絡。隨著相關學科的發展，節點增強了多種信號的處理能力，節點間采用串口或并口相連，使得傳感器網絡信息的綜合處理能力提升，這是第二代傳感器網絡。第三代傳感器網絡出現在20 世紀90年代后期，傳感器網絡引入現場總線技術，將通過智能方法獲得多種信號的節點組成智能化傳感器網絡。目前，第四代傳感器網絡正在快速發展，新一代節點具有多功能、多信號獲取能力的特點，且可通過無線自組織方式快速組網。

在各國無線傳感器網絡技術競賽中，最早開展無線傳感器網絡研究的是美國。美國國防部首先將傳感器網絡應用于軍事領域，20世紀70年代初期，美國的軍用系統SOSUS（Sound Surveillance System）就是一種基于無線傳感器的系統，用于監測蘇聯的潛艇動向。20世紀80年代，美國海軍利用地面基站及雷達系統對空中目標進行監測和跟蹤，相關技術的應用大力推動了無線傳感器網絡的發展。1999 年，美國著名商業周刊將無線傳感器網絡列為21 世紀最具影響的21項技術之一。同樣在1999年，學者在美國移動計算和網絡國際會議上提出了“傳感器走向無線時代”這一概念，由此開啟了無線傳感器網絡逐漸面向大眾的進程。美國空軍于2000年列舉出15項有助于提高21世紀空軍能力的關鍵技術，傳感器技術名列第二。2001年美國陸軍提出了“靈巧傳感器網絡通信”項目，旨在通過將傳感器收集到的大量戰場信息用于分析戰場態勢，從而幫助參戰人員制訂戰斗行動方案。之后，美國陸軍確立了“無人值守地面傳感器群”和“戰場環境偵察與監視系統”項目，其主要目的是靈活部署網絡中的傳感器節點，并且通過節點獲取準確的地面信息。在工業領域，美國Dust Networks和Crossbow等公司研發了“智能塵埃”項目，由此傳感器網絡實現商用。美國Desert Mountain公司將無線傳感器網絡技術應用于對高爾夫球場自來水灌溉的調控。2002年，美國英特爾公司發布了“基于微型傳感器網絡的新型計算發展規劃”，其主要目的是將傳感器應用到民用領域。2003年，美國科學基金委員會投入了大量的精力和財力用于無線傳感器網絡的發展，涉及的領域包括生物感知領域和化學毒物感知領域等。美國很多高校和科研機構都對無線傳感器網絡的理論基礎和關鍵技術展開了深入的研究，比較著名的研究項目包括加州大學洛杉磯分校和羅克維爾自動化中心共同研發的DARPA項目、加州大學伯克利分校研發的BWRC項目和WEBS項目、普渡大學研發的ESP項目、麻省理工學院研發的NMS項目和AMPS項目、俄亥俄州立大學研發的Exscal項目。

日本、韓國和俄羅斯等國家也不甘示弱，都迅速投入到無線傳感器網絡的研究當中。歐盟第6 個框架計劃將“信息社會技術”作為優先發展領域之一，其中多處涉及無線傳感器網絡的研究。日本總務省在2004年3月成立了“泛在傳感器網絡”調查研究會。韓國信息通信部制定了信息技術“839”戰略，其中，“3”是指IT產業的三大基礎設施，即寬帶融合網絡、泛在傳感器網絡、下一代互聯網協議。在企業界中，歐盟的Philips、Siemens、Ericsson、ZMD、France Telecom和Chipcon等公司，日本的NEC、OKI、Sky2 leynetworks、世康和歐姆龍等公司都開展了對無線傳感器網絡的研究，并取得了不錯的成果。

我國對無線傳感器網絡的發展也非常重視，但是起步較其他國家和地區稍晚。1999年，中國科學院在《知識創新工程試點領域方向研究》中首次提出無線傳感器網絡，并將它作為該領域的五大重點項目之一。2001年，中國科學院與其院內單位上海微系統所合作，共同成立了微系統研究與發展中心，開展對無線傳感器網絡的相關研究工作。2001年，中國科學院和科學技術部針對無線傳感器網絡的研究方向，提出了若干重大研究項目，并把物聯網列為戰略性新興產業。2003年，國家自然科學基金開始對無線傳感器網絡的研究進行資助。2004年，“基于無線網絡的應急搜救關鍵技術研究”“面向傳感器網絡的分布自治系統關鍵技術及協調控制理論”“水下移動傳感器網絡的關鍵技術”等項目先后被列為重點項目。2005 年，無線傳感器網絡基礎理論和關鍵技術被列為重點項目。2006年，國務院發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》中定義了關于信息技術的3 個前沿方向，其中兩個方向與無線傳感器網絡相關，2006 年水下傳感器網絡的關鍵技術也被列為重點研究項目。2009 年9 月11日，中國傳感網標準工作組正式成立，其主要任務是匯聚國內最強的傳感網技術力量，制定傳感網技術國家標準，促進與國外同行的合作交流，提升國內傳感網技術整體競爭力。2009年11月3日，國務院總理溫家寶發表題為《讓科技引領中國可持續發展》的講話時明確指出“要著力突破傳感網、物聯網的關鍵技術，及早部署后IP時代相關技術研發，使信息網絡產業成為推動產業升級、邁向信息社會的‘發動機’”。在2010年的全國“兩會”上，時任國務院總理溫家寶在政府工作報告中首次提到關于物聯網的內容，并提出“加快物聯網的研發應用”，會上多位人大代表提出將物聯網提升為國家戰略。2013 年，工業和信息化部、科學技術部在《加快推進傳感器及智能化儀器儀表產業發展行動計劃》中明確提出，要重點支持“傳感器設計和制造技術、傳感器測量和數據處理技術、智能傳感器系統及無線傳感器網絡技術”。2014年6月，國務院在《國家集成電路產業發展推進綱要》中提出，加快云計算、物聯網、大數據等新興領域核心技術研發，開發基于新業態、新應用的信息處理、傳感器、新型存儲等關鍵芯片及云操作系統等基礎軟件，搶占未來產業發展制高點。2015年，國務院推出相應政策，致力于推動新一代信息技術與制造技術融合，突破新型傳感器（無線傳感器）等關鍵核心裝置的束縛。2015年3月5日，李克強總理在政府工作報告中首次提出“互聯網+”行動計劃，推動移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等與現代制造業的結合。2016 年，《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》中提到，要“積極推進云計算和物聯網發展”，“推進物聯網感知設施規劃布局”，“推進信息物理系統關鍵技術研發和應用”。其中，物聯網感知技術就包含無線傳感器網絡技術。此外，我國在國家自然科學基金、國家“863計劃”“973計劃”和國家科技重大專項等科技計劃中也已部署物聯網的相關技術研究工作。與此同時，在芯片、通信協議、網絡管理、協同處理、智能計算等領域組織開展了技術攻關，并取得了初步成果。國內也有越來越多的企事業單位開始關注傳感器網絡技術的發展，并推出針對無線傳感器網絡ZigBee協議的解決方案。在IEEE短距離無線通信、3GPP移動網絡優化、ISO/IEC物聯網體系架構標準研究等方面，我國的科研情況均已實現局部突破。傳感器網絡相關技術在國內交通、智能家居、智能電網等領域已經有廣泛的應用。此外，將無線傳感器網絡作為傳感與信息采集的基礎設施，可構建一種全新的基于無線傳感器網絡的系統架構，專注于實現感知和收集環境信息并存儲、處理復雜的數據的功能，可為大型的軍事應用、工業生產、科研和商業交易等領域提供一個集數據感知、海量存儲及密集處理于一體的強大操作平臺。

目前，隨著物聯網的興起，無線傳感器網絡作為最重要的感知層，受到非常廣泛的關注，各國高校和科研機構正對包括傳感器技術、分布式信息處理技術、嵌入式計算技術和短距離通信技術等融合多學科在內的交叉技術領域開展深入研究。當前，物聯網應用發展進入實質性推進階段，物聯網的理念和相關技術產品已經廣泛滲透到社會經濟民生的各個領域，在越來越多的行業創新中發揮了關鍵作用。從產業規模來看，我國物聯網近幾年保持著較高的增長速度。位于物聯網感知層中的無線傳感器網絡，是整個物聯網產業發展的基礎和核心，其產業規模也隨著物聯網的發展得到快速提升。此外，以物聯網融合創新為特征的新型網絡化智能生產方式正塑造未來制造業的核心競爭力，推動石化、電力、煤炭等大型傳統工業領域向網絡化、智能化、柔性化轉型，孕育和推動新產業革命的發展，這將給行業中的企業帶來新的挑戰。

“工業4.0”是近年來提出的理念，也是國家發展的方向及未來工業制造的發展方向，其核心在于實現未來工業的智能化，當“萬物互聯”這一概念屢屢出現在人們的視野當中時，智能工業成為實現“萬物互聯”的關鍵技術之一。智能工業需要重點解決的是如何將資源、信息、物品和人進行互聯，這便需要打造以信息網絡技術、數字化制造技術應用為重點，并以無線傳感器網絡技術為基礎，打造全面且先進的智能化制造系統架構。當前，工業無線傳感器網絡技術已在工業過程監測領域得到了廣泛應用，通過監測、控制生產過程中的各個參數，最終實現了過程控制、過程安全、運營管理和資產優化的智能化。

1.1.3 應用領域

無線傳感器網絡是一種自組織網絡系統，它融合了傳感器技術、無線通信技術和分布式計算，主要用于監測各種物理參數和環境信息，并將監測信息以節點協作的方式通過單跳或者多跳傳輸給目標節點。無線傳感器網絡是一種新型網絡，它具有巨大的應用價值和廣泛的應用前景，并對人類的各個領域產生深遠的影響，以下列出了無線傳感器網絡的重要應用領域。

1.軍事領域

無線傳感器網絡具有節點數量大、容錯性強、冗余度高和快速自組織的特點，即使部署在監測區域中的部分節點因受到敵方毀壞而失效，其他節點仍可以很好地完成監測任務。軍事發達國家非常重視無線傳感器網絡的研究，把它作為軍事系統中必不可少的一部分。例如，在信息化戰爭中，美國軍方將大量的傳感器節點通過飛機等方式隨機布撒到敵軍作戰區域中，節點可以有效代替人力隱蔽地收集敵軍的信息，如兵力、物資裝備和地形等關鍵的戰場信息，從而取得戰爭勝利的先機。

2.環境監測領域

隨著工業的發展，生態環境不斷惡化，可將無線傳感器網絡引入環境監測領域的實際監測當中。無線傳感器網絡節點具有體積小、部署范圍大等特點，將其應用到采集和處理自然生態系統的數據信息中，可以有效取代傳統的人工方法，節省人力物力。傳感器節點可以集成各種傳感模塊，用來跟蹤生物、動物的遷移，監測土壤、濕度和溫度等方面的指標，為研究和預測工作提供有效依據。例如，美國加州大學伯克利分校Intel實驗室和大西洋學院聯合在大鴨島上部署了一套小型無線傳感器網絡，該網絡由32個傳感器節點組成，主要任務是監測島上海燕的生活習性。同樣，傳感器節點在水下對礦產資源的開采、水下溫度的監測和有害成分的監測也可以發揮積極的作用。

3.醫療護理領域

在醫療護理領域，可在患者身上安裝心率監測設備等傳感器設備跟蹤患者的行動，并監測患者的各種生理數據，根據傳感器提供的數據，醫生可以隨時監測患者的病情，并對突發病情進行快速準確的治療。例如，羅徹斯特大學研發的智能醫療房間利用智能塵埃監測居住者的睡覺姿勢、呼吸、脈搏等活動狀況。英特爾公司研發了家庭護理技術，該技術將半導體傳感器嵌入到家庭設備中，為老人和殘障人士的家庭生活提供便利，同時減輕了醫護人員的負擔。

4.智能家居領域

智能家居領域以住宅為平臺，在各種日常的家具和電器中嵌入傳感器節點，這些節點自組成網絡，并通過無線傳感器網絡與互聯網連接在一起，使人們在住宅外也可以實時遠程操控家中設備。例如，將光照、濕度和溫度等傳感器嵌入住宅設備中，可以從傳感器中獲得住宅內不同位置的數據信息，從而自動控制空調、門窗和其他家電設備。

5.工業監控領域

在工業監控領域，無線傳感器網絡同樣有著廣泛的應用。

（1）機器健康監測無線傳感器網絡已經被廣泛應用于機械的實時狀態維護（Condition-Based Maintenance，CBM）當中，不僅節約了人工成本，還大大降低了物質成本，延長了機器的壽命。此外，無線傳感器還可以放置在難以通過有線系統到達的位置。

（2）由于數據中心服務器機架的密度很高，越來越多的機架配備了無線溫度傳感器，以監測機架的進氣和出氣溫度。美國采暖、制冷和空調工程師協會（The American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE）要求每個機架安裝6個溫度傳感器，無線溫度監控技術與傳統的有線傳感器相比具有明顯優勢。

（3）數據記錄無線傳感器網絡同樣也用于收集各種設備監測信息數據，實施過程可以像監測冰箱內的溫度和核電站溢流水箱中的水位一樣簡單，這些數據的統計信息揭示了系統的工作流程，相比傳統的記錄儀，無線傳感器網絡更具實時性。

上述廣泛的應用場景給無線傳感器網絡帶來了更廣闊的市場，隨著無線傳感器網絡技術的不斷成熟及市場需求的不斷提升，無線傳感器網絡產品對傳統傳感器的替代作用更加明顯。

Grand View Research公司的一份最新報告顯示，全球無線傳感器網絡的市場規模預計將在2025年達到86.7億美元，年復合增長率為14.5%，且該趨勢有望持續。在我國，無線傳感器網絡產品2014年在傳感器市場中的占比約為4.3%，規模達到6.2億元。2019年，無線傳感器網絡產品在傳感器市場中的占比達到10.0%，市場規模達24.2億元，年復合增長率高達27.1%，市場前景廣闊。

總之，隨著企業生產線改造和通信設備升級改造，我國無線傳感器網絡產品需求將一直高速增長，并且一直保持著上升趨勢，尤其是偏遠地區，需要強大的網絡連接，網絡基礎設施的需求預計將推動無線傳感器網絡市場的增長。同時，在工業4.0 的大背景下，工業生產智能化成為未來工業轉型的重要手段，作為工業智能化重要技術之一的無線傳感器網絡必將發揮越來越重要的作用，而工業無線傳感器網絡市場也將獲得更為廣闊的發展機遇，行業增長速度有望持續穩定增長。

1.1.4 熱點問題

無線傳感器網絡作為一個全新的研究領域，受到各國的廣泛關注，來自世界各地的研究學者都投身于無線傳感器網絡的研究當中，同時受到各國政府政策的大力支持。隨著研究及工程應用的不斷推進，無線傳感器網絡的普及化仍然存在一定的障礙。經過大量的調研，目前無線傳感器網絡的科學研究可以歸納（但不限于）為以下幾個熱點。

1.能耗問題

無線傳感器網絡節點的能量是有限的，在復雜、未知、惡劣的分布環境中，節點的能量補充十分困難，這就要求無線傳感器網絡節點具有良好的儲能能力及低功耗的工作特點。無線傳感器網絡目前受制于理論層面的發展，無法獲得廣泛應用，最主要的限制就是無線傳感器網絡節點的續航能力。專家學者設計并開發了許多無線傳感器網絡協議，解決節點能量不足的問題，但是尚不存在成熟的技術能夠支撐無線傳感器的大規模應用，因此，無線傳感器的能耗問題依然是一個極其重要的研究課題。

2.節點微型化問題

在同等技術水平下，一個節點越大，它的負載能力就越強，能傳送的數據也更為豐富，但是構建一個無線傳感器網絡需要的節點數量極大，我們希望傳感器節點能夠擁有更小的體積以便節省空間。此外，在某些情景中，傳感器節點的微型化能夠實現隱蔽監測的目的，因此，利用微電子通信技術，設計出壽命長且微型的傳感器節點具有十分重要的意義。

3.成本控制問題

盡管微型傳感器的單價已經降低了許多，但完整的無線傳感器網絡可能需要上百萬個甚至更多的節點，因此，無線傳感器網絡的搭建成本仍然很高。此外，網絡節點在某些特定環境下一旦失效則會被廢棄，若傳感器節點的成本過高，則會造成極大的浪費，從而失去無線傳感器網絡的優勢，因此，有效降低節點成本將大大推動無線傳感器網絡的發展。

4.安全性問題和抗干擾性問題

無線傳感器網絡與普通無線網絡一樣，存在數據加密等方面的安全性問題和抗干擾問題。網絡規模限制了節點的能量和存儲空間等，導致無線傳感器網絡節點無法使用傳統網絡中的加密計算，利用該漏洞對無線傳感器網絡中的節點進行干擾和攻擊，從而竊取無線傳感器網絡中的數據，這將造成巨大的損失。如何避免無線傳感器網絡在毀損或受干擾的情況下準確地完成目標，是目前研究的重要方向。

5.節點的自動配置問題

節點的自動配置是指如何設計特定的算法和規則實現傳感器節點的部署，同時形成最優的網絡結構，當存在部分節點失效或故障時，網絡中心能夠快速尋找這些節點，并且不會影響網絡的正常使用。

6.網絡拓撲問題

網絡拓撲問題分為拓撲發現和拓撲控制。拓撲發現的主要目的是獲取和維護網絡節點的存在信息及它們之間的連接關系信息，并在此基礎上繪制出整個網絡拓撲圖；拓撲控制則主要解決網絡連接拓撲問題和網絡覆蓋拓撲問題。

7.時鐘同步問題

在所有分布式系統當中，時鐘同步問題永遠都是難以攻克的問題之一，在無線傳感器網絡當中也是如此。無線傳感器網絡是典型的分布式網絡，包含大量的傳感器節點，節點之間相互作用，通過傳輸信息，共同執行復雜任務。當無線傳感器節點之間存在時鐘不同步的情況時，不僅節點之間的通信會出現問題，無法成功完成任務，更嚴重的可能會破壞部分傳感器功能，造成難以彌補的損失。因此，時鐘同步問題是無線傳感器網絡研究中的重要課題。

8.定位問題

無線傳感器網絡中節點獲取的信息只有在已知信息采集位置的前提下才具有實用價值，而無線傳感器網絡受制于成本、環境等，GPS等設備無法安裝或其精度無法達到工程需求，因此，需要設計針對無線傳感器網絡的定位算法。