第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

1.1.1 基本概念及特點

隨著微機電系統(tǒng)和分布式信息處理技術(shù)的發(fā)展，低功耗、低成本、大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）作為一種新興技術(shù)，拓寬了現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的功能，提高了人們認(rèn)知世界的能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由隨機布撒在應(yīng)用區(qū)域內(nèi)大量微型、廉價的傳感器節(jié)點，以相互協(xié)作的方式構(gòu)成的多跳、自組織網(wǎng)絡(luò)，能夠達(dá)到協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)被監(jiān)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(wǎng)絡(luò)是一種新的信息獲取和信息處理方式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點分布范圍廣、個數(shù)多、單個節(jié)點成本低廉、網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性強等特點，已廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護理、智能家居等領(lǐng)域。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)，在應(yīng)用需求、設(shè)計目的和技術(shù)要求等方面有著各自的特點。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是傳輸數(shù)據(jù)和完成通信，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)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(jié)點，同理，匯聚節(jié)點也可利用相同的方式將信息傳送到各個節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.規(guī)模大

為了完成對區(qū)域的監(jiān)測任務(wù)，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)會部署大量節(jié)點，節(jié)點的個數(shù)可達(dá)上千個甚至上萬個，單位監(jiān)測區(qū)域面積的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點個數(shù)要遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)。正是節(jié)點的大規(guī)模性，使得監(jiān)測區(qū)域可以實現(xiàn)密集測量，從而得到高精度的監(jiān)測信息。

2.動態(tài)性強

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時變化，影響網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的原因如下：單個節(jié)點或許會有受環(huán)境干擾、能量不足等問題，從而導(dǎo)致節(jié)點出現(xiàn)故障；無線通信信道具有不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致節(jié)點間可能發(fā)生中斷等情形；觀察者和被感知對象具有可移動性，節(jié)點間的連接情況受到影響。易變的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種變化，具有動態(tài)系統(tǒng)的可重構(gòu)性。

3.通信、計算和存儲能力受限

傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設(shè)備，考慮節(jié)點大規(guī)模部署中的能量消耗問題，節(jié)點的設(shè)計需要滿足價格低和功耗小的要求，這些限制條件導(dǎo)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(jìn)行過于復(fù)雜的計算。

4.無中心且自組織

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)沒有中心節(jié)點，如果某個節(jié)點因故障而無法完成工作，整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)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(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，節(jié)點位置和節(jié)點間的通信信息不能預(yù)先設(shè)定，甚至節(jié)點會因為自身能量耗盡或環(huán)境因素而使節(jié)點失效，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)相應(yīng)減少，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之變化，這就要求網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)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(tǒng)布局和搭建。

5.數(shù)據(jù)中心

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)，它以數(shù)據(jù)為中心，采集到的數(shù)據(jù)被用作查詢或者傳輸?shù)木€索。此外，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的編號與節(jié)點的位置之間并沒有必然的聯(lián)系。當(dāng)用戶使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行事件查詢時，用戶關(guān)心的是發(fā)生事件的位置和發(fā)生事件的信息，而不關(guān)心是哪個節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。可以看出，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。

6.能量受限

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

1.1.2 研究現(xiàn)狀

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有較高的科研價值及應(yīng)用前景，所以在國內(nèi)外都得到了廣泛的關(guān)注，尤其在美國、日本、中國、歐洲和俄羅斯等國家和地區(qū)中的發(fā)展尤為迅速。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展目前經(jīng)歷了4個代際。第一代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)誕生于20世紀(jì)70年代末期，傳感器節(jié)點通過采用點對點的傳輸方式以星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，節(jié)點增強了多種信號的處理能力，節(jié)點間采用串口或并口相連，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)信息的綜合處理能力提升，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在20 世紀(jì)90年代后期，傳感器網(wǎng)絡(luò)引入現(xiàn)場總線技術(shù)，將通過智能方法獲得多種信號的節(jié)點組成智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)。目前，第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)正在快速發(fā)展，新一代節(jié)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(wǎng)。

在各國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)競賽中，最早開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的是美國。美國國防部首先將傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，20世紀(jì)70年代初期，美國的軍用系統(tǒng)SOSUS（Sound Surveillance System）就是一種基于無線傳感器的系統(tǒng)，用于監(jiān)測蘇聯(lián)的潛艇動向。20世紀(jì)80年代，美國海軍利用地面基站及雷達(dá)系統(tǒng)對空中目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測和跟蹤，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用大力推動了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。1999 年，美國著名商業(yè)周刊將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21 世紀(jì)最具影響的21項技術(shù)之一。同樣在1999年，學(xué)者在美國移動計算和網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)逐漸面向大眾的進(jìn)程。美國空軍于2000年列舉出15項有助于提高21世紀(jì)空軍能力的關(guān)鍵技術(shù)，傳感器技術(shù)名列第二。2001年美國陸軍提出了“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信”項目，旨在通過將傳感器收集到的大量戰(zhàn)場信息用于分析戰(zhàn)場態(tài)勢，從而幫助參戰(zhàn)人員制訂戰(zhàn)斗行動方案。之后，美國陸軍確立了“無人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸焙汀皯?zhàn)場環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng)”項目，其主要目的是靈活部署網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點，并且通過節(jié)點獲取準(zhǔn)確的地面信息。在工業(yè)領(lǐng)域，美國Dust Networks和Crossbow等公司研發(fā)了“智能塵埃”項目，由此傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)商用。美國Desert Mountain公司將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于對高爾夫球場自來水灌溉的調(diào)控。2002年，美國英特爾公司發(fā)布了“基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計算發(fā)展規(guī)劃”，其主要目的是將傳感器應(yīng)用到民用領(lǐng)域。2003年，美國科學(xué)基金委員會投入了大量的精力和財力用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，涉及的領(lǐng)域包括生物感知領(lǐng)域和化學(xué)毒物感知領(lǐng)域等。美國很多高校和科研機構(gòu)都對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)展開了深入的研究，比較著名的研究項目包括加州大學(xué)洛杉磯分校和羅克維爾自動化中心共同研發(fā)的DARPA項目、加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)的BWRC項目和WEBS項目、普渡大學(xué)研發(fā)的ESP項目、麻省理工學(xué)院研發(fā)的NMS項目和AMPS項目、俄亥俄州立大學(xué)研發(fā)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(wǎng)絡(luò)的研究當(dāng)中。歐盟第6 個框架計劃將“信息社會技術(shù)”作為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域之一，其中多處涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。日本總務(wù)省在2004年3月成立了“泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)”調(diào)查研究會。韓國信息通信部制定了信息技術(shù)“839”戰(zhàn)略，其中，“3”是指IT產(chǎn)業(yè)的三大基礎(chǔ)設(shè)施，即寬帶融合網(wǎng)絡(luò)、泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)、下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。在企業(yè)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(wǎng)絡(luò)的研究，并取得了不錯的成果。

我國對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也非常重視，但是起步較其他國家和地區(qū)稍晚。1999年，中國科學(xué)院在《知識創(chuàng)新工程試點領(lǐng)域方向研究》中首次提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并將它作為該領(lǐng)域的五大重點項目之一。2001年，中國科學(xué)院與其院內(nèi)單位上海微系統(tǒng)所合作，共同成立了微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，開展對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究工作。2001年，中國科學(xué)院和科學(xué)技術(shù)部針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究方向，提出了若干重大研究項目，并把物聯(lián)網(wǎng)列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。2003年，國家自然科學(xué)基金開始對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)行資助。2004年，“基于無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急搜救關(guān)鍵技術(shù)研究”“面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布自治系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及協(xié)調(diào)控制理論”“水下移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)”等項目先后被列為重點項目。2005 年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)被列為重點項目。2006年，國務(wù)院發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中定義了關(guān)于信息技術(shù)的3 個前沿方向，其中兩個方向與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)，2006 年水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)也被列為重點研究項目。2009 年9 月11日，中國傳感網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)工作組正式成立，其主要任務(wù)是匯聚國內(nèi)最強的傳感網(wǎng)技術(shù)力量，制定傳感網(wǎng)技術(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)與國外同行的合作交流，提升國內(nèi)傳感網(wǎng)技術(shù)整體競爭力。2009年11月3日，國務(wù)院總理溫家寶發(fā)表題為《讓科技引領(lǐng)中國可持續(xù)發(fā)展》的講話時明確指出“要著力突破傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，及早部署后IP時代相關(guān)技術(shù)研發(fā)，使信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)成為推動產(chǎn)業(yè)升級、邁向信息社會的‘發(fā)動機’”。在2010年的全國“兩會”上，時任國務(wù)院總理溫家寶在政府工作報告中首次提到關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容，并提出“加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用”，會上多位人大代表提出將物聯(lián)網(wǎng)提升為國家戰(zhàn)略。2013 年，工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部在《加快推進(jìn)傳感器及智能化儀器儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃》中明確提出，要重點支持“傳感器設(shè)計和制造技術(shù)、傳感器測量和數(shù)據(jù)處理技術(shù)、智能傳感器系統(tǒng)及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”。2014年6月，國務(wù)院在《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》中提出，加快云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興領(lǐng)域核心技術(shù)研發(fā)，開發(fā)基于新業(yè)態(tài)、新應(yīng)用的信息處理、傳感器、新型存儲等關(guān)鍵芯片及云操作系統(tǒng)等基礎(chǔ)軟件，搶占未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點。2015年，國務(wù)院推出相應(yīng)政策，致力于推動新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)融合，突破新型傳感器（無線傳感器）等關(guān)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(lián)網(wǎng)+”行動計劃，推動移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代制造業(yè)的結(jié)合。2016 年，《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》中提到，要“積極推進(jìn)云計算和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展”，“推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)施規(guī)劃布局”，“推進(jìn)信息物理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用”。其中，物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)就包含無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。此外，我國在國家自然科學(xué)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(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)研究工作。與此同時，在芯片、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理、協(xié)同處理、智能計算等領(lǐng)域組織開展了技術(shù)攻關(guān)，并取得了初步成果。國內(nèi)也有越來越多的企事業(yè)單位開始關(guān)注傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，并推出針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee協(xié)議的解決方案。在IEEE短距離無線通信、3GPP移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、ISO/IEC物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)研究等方面，我國的科研情況均已實現(xiàn)局部突破。傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)在國內(nèi)交通、智能家居、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。此外，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為傳感與信息采集的基礎(chǔ)設(shè)施，可構(gòu)建一種全新的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)，專注于實現(xiàn)感知和收集環(huán)境信息并存儲、處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)的功能，可為大型的軍事應(yīng)用、工業(yè)生產(chǎn)、科研和商業(yè)交易等領(lǐng)域提供一個集數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)的興起，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為最重要的感知層，受到非常廣泛的關(guān)注，各國高校和科研機構(gòu)正對包括傳感器技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和短距離通信技術(shù)等融合多學(xué)科在內(nèi)的交叉技術(shù)領(lǐng)域開展深入研究。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展進(jìn)入實質(zhì)性推進(jìn)階段，物聯(lián)網(wǎng)的理念和相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品已經(jīng)廣泛滲透到社會經(jīng)濟民生的各個領(lǐng)域，在越來越多的行業(yè)創(chuàng)新中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。從產(chǎn)業(yè)規(guī)模來看，我國物聯(lián)網(wǎng)近幾年保持著較高的增長速度。位于物聯(lián)網(wǎng)感知層中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是整個物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和核心，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模也隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展得到快速提升。此外，以物聯(lián)網(wǎng)融合創(chuàng)新為特征的新型網(wǎng)絡(luò)化智能生產(chǎn)方式正塑造未來制造業(yè)的核心競爭力，推動石化、電力、煤炭等大型傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、柔性化轉(zhuǎn)型，孕育和推動新產(chǎn)業(yè)革命的發(fā)展，這將給行業(yè)中的企業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)。

“工業(yè)4.0”是近年來提出的理念，也是國家發(fā)展的方向及未來工業(yè)制造的發(fā)展方向，其核心在于實現(xiàn)未來工業(yè)的智能化，當(dāng)“萬物互聯(lián)”這一概念屢屢出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中時，智能工業(yè)成為實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”的關(guān)鍵技術(shù)之一。智能工業(yè)需要重點解決的是如何將資源、信息、物品和人進(jìn)行互聯(lián)，這便需要打造以信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用為重點，并以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，打造全面且先進(jìn)的智能化制造系統(tǒng)架構(gòu)。當(dāng)前，工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已在工業(yè)過程監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，通過監(jiān)測、控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，最終實現(xiàn)了過程控制、過程安全、運營管理和資產(chǎn)優(yōu)化的智能化。

1.1.3 應(yīng)用領(lǐng)域

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它融合了傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)和分布式計算，主要用于監(jiān)測各種物理參數(shù)和環(huán)境信息，并將監(jiān)測信息以節(jié)點協(xié)作的方式通過單跳或者多跳傳輸給目標(biāo)節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新型網(wǎng)絡(luò)，它具有巨大的應(yīng)用價值和廣泛的應(yīng)用前景，并對人類的各個領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，以下列出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

1.軍事領(lǐng)域

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點數(shù)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(jiān)測區(qū)域中的部分節(jié)點因受到敵方毀壞而失效，其他節(jié)點仍可以很好地完成監(jiān)測任務(wù)。軍事發(fā)達(dá)國家非常重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，把它作為軍事系統(tǒng)中必不可少的一部分。例如，在信息化戰(zhàn)爭中，美國軍方將大量的傳感器節(jié)點通過飛機等方式隨機布撒到敵軍作戰(zhàn)區(qū)域中，節(jié)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(guān)鍵的戰(zhàn)場信息，從而取得戰(zhàn)爭勝利的先機。

2.環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域

隨著工業(yè)的發(fā)展，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，可將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的實際監(jiān)測當(dāng)中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有體積小、部署范圍大等特點，將其應(yīng)用到采集和處理自然生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息中，可以有效取代傳統(tǒng)的人工方法，節(jié)省人力物力。傳感器節(jié)點可以集成各種傳感模塊，用來跟蹤生物、動物的遷移，監(jiān)測土壤、濕度和溫度等方面的指標(biāo)，為研究和預(yù)測工作提供有效依據(jù)。例如，美國加州大學(xué)伯克利分校Intel實驗室和大西洋學(xué)院聯(lián)合在大鴨島上部署了一套小型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由32個傳感器節(jié)點組成，主要任務(wù)是監(jiān)測島上海燕的生活習(xí)性。同樣，傳感器節(jié)點在水下對礦產(chǎn)資源的開采、水下溫度的監(jiān)測和有害成分的監(jiān)測也可以發(fā)揮積極的作用。

3.醫(yī)療護理領(lǐng)域

在醫(yī)療護理領(lǐng)域，可在患者身上安裝心率監(jiān)測設(shè)備等傳感器設(shè)備跟蹤患者的行動，并監(jiān)測患者的各種生理數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器提供的數(shù)據(jù)，醫(yī)生可以隨時監(jiān)測患者的病情，并對突發(fā)病情進(jìn)行快速準(zhǔn)確的治療。例如，羅徹斯特大學(xué)研發(fā)的智能醫(yī)療房間利用智能塵埃監(jiān)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(fā)了家庭護理技術(shù)，該技術(shù)將半導(dǎo)體傳感器嵌入到家庭設(shè)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(yī)護人員的負(fù)擔(dān)。

4.智能家居領(lǐng)域

智能家居領(lǐng)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(jié)點，這些節(jié)點自組成網(wǎng)絡(luò)，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，使人們在住宅外也可以實時遠(yuǎn)程操控家中設(shè)備。例如，將光照、濕度和溫度等傳感器嵌入住宅設(shè)備中，可以從傳感器中獲得住宅內(nèi)不同位置的數(shù)據(jù)信息，從而自動控制空調(diào)、門窗和其他家電設(shè)備。

5.工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域

在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同樣有著廣泛的應(yīng)用。

（1）機器健康監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機械的實時狀態(tài)維護（Condition-Based Maintenance，CBM）當(dāng)中，不僅節(jié)約了人工成本，還大大降低了物質(zhì)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(tǒng)到達(dá)的位置。

（2）由于數(shù)據(jù)中心服務(wù)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(jiān)測機架的進(jìn)氣和出氣溫度。美國采暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)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(jiān)控技術(shù)與傳統(tǒng)的有線傳感器相比具有明顯優(yōu)勢。

（3）數(shù)據(jù)記錄無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同樣也用于收集各種設(shè)備監(jiān)測信息數(shù)據(jù)，實施過程可以像監(jiān)測冰箱內(nèi)的溫度和核電站溢流水箱中的水位一樣簡單，這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息揭示了系統(tǒng)的工作流程，相比傳統(tǒng)的記錄儀，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更具實時性。

上述廣泛的應(yīng)用場景給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來了更廣闊的市場，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷成熟及市場需求的不斷提升，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品對傳統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)的市場規(guī)模預(yù)計將在2025年達(dá)到86.7億美元，年復(fù)合增長率為14.5%，且該趨勢有望持續(xù)。在我國，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品2014年在傳感器市場中的占比約為4.3%，規(guī)模達(dá)到6.2億元。2019年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品在傳感器市場中的占比達(dá)到10.0%，市場規(guī)模達(dá)24.2億元，年復(fù)合增長率高達(dá)27.1%，市場前景廣闊。

總之，隨著企業(yè)生產(chǎn)線改造和通信設(shè)備升級改造，我國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)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(yuǎn)地區(qū)，需要強大的網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的需求預(yù)計將推動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)市場的增長。同時，在工業(yè)4.0 的大背景下，工業(yè)生產(chǎn)智能化成為未來工業(yè)轉(zhuǎn)型的重要手段，作為工業(yè)智能化重要技術(shù)之一的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將發(fā)揮越來越重要的作用，而工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)市場也將獲得更為廣闊的發(fā)展機遇，行業(yè)增長速度有望持續(xù)穩(wěn)定增長。

1.1.4 熱點問題

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個全新的研究領(lǐng)域，受到各國的廣泛關(guān)注，來自世界各地的研究學(xué)者都投身于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究當(dāng)中，同時受到各國政府政策的大力支持。隨著研究及工程應(yīng)用的不斷推進(jìn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的普及化仍然存在一定的障礙。經(jīng)過大量的調(diào)研，目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量是有限的，在復(fù)雜、未知、惡劣的分布環(huán)境中，節(jié)點的能量補充十分困難，這就要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(wǎng)絡(luò)目前受制于理論層面的發(fā)展，無法獲得廣泛應(yīng)用，最主要的限制就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的續(xù)航能力。專家學(xué)者設(shè)計并開發(fā)了許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，解決節(jié)點能量不足的問題，但是尚不存在成熟的技術(shù)能夠支撐無線傳感器的大規(guī)模應(yīng)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(jié)點微型化問題

在同等技術(shù)水平下，一個節(jié)點越大，它的負(fù)載能力就越強，能傳送的數(shù)據(jù)也更為豐富，但是構(gòu)建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要的節(jié)點數(shù)量極大，我們希望傳感器節(jié)點能夠擁有更小的體積以便節(jié)省空間。此外，在某些情景中，傳感器節(jié)點的微型化能夠?qū)崿F(xiàn)隱蔽監(jiān)測的目的，因此，利用微電子通信技術(shù)，設(shè)計出壽命長且微型的傳感器節(jié)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(jīng)降低了許多，但完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能需要上百萬個甚至更多的節(jié)點，因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建成本仍然很高。此外，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在某些特定環(huán)境下一旦失效則會被廢棄，若傳感器節(jié)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(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，因此，有效降低節(jié)點成本將大大推動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

4.安全性問題和抗干擾性問題

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與普通無線網(wǎng)絡(luò)一樣，存在數(shù)據(jù)加密等方面的安全性問題和抗干擾問題。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模限制了節(jié)點的能量和存儲空間等，導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點無法使用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的加密計算，利用該漏洞對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點進(jìn)行干擾和攻擊，從而竊取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，這將造成巨大的損失。如何避免無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在毀損或受干擾的情況下準(zhǔn)確地完成目標(biāo)，是目前研究的重要方向。

5.節(jié)點的自動配置問題

節(jié)點的自動配置是指如何設(shè)計特定的算法和規(guī)則實現(xiàn)傳感器節(jié)點的部署，同時形成最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)存在部分節(jié)點失效或故障時，網(wǎng)絡(luò)中心能夠快速尋找這些節(jié)點，并且不會影響網(wǎng)絡(luò)的正常使用。

6.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋯栴}

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋯栴}分為拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和拓?fù)淇刂啤Ｍ負(fù)浒l(fā)現(xiàn)的主要目的是獲取和維護網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的存在信息及它們之間的連接關(guān)系信息，并在此基礎(chǔ)上繪制出整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D；拓?fù)淇刂苿t主要解決網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋯栴}和網(wǎng)絡(luò)覆蓋拓?fù)鋯栴}。

7.時鐘同步問題

在所有分布式系統(tǒng)當(dāng)中，時鐘同步問題永遠(yuǎn)都是難以攻克的問題之一，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中也是如此。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是典型的分布式網(wǎng)絡(luò)，包含大量的傳感器節(jié)點，節(jié)點之間相互作用，通過傳輸信息，共同執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)。當(dāng)無線傳感器節(jié)點之間存在時鐘不同步的情況時，不僅節(jié)點之間的通信會出現(xiàn)問題，無法成功完成任務(wù)，更嚴(yán)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(wǎng)絡(luò)研究中的重要課題。

8.定位問題

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)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(wǎng)絡(luò)受制于成本、環(huán)境等，GPS等設(shè)備無法安裝或其精度無法達(dá)到工程需求，因此，需要設(shè)計針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法。