第1章 无线传感器网络概述

1.1 无线传感器网络现状

1.1.1 基本概念及特点

随着微机电系统和分布式信息处理技术的发展，低功耗、低成本、大规模的无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）作为一种新兴技术，拓宽了现代网络的功能，提高了人们认知世界的能力。无线传感器网络是由随机布撒在应用区域内大量微型、廉价的传感器节点，以相互协作的方式构成的多跳、自组织网络，能够达到协作感知、采集和处理网络覆盖区域内被监测对象信息，并将收集到的信息传送给使用者的目的，因此，无线传感器网络是一种新的信息获取和信息处理方式。无线传感器网络具有节点分布范围广、个数多、单个节点成本低廉、网络动态性强等特点，已广泛应用于军事、环境监测、医疗护理、智能家居等领域。

无线传感器网络与传统无线网络，在应用需求、设计目的和技术要求等方面有着各自的特点。传统无线网络的任务是传输数据和完成通信，而无线传感器网络中各个节点都可以接收信息，并以多跳路由的方式将信息传送到汇聚节点，同理，汇聚节点也可利用相同的方式将信息传送到各个节点。无线传感器网络的特点主要体现在以下几个方面。

1.规模大

为了完成对区域的监测任务，监测区域内会部署大量节点，节点的个数可达上千个甚至上万个，单位监测区域面积的网络节点个数要远大于传统无线网络。正是节点的大规模性，使得监测区域可以实现密集测量，从而得到高精度的监测信息。

2.动态性强

在无线传感器网络中，网络拓扑结构随时变化，影响网络拓扑结构变化的原因如下：单个节点或许会有受环境干扰、能量不足等问题，从而导致节点出现故障；无线通信信道具有不稳定性，从而导致节点间可能发生中断等情形；观察者和被感知对象具有可移动性，节点间的连接情况受到影响。易变的网络拓扑结构要求无线传感器网络系统能够适应各种变化，具有动态系统的可重构性。

3.通信、计算和存储能力受限

传感器节点是一种微型嵌入式设备，考虑节点大规模部署中的能量消耗问题，节点的设计需要满足价格低和功耗小的要求，这些限制条件导致其只能装配处理能力较弱的处理器和容量较小的存储器，无法进行过于复杂的计算。

4.无中心且自组织

无线传感器网络没有中心节点，如果某个节点因故障而无法完成工作，整个网络的稳定性由于其具有自组织能力而不会受到影响。在无线传感器网络应用中，节点位置和节点间的通信信息不能预先设定，甚至节点会因为自身能量耗尽或环境因素而使节点失效，网络中的节点个数相应减少，网络拓扑结构随之变化，这就要求网络中的节点不仅具有自主管理和自动配置的能力，还可以通过分布式算法快速完成系统布局和搭建。

5.数据中心

无线传感器网络是一种任务型网络，它以数据为中心，采集到的数据被用作查询或者传输的线索。此外，网络中节点的编号与节点的位置之间并没有必然的联系。当用户使用无线传感器网络进行事件查询时，用户关心的是发生事件的位置和发生事件的信息，而不关心是哪个节点传输的数据。可以看出，无线传感器网络是以数据为中心的网络。

6.能量受限

无线传感器网络中节点的体积较小，只能使用电池供电。由于传感器网络部署的环境十分复杂，基本不能通过更换电池的方式给节点补充能量，一旦网络中节点的电池电量不足，该节点就会因失效而被废弃。因此，节省能源成了无线传感器网络的一个关键问题，如何在不影响节点功能的前提下，高效利用节点能量提供服务至关重要。

1.1.2 研究现状

由于无线传感器网络具有较高的科研价值及应用前景，所以在国内外都得到了广泛的关注，尤其在美国、日本、中国、欧洲和俄罗斯等国家和地区中的发展尤为迅速。

无线传感器网络的发展目前经历了4个代际。第一代无线传感器网络诞生于20世纪70年代末期，传感器节点通过采用点对点的传输方式以星形拓扑结构构成传感器网络。随着相关学科的发展，节点增强了多种信号的处理能力，节点间采用串口或并口相连，使得传感器网络信息的综合处理能力提升，这是第二代传感器网络。第三代传感器网络出现在20 世纪90年代后期，传感器网络引入现场总线技术，将通过智能方法获得多种信号的节点组成智能化传感器网络。目前，第四代传感器网络正在快速发展，新一代节点具有多功能、多信号获取能力的特点，且可通过无线自组织方式快速组网。

在各国无线传感器网络技术竞赛中，最早开展无线传感器网络研究的是美国。美国国防部首先将传感器网络应用于军事领域，20世纪70年代初期，美国的军用系统SOSUS（Sound Surveillance System）就是一种基于无线传感器的系统，用于监测苏联的潜艇动向。20世纪80年代，美国海军利用地面基站及雷达系统对空中目标进行监测和跟踪，相关技术的应用大力推动了无线传感器网络的发展。1999 年，美国著名商业周刊将无线传感器网络列为21 世纪最具影响的21项技术之一。同样在1999年，学者在美国移动计算和网络国际会议上提出了“传感器走向无线时代”这一概念，由此开启了无线传感器网络逐渐面向大众的进程。美国空军于2000年列举出15项有助于提高21世纪空军能力的关键技术，传感器技术名列第二。2001年美国陆军提出了“灵巧传感器网络通信”项目，旨在通过将传感器收集到的大量战场信息用于分析战场态势，从而帮助参战人员制订战斗行动方案。之后，美国陆军确立了“无人值守地面传感器群”和“战场环境侦察与监视系统”项目，其主要目的是灵活部署网络中的传感器节点，并且通过节点获取准确的地面信息。在工业领域，美国Dust Networks和Crossbow等公司研发了“智能尘埃”项目，由此传感器网络实现商用。美国Desert Mountain公司将无线传感器网络技术应用于对高尔夫球场自来水灌溉的调控。2002年，美国英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，其主要目的是将传感器应用到民用领域。2003年，美国科学基金委员会投入了大量的精力和财力用于无线传感器网络的发展，涉及的领域包括生物感知领域和化学毒物感知领域等。美国很多高校和科研机构都对无线传感器网络的理论基础和关键技术展开了深入的研究，比较著名的研究项目包括加州大学洛杉矶分校和罗克维尔自动化中心共同研发的DARPA项目、加州大学伯克利分校研发的BWRC项目和WEBS项目、普渡大学研发的ESP项目、麻省理工学院研发的NMS项目和AMPS项目、俄亥俄州立大学研发的Exscal项目。

日本、韩国和俄罗斯等国家也不甘示弱，都迅速投入到无线传感器网络的研究当中。欧盟第6 个框架计划将“信息社会技术”作为优先发展领域之一，其中多处涉及无线传感器网络的研究。日本总务省在2004年3月成立了“泛在传感器网络”调查研究会。韩国信息通信部制定了信息技术“839”战略，其中，“3”是指IT产业的三大基础设施，即宽带融合网络、泛在传感器网络、下一代互联网协议。在企业界中，欧盟的Philips、Siemens、Ericsson、ZMD、France Telecom和Chipcon等公司，日本的NEC、OKI、Sky2 leynetworks、世康和欧姆龙等公司都开展了对无线传感器网络的研究，并取得了不错的成果。

我国对无线传感器网络的发展也非常重视，但是起步较其他国家和地区稍晚。1999年，中国科学院在《知识创新工程试点领域方向研究》中首次提出无线传感器网络，并将它作为该领域的五大重点项目之一。2001年，中国科学院与其院内单位上海微系统所合作，共同成立了微系统研究与发展中心，开展对无线传感器网络的相关研究工作。2001年，中国科学院和科学技术部针对无线传感器网络的研究方向，提出了若干重大研究项目，并把物联网列为战略性新兴产业。2003年，国家自然科学基金开始对无线传感器网络的研究进行资助。2004年，“基于无线网络的应急搜救关键技术研究”“面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论”“水下移动传感器网络的关键技术”等项目先后被列为重点项目。2005 年，无线传感器网络基础理论和关键技术被列为重点项目。2006年，国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中定义了关于信息技术的3 个前沿方向，其中两个方向与无线传感器网络相关，2006 年水下传感器网络的关键技术也被列为重点研究项目。2009 年9 月11日，中国传感网标准工作组正式成立，其主要任务是汇聚国内最强的传感网技术力量，制定传感网技术国家标准，促进与国外同行的合作交流，提升国内传感网技术整体竞争力。2009年11月3日，国务院总理温家宝发表题为《让科技引领中国可持续发展》的讲话时明确指出“要着力突破传感网、物联网的关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的‘发动机’”。在2010年的全国“两会”上，时任国务院总理温家宝在政府工作报告中首次提到关于物联网的内容，并提出“加快物联网的研发应用”，会上多位人大代表提出将物联网提升为国家战略。2013 年，工业和信息化部、科学技术部在《加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划》中明确提出，要重点支持“传感器设计和制造技术、传感器测量和数据处理技术、智能传感器系统及无线传感器网络技术”。2014年6月，国务院在《国家集成电路产业发展推进纲要》中提出，加快云计算、物联网、大数据等新兴领域核心技术研发，开发基于新业态、新应用的信息处理、传感器、新型存储等关键芯片及云操作系统等基础软件，抢占未来产业发展制高点。2015年，国务院推出相应政策，致力于推动新一代信息技术与制造技术融合，突破新型传感器（无线传感器）等关键核心装置的束缚。2015年3月5日，李克强总理在政府工作报告中首次提出“互联网+”行动计划，推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业的结合。2016 年，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中提到，要“积极推进云计算和物联网发展”，“推进物联网感知设施规划布局”，“推进信息物理系统关键技术研发和应用”。其中，物联网感知技术就包含无线传感器网络技术。此外，我国在国家自然科学基金、国家“863计划”“973计划”和国家科技重大专项等科技计划中也已部署物联网的相关技术研究工作。与此同时，在芯片、通信协议、网络管理、协同处理、智能计算等领域组织开展了技术攻关，并取得了初步成果。国内也有越来越多的企事业单位开始关注传感器网络技术的发展，并推出针对无线传感器网络ZigBee协议的解决方案。在IEEE短距离无线通信、3GPP移动网络优化、ISO/IEC物联网体系架构标准研究等方面，我国的科研情况均已实现局部突破。传感器网络相关技术在国内交通、智能家居、智能电网等领域已经有广泛的应用。此外，将无线传感器网络作为传感与信息采集的基础设施，可构建一种全新的基于无线传感器网络的系统架构，专注于实现感知和收集环境信息并存储、处理复杂的数据的功能，可为大型的军事应用、工业生产、科研和商业交易等领域提供一个集数据感知、海量存储及密集处理于一体的强大操作平台。

目前，随着物联网的兴起，无线传感器网络作为最重要的感知层，受到非常广泛的关注，各国高校和科研机构正对包括传感器技术、分布式信息处理技术、嵌入式计算技术和短距离通信技术等融合多学科在内的交叉技术领域开展深入研究。当前，物联网应用发展进入实质性推进阶段，物联网的理念和相关技术产品已经广泛渗透到社会经济民生的各个领域，在越来越多的行业创新中发挥了关键作用。从产业规模来看，我国物联网近几年保持着较高的增长速度。位于物联网感知层中的无线传感器网络，是整个物联网产业发展的基础和核心，其产业规模也随着物联网的发展得到快速提升。此外，以物联网融合创新为特征的新型网络化智能生产方式正塑造未来制造业的核心竞争力，推动石化、电力、煤炭等大型传统工业领域向网络化、智能化、柔性化转型，孕育和推动新产业革命的发展，这将给行业中的企业带来新的挑战。

“工业4.0”是近年来提出的理念，也是国家发展的方向及未来工业制造的发展方向，其核心在于实现未来工业的智能化，当“万物互联”这一概念屡屡出现在人们的视野当中时，智能工业成为实现“万物互联”的关键技术之一。智能工业需要重点解决的是如何将资源、信息、物品和人进行互联，这便需要打造以信息网络技术、数字化制造技术应用为重点，并以无线传感器网络技术为基础，打造全面且先进的智能化制造系统架构。当前，工业无线传感器网络技术已在工业过程监测领域得到了广泛应用，通过监测、控制生产过程中的各个参数，最终实现了过程控制、过程安全、运营管理和资产优化的智能化。

1.1.3 应用领域

无线传感器网络是一种自组织网络系统，它融合了传感器技术、无线通信技术和分布式计算，主要用于监测各种物理参数和环境信息，并将监测信息以节点协作的方式通过单跳或者多跳传输给目标节点。无线传感器网络是一种新型网络，它具有巨大的应用价值和广泛的应用前景，并对人类的各个领域产生深远的影响，以下列出了无线传感器网络的重要应用领域。

1.军事领域

无线传感器网络具有节点数量大、容错性强、冗余度高和快速自组织的特点，即使部署在监测区域中的部分节点因受到敌方毁坏而失效，其他节点仍可以很好地完成监测任务。军事发达国家非常重视无线传感器网络的研究，把它作为军事系统中必不可少的一部分。例如，在信息化战争中，美国军方将大量的传感器节点通过飞机等方式随机布撒到敌军作战区域中，节点可以有效代替人力隐蔽地收集敌军的信息，如兵力、物资装备和地形等关键的战场信息，从而取得战争胜利的先机。

2.环境监测领域

随着工业的发展，生态环境不断恶化，可将无线传感器网络引入环境监测领域的实际监测当中。无线传感器网络节点具有体积小、部署范围大等特点，将其应用到采集和处理自然生态系统的数据信息中，可以有效取代传统的人工方法，节省人力物力。传感器节点可以集成各种传感模块，用来跟踪生物、动物的迁移，监测土壤、湿度和温度等方面的指标，为研究和预测工作提供有效依据。例如，美国加州大学伯克利分校Intel实验室和大西洋学院联合在大鸭岛上部署了一套小型无线传感器网络，该网络由32个传感器节点组成，主要任务是监测岛上海燕的生活习性。同样，传感器节点在水下对矿产资源的开采、水下温度的监测和有害成分的监测也可以发挥积极的作用。

3.医疗护理领域

在医疗护理领域，可在患者身上安装心率监测设备等传感器设备跟踪患者的行动，并监测患者的各种生理数据，根据传感器提供的数据，医生可以随时监测患者的病情，并对突发病情进行快速准确的治疗。例如，罗彻斯特大学研发的智能医疗房间利用智能尘埃监测居住者的睡觉姿势、呼吸、脉搏等活动状况。英特尔公司研发了家庭护理技术，该技术将半导体传感器嵌入到家庭设备中，为老人和残障人士的家庭生活提供便利，同时减轻了医护人员的负担。

4.智能家居领域

智能家居领域以住宅为平台，在各种日常的家具和电器中嵌入传感器节点，这些节点自组成网络，并通过无线传感器网络与互联网连接在一起，使人们在住宅外也可以实时远程操控家中设备。例如，将光照、湿度和温度等传感器嵌入住宅设备中，可以从传感器中获得住宅内不同位置的数据信息，从而自动控制空调、门窗和其他家电设备。

5.工业监控领域

在工业监控领域，无线传感器网络同样有着广泛的应用。

（1）机器健康监测无线传感器网络已经被广泛应用于机械的实时状态维护（Condition-Based Maintenance，CBM）当中，不仅节约了人工成本，还大大降低了物质成本，延长了机器的寿命。此外，无线传感器还可以放置在难以通过有线系统到达的位置。

（2）由于数据中心服务器机架的密度很高，越来越多的机架配备了无线温度传感器，以监测机架的进气和出气温度。美国采暖、制冷和空调工程师协会（The American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE）要求每个机架安装6个温度传感器，无线温度监控技术与传统的有线传感器相比具有明显优势。

（3）数据记录无线传感器网络同样也用于收集各种设备监测信息数据，实施过程可以像监测冰箱内的温度和核电站溢流水箱中的水位一样简单，这些数据的统计信息揭示了系统的工作流程，相比传统的记录仪，无线传感器网络更具实时性。

上述广泛的应用场景给无线传感器网络带来了更广阔的市场，随着无线传感器网络技术的不断成熟及市场需求的不断提升，无线传感器网络产品对传统传感器的替代作用更加明显。

Grand View Research公司的一份最新报告显示，全球无线传感器网络的市场规模预计将在2025年达到86.7亿美元，年复合增长率为14.5%，且该趋势有望持续。在我国，无线传感器网络产品2014年在传感器市场中的占比约为4.3%，规模达到6.2亿元。2019年，无线传感器网络产品在传感器市场中的占比达到10.0%，市场规模达24.2亿元，年复合增长率高达27.1%，市场前景广阔。

总之，随着企业生产线改造和通信设备升级改造，我国无线传感器网络产品需求将一直高速增长，并且一直保持着上升趋势，尤其是偏远地区，需要强大的网络连接，网络基础设施的需求预计将推动无线传感器网络市场的增长。同时，在工业4.0 的大背景下，工业生产智能化成为未来工业转型的重要手段，作为工业智能化重要技术之一的无线传感器网络必将发挥越来越重要的作用，而工业无线传感器网络市场也将获得更为广阔的发展机遇，行业增长速度有望持续稳定增长。

1.1.4 热点问题

无线传感器网络作为一个全新的研究领域，受到各国的广泛关注，来自世界各地的研究学者都投身于无线传感器网络的研究当中，同时受到各国政府政策的大力支持。随着研究及工程应用的不断推进，无线传感器网络的普及化仍然存在一定的障碍。经过大量的调研，目前无线传感器网络的科学研究可以归纳（但不限于）为以下几个热点。

1.能耗问题

无线传感器网络节点的能量是有限的，在复杂、未知、恶劣的分布环境中，节点的能量补充十分困难，这就要求无线传感器网络节点具有良好的储能能力及低功耗的工作特点。无线传感器网络目前受制于理论层面的发展，无法获得广泛应用，最主要的限制就是无线传感器网络节点的续航能力。专家学者设计并开发了许多无线传感器网络协议，解决节点能量不足的问题，但是尚不存在成熟的技术能够支撑无线传感器的大规模应用，因此，无线传感器的能耗问题依然是一个极其重要的研究课题。

2.节点微型化问题

在同等技术水平下，一个节点越大，它的负载能力就越强，能传送的数据也更为丰富，但是构建一个无线传感器网络需要的节点数量极大，我们希望传感器节点能够拥有更小的体积以便节省空间。此外，在某些情景中，传感器节点的微型化能够实现隐蔽监测的目的，因此，利用微电子通信技术，设计出寿命长且微型的传感器节点具有十分重要的意义。

3.成本控制问题

尽管微型传感器的单价已经降低了许多，但完整的无线传感器网络可能需要上百万个甚至更多的节点，因此，无线传感器网络的搭建成本仍然很高。此外，网络节点在某些特定环境下一旦失效则会被废弃，若传感器节点的成本过高，则会造成极大的浪费，从而失去无线传感器网络的优势，因此，有效降低节点成本将大大推动无线传感器网络的发展。

4.安全性问题和抗干扰性问题

无线传感器网络与普通无线网络一样，存在数据加密等方面的安全性问题和抗干扰问题。网络规模限制了节点的能量和存储空间等，导致无线传感器网络节点无法使用传统网络中的加密计算，利用该漏洞对无线传感器网络中的节点进行干扰和攻击，从而窃取无线传感器网络中的数据，这将造成巨大的损失。如何避免无线传感器网络在毁损或受干扰的情况下准确地完成目标，是目前研究的重要方向。

5.节点的自动配置问题

节点的自动配置是指如何设计特定的算法和规则实现传感器节点的部署，同时形成最优的网络结构，当存在部分节点失效或故障时，网络中心能够快速寻找这些节点，并且不会影响网络的正常使用。

6.网络拓扑问题

网络拓扑问题分为拓扑发现和拓扑控制。拓扑发现的主要目的是获取和维护网络节点的存在信息及它们之间的连接关系信息，并在此基础上绘制出整个网络拓扑图；拓扑控制则主要解决网络连接拓扑问题和网络覆盖拓扑问题。

7.时钟同步问题

在所有分布式系统当中，时钟同步问题永远都是难以攻克的问题之一，在无线传感器网络当中也是如此。无线传感器网络是典型的分布式网络，包含大量的传感器节点，节点之间相互作用，通过传输信息，共同执行复杂任务。当无线传感器节点之间存在时钟不同步的情况时，不仅节点之间的通信会出现问题，无法成功完成任务，更严重的可能会破坏部分传感器功能，造成难以弥补的损失。因此，时钟同步问题是无线传感器网络研究中的重要课题。

8.定位问题

无线传感器网络中节点获取的信息只有在已知信息采集位置的前提下才具有实用价值，而无线传感器网络受制于成本、环境等，GPS等设备无法安装或其精度无法达到工程需求，因此，需要设计针对无线传感器网络的定位算法。