无线传感器网络研究近年来, 随着微机电子系统(MEMS) 技术、无线通信技术及数字电子技术的迅速发展, 出现了低成本、低功耗、多功能、体积微小的传感器节点。
这种微传感节点由传感单元、数据处理单元、通信单元和便携式电源组成, 能完成数据采集、信号监测和传送信息的任务。
随着传感器技术和通信技术的发展, 提出了无线传感器网络技术, 因为其应用的广泛性而得到高度重视。
无线传感器网络是由一组传感器节点通过无线介质连接构成的无线网络, 它采用Ad hoc方式部署大量微型的智能传感节点, 通过节点的协同工作采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。
微传感和无线的概念使得无线传感器网络中的传感器节点能运用于更多的领域, 包括军事、医疗保健、家居以及其他的商业领域, 并且有可能会应用于太空探索、化学处理和灾难救助。
可以说无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命, 是21世纪最重要的技术之一。
1.1 无线传感器网络及其应用现状本节对无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)的体系结构、特点、国内外研究现状及应用等进行简单介绍。
1.1.1 无线传感器网络的体系结构无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点。
大量传感器节点部署在监测区域内，通过自组织方式构成网络。
传感器网络的节点可以随机或者特定地布置在目标环境中，它们之间通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。
这一技术已经应用到国防军事、动物的习性观测、材料结构健康监测、交通管理、医疗卫生、灾害监测等领域[6]。
传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它是由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图1-2所示。
传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用电池[7]。
图1-1 传感器节点结构图1.1.2 无线传感器网络的特点无线传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大(上千甚至上万)，节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。
另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。
传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而无线传感器网络的首要设计是能源的高效使用，这也是无线传感器网络和传统网络最重要的区别之一。
与传统的数据采集技术相比，无线传感器网络系统的优势主要体现[8]在：(1)感知范围大。
单个大型传感设备虽然能力较强，但感知范围有限。
而无线传感器网络通过将大量能力较弱的传感器散布于整个区域可以获得较大的感知空间；(2)自组织网络。
无线传感器网络的建立和节点间通信不依赖于固定的通信基础设施，传感器节点通过分布式网络拓扑协议实现组网，网络能够自动调整以适应节点的移动、加入和退出、剩余电量和无线传输范围的变化等。
(3)容错性能高。
无线传感器网络中的节点密集分布，单位区域内的多个传感器在功能上是冗余的。
这使无线传感器网络比单个大型传感设备具有更强的容错能力。
网络中部分节点的损坏不会影响系统的正常运行，大量的冗余节点可以接替这些损坏节点的工作，为用户提供可靠的数据；(4)应用相关的网络，不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别；(5)成本低。
虽然用大量的传感器替代了一个大型传感设备，但由于大型传感设备在体积、可靠性、测量精度方面有严格的限制。
无线传感器网络的设备成本仍然远远低于传统的大型传感设备。
此外，由于无线传感器网络具有很高的智能性，部署方便，可以长期在无人干预的环境中自主工作，大大降低了使用和维护的成本。
1.1.3 无线传感器网络的应用现状无线传感器网络是由多个节点组成的面向任务的无线网络，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域技术，通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测，由嵌入式计算资源对信息进行处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。
这一技术具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和实用价值。
目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：1.环境的监测和保护随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。
比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州大鸭岛上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。
无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。
此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。
2.医疗护理无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。
罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。
英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。
该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目center for aging services technologies（cast）的一个环节开发的。
该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。
利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。
而且还可以减轻护理人员的负担。
英特尔主管预防性健康保险研究的董事eric dishman称，在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域。
3.军事领域由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。
美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行智能尘埃传感器技术的研发。
哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从2004年的1000万美元增加到2010年的几十亿美元。
4.其他用途无线传感器网络还被应用于其他一些领域。
比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。
以下是其在状态安全监测方面的具体应用现状：1996年，Kenneth Maser等将无线传感应用于大型桥梁的监测，1997年Kenneth Maser等又发展了无线传感在桥梁监测中的应用，使其系统化理论化。
1998年，马里兰大学的Darryll.J.Pines和Philip.A.Lovell提出了广泛应用于土木工程健康监的远程无线健康监测的构想和理论框架，同年斯坦福大学的Straser博士正式出了WiMMS的概念，即Wireless Modular Monitoring System。
2000 年在美国拉斯维加斯举行的MCEER高科技防震减灾会议上Jerome.P. Lynch等详细阐述了无线传感在土木工程健康监测领域中的应用以及发展前景。
无线传感器网络也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。
此外还可以在工业自动化生产线等诸多领域应用。
英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。
它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。
尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。
国内对无线传感器网络节点的研究是应用驱动的，这一点与国外发展模式不同。
应用驱动更能够发现实际部署和运行中存在的问题，并且通过产学研相结合的方法对现实的问题进行有针对性的解决，有利于更快地将传感器网络技术推向产业化。
目前，国内许多关于传感器网络方面的研究成果总体上还只是处于起步阶段，但是国家和研究机构投入的科研力度很大，在推动实现无线传感器网络技术的自主知识产权方面，很多研究所和大学都做出了相当大的贡献。
在无线传感器网络节点方面，考虑到软件的兼容性及硬件平台的可比性，国内研究机构也和国外研究机构一样，绝大多数的设计方案都是研习国外著名的节点硬件平台，如MICA和TELOS 系列节点。
故相对而言主要专注于无线通信协议、同步和定位中间件、数据融合、低功耗与高可靠高安全性设计、网络管理、质量保证技术以及特定行业的应用研究，这也是无线传感器网络知识产权的关键所在。
从整体来看，国内关于无线传感单元和无线传感网络的研究还处于起步阶段，研究和应用水平相对于欧美等发达国家还有一定差距，缺少对整个系统的创新性研究，具有关键性自主知识产权较少。
1.2 热点问题及研究趋势无线传感器网络发展可分为三个阶段, 第一阶段主要致力于小型化、低功耗、低成本的传感器节点的开发和研制, 出现了众多的传感器节点。
第二阶段则对无线传感器网络作为通信网络的特性进行研究, 特别是通信协议的设计和实现。
在这个阶段, 提出了许多通信协议, 特别是数据链路层的MAC 协议和网络层的路由协议。
第三阶段侧重于对无线传感器网络的群体智能行为的研究。
目前的研究处于第二、三阶段。
1.2.1 目前研究热点在通信协议方面，主要的研究热点包括物理层协议研究，传感器网络所采用的传输媒体研究、频段选择及调制方式研究，数据链路层协议研究，网络层协议（主要指路由协议，平面路由协议等）研究。
在传感器网络管理方面，主要的热点是能量管理，对休眠、唤醒，以及采用发送功率低的RF等的研究。
控制节点对能量的使用，在各层上都可使用，如操作系统、物理层、链路层、路由协议等。
另外，还有安全管理的内容，包括传统的无线电电磁干扰方式和应对路由机制攻击等方面的研究。
侵入节点发送误警数据，致使网络的某些节点和某些网段互发大量的无用数据，使能量很快耗尽，传感器网络分立，形成监测黑洞，无法完成正常监测工作。
在研究中，可以探索采用扩频通信、传感器节点接入认证、鉴权、数据水印和数据加密等技术提高网络的安全性。
数据查询管理，COUGAR系统能测试感知数据查询技术性能，提出了在传感器网络上计算聚集函数的容错和可扩展算法，并探索把传感器网络表示为数据库的思想，探讨如何把分布式查询处理技术应用于感知数据查询的处理。