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。

5 参考文献
[1] Manges W. It’s Time for Sensors to Go Wireless [J]. Sensors Magazine, 1999,4-5.
[2] Kahn J. Next Century Challenges: Mobile Networking for "Smart Dust" [C]. Conference on Mobile Computing and Networking, 1999,9.
[3] Pottie G J. Wireless Integrated Network Sensors [J]. Communications of ACM, 2000,5.
[4] Akyildig I F. Wireless Sensor Networks: a Survey [J]. ACM Computer Networks, 2002,4.
[5] Estrin D. Next Century Challenges: Scalable Coordination in Sensor Networks [C]. Conference on Mobile Computing and Networking, 1999,9.
[6] Akyildig I F. A Survey on Sensor Networks [J]. IEEE Communications Magazine, 2002,8.

收稿日期：2004-09-16

[摘要] 无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络，文章对无线传感器网络技术的兴起和发展，无线传感器网络的基本构成和关键技术，无线传感器网络的应用和发展前景进行了讨论，对可能的技术走向，与现有技术的兼容提出看法和建议。文章认为无线传感器网络尚不成熟，需要进一步研究各种支撑技术。

[关键词] 无线传感器网络；网络结构；无线通信

[Abstract] The wireless sensor network is a rising next generation network. The emergence and development of wireless sensor network technologies are overviewed. Network architectures and key technologies are analyzed and the applications and prospects of wireless sensor network are discussed. Some views and suggestions on its possible development trend and its compatibility with existing technologies are presented. It is concluded that the wireless sensor network is far from matured and studies on its related support technologies should be furthered.

[Keywords] wireless sensor network; network architecture; wireless communication