无线传感网的发展历程与应用前景

1．无线传感网的提出

无线传感器网络的研究起源于20世纪70年代，最早应用于军事领域。1978年，美国国防部高级项目研究署(Defense Advanced Research Projects Agence，DARPA)的分布式传感器网络( Distributed Sensor Networks，DSN)项目开启了现代传感器网络研究的先河，如图1-1所示。

图1-1 分布式日标跟踪试验床构成

通过卡耐基梅隆大学、麻省理工学院等大学研究人员的努力，DSN项目在信号处理、节点实验平台等很多方面取得了一定的进展。20世纪80～90年代，WSN的研究依然主要集中在军事领域，并成为了网络中心战中的关键技术，其中比较著名的系统包括：美国海军研制的协同交战能力系统(Cooperative Engagement Capability，CEC)、远程战场传感器网络系统(Remote BattlefieldSensor System，REMBASS)和战术远程传感器系统(Tactical Remote Sensor System，TRSS)等。1994年加州大学洛杉矶分校的William J．Kaiser教授向DARPA提交了研究建议书“Low Power Wireless Integrated Microsensors”，这对推动WSN的研究具有里程碑式的意义。1998年G J．Pottie从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。由于WSN巨大的应用价值，无线传感器网络的学术研究在世界范围内逐渐展开，其中最为著名的项目有：MIT的uAMPS和NMS项目；UC Berkeley的PicoRadio和Smart Dust项目；哈佛大学的Code Blue项目；南加州大学的SCADDS项目等。美国自然科学基金委员会分别于2003年和2004年设立并推出了“嵌入式智能传感器研究中心”( Center Of Embedded Networked Sensing，CENS)和“网络技术与系统”(Networking Technology And Systems，NeTS)研究项目，取得了一系列杰出的研究成果。

在我国，国家自然科学基金委员会、科技部、工业和信息化部等对无线传感器网络的研究极为重视，国家自然科学基金委员会于2003年开始对WSN的研究进行资助，并于2004年将其列为重点科研项目。国务院在制定《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》时将“传感器网络及智能信息处理”列为未来信息产业及现代服务业的重点方向之一。在国家的大力支持下，包括清华大学、北京邮电大学、中科院计算机研究所、沈阳自动化所等国内多所高校和科研机构积极地展开了对WSN各方面的研究工作。

2.无线传感网的研究进展

无线传感网络的研究起于美国军方。20世纪90年代末期，在美国军方资助下，现代意义上的无线传感网络得以产生并逐步发展。从2000年起，国际上开始出现一些有关无线传感网络研究成果的报道。由于无线传感网络的巨大应用价值，许多国家的军事界、工业界和学术界等业界已经开始对其广泛关注，并相继启动了许多无线传感网络的研究计划。

根据研究侧重点的不同，可以将无线传感网络技术从产生到现在大致划分为两个阶段。第一个阶段主要致力于小型化、低功耗、传感器节点的开发和研制，出现了大量的传感节点平台和初级应用示范系统，其中Motes硬件平台及其配套的TinyOS操作系统应用最为广泛，已为全球400多家研究机构所采用。第二个阶段主要致力于开展大量针对无线传感网络通信协议及其支撑技术的深入研究工作，如MAC协议、路由协议、传输层协议、定位技术、时间同步等。同时，美国各大高校和研究机构及其他各国的相关研究机构也都开始了对无线传感网络中的信息处理、数据查询等问题的细化研究。

（1）军事领域(www.xing528.com)

1978年美国国防部高等计划研究署在宾夕法尼亚州匹兹堡的卡耐基梅隆大学主办的分布式传感器网络研讨会上，提出对传感器网络展开研究。各军事部门和研究机构从20世纪90年代开始了对无线传感网络的研究，并有针对性地设立了一系列军事传感器网络研究项目。1998年由包括加州大学伯克利分校、麻省理工、哈佛在内的25个研究机构共同承担致力于研究大规模分布式军事传感系统的无线专用网络的SensIT（Sensor Information Technology）项目。1999年开始并于2001年完成的Smart Dust项目，研制出了体积不超过1立方毫米、使用太阳能电池供电、具有光通信能力、可悬浮于空中的自治传感器节点。该节点可用于隐蔽式战场监视，将重要的情报秘密发送给中央指挥控制中心。

2001年美国陆军提出了“灵巧传感器网络通信”计划，很大程度上提高了对战场态势的感知能力。2002年5月，美国Sandia国家实验室与美国能源部合作，共同研究防范生化武器袭击的系统，这属于美国能源部恐怖对策项目的重要环节。2005年美军试验成功的“狼群”地面无线传感器网络标志着电子战领域的最新技术突破。美国海军最近确立了“传感器组网系统”研究项目，该系统是一套实时数据库管理系统，能够部署到各级指挥单位。美国空军展开了对WSN相关方面的研究，旨在为部队官兵提供战场威胁的实时信息、增强其战场状态感知能力。

（2）工业领域

在工业领域，1995年美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”，试图有效集成先进的信息技术、数据通信技术、传感技术、控制技术及计算机处理技术，建立大范围全方位实时高效的综合交通运输管理系统，并预计到2025年全面投入使用。

作为信息业巨头，Intel和Microsoft也开始了对WSN应用方面的研究。Intel公司于2002年10月24日发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、行星探测等领域的应用，预计用三个阶段来实现该计划，即物理阶段、实现阶段和应用阶段。物理阶段主要用于开发集成感知、计算和通信功能的超微型传感器；实现阶段将在实际商务中使用来自传感网的感知数据；应用阶段将无线传感网络用于预防医学、环境监测及灾害对策等领域。

2002～2005年的欧洲研究计划—EYES（Energy efficient sensor networks）项目中，包括来自荷兰、法国、意大利和德国的研究机构，主要研究了能量有效的自组织协同传感网络的问题，解决了无线分布式信息采集、处理和传输的问题，提出了体系结构和相关技术，使新一代的传感器节点能够有效组网，并为大量异构的移动传感网络提供平台。2005年Microsoft在印度设立了传感器研发中心，旨在地理信息系统、多语言系统和传感器网络领域开展研究，为新兴的市场提供技术。

（3）学术领域

在学术领域，2003年美国自然科学基金委员会（NSF）制定了无线传感器网络研究计划，并一期资助4000万美元在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心（CESN），联合周边大学开展“嵌入式智能网络传感器”研究项目。在NSF的推动和帮助下，加州大学伯克利分校、麻省理工、波士顿大学等研究机构率先开展了无线传感网络的关键技术和基础理论的研究工作，以求利用传感器网络对我们生活的物理世界实现全方位的测试与控制，支持相关基础理论的研究。同时，这也是美国国情咨文中有关Internet2最主要的远景规划之一。几乎美国所有著名院校都有研究小组在从事传感器网络相关技术的研究，德国、英国、芬兰和意大利等国家的研究机构也开始了传感器网络的研究工作。

我国的无线传感网络及其应用研究起于1999年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告，并成为该领域提出的五个重大项目之一，是我国科技领域内少数位于世界前列的方向之一。中国科学院上海微系统研究所、软件研究所、电子所和自动化所等科研机构，清华大学、上海交通大学、北京邮电大学和天津大学等院校，中国移动、华为等大型企业都较早开展了无线传感网络的研究。《国家中长期科学与技术发展规划》的重大专项、优先发展主题、科技前沿等部分，都将无线传感网络作为重点研究项目。目前，国家重大基础研究发展计划973计划、国家自然科学基金和国家863高技术计划也都有项目资助无线传感网络领域的基础理论和关键技术研究。