無線傳感器網絡技術發(fā)展現(xiàn)狀

朱紅松　孫利民

摘要:在對無線傳感器網路(WSN)產生和發(fā)展、技術成熟程度分析的基礎上,文章分析了WSN組網模式、拓撲控制、媒體訪問控制(MAC)和鏈路控制、路由與數(shù)據(jù)轉發(fā)及跨層設計、時間同步技術、自定位和目標定位技術等組網關鍵技術和應用支撐技術方面的研究內容?；趹弥械牡湫蛯嵱煤褪痉断到y(tǒng),文章對WSN的應用進行了分類。

關鍵詞:無線傳感器網絡;自組織網絡;無線Mesh網絡;分簇控制;能量效率;移動控制

Abstract: The article introduces the startup, roadmap of Wireless Sensor Network (WSN), and its maturity in techniques and market, and surveys key research topics and techniques supporting applications in this area, including networking model, topology control, media access and link control, routing, data forwarding and cross-layer design technique, time synchronization, node positioning, object tracking, etc. Based on practical application and demonstration of the typical systems, the paper classifies applications of WSN.

Key words: wireless sensor network; Ad hoc network; wireless mesh networks; clustering control; energy efficiency; motion control

無線傳感器網絡(WSN)是信息科學領域中一個全新的發(fā)展方向,同時也是新興學科與傳統(tǒng)學科進行領域間交叉的結果。無線傳感器網絡經歷了智能傳感器、無線智能傳感器、無線傳感器網絡3個階段。智能傳感器將計算能力嵌入到傳感器中,使得傳感器節(jié)點不僅具有數(shù)據(jù)采集能力,而且具有濾波和信息處理能力;無線智能傳感器在智能傳感器的基礎上增加了無線通信能力,大大延長了傳感器的感知觸角,降低了傳感器的工程實施成本;無線傳感器網絡則將網絡技術引入到無線智能傳感器中,使得傳感器不再是單個的感知單元,而是能夠交換信息、協(xié)調控制的有機結合體,實現(xiàn)物與物的互聯(lián),把感知觸角深入世界各個角落,必將成為下一代互聯(lián)網的重要組成部分。

1 無線傳感器網絡技術發(fā)展背景

1996年,美國UCLA大學的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗無線集成微型傳感器”揭開了現(xiàn)代WSN網絡的序幕。1998年,同是UCLA大學的Gregory J Pottie教授從網絡研究的角度重新闡釋了WSN的科學意義。在其后的10余年里,WSN網絡技術得到學術界、工業(yè)界乃至政府的廣泛關注,成為在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、健康護理、智能家居、建筑物結構監(jiān)控、復雜機械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等眾多領域中最有競爭力的應用技術之一。美國商業(yè)周刊將WSN網絡列為21世紀最有影響的技術之一,麻省理工學院(MIT)技術評論則將其列為改變世界的10大技術之一。

1.1 WSN相關的會議和組織

WSN網絡技術一經提出,就迅速在研究界和工業(yè)界得到廣泛的認可。1998年到2003年,各種與無線通信、Ad Hoc網絡、分布式系統(tǒng)的會議開始大量收錄與WSN網絡技術相關的文章。2001年,美國計算機學會(ACM)和IEEE成立了第一個專門針對傳感網技術的會議International Conference on Information Processing in Sensor Network(IPSN),為WSN網絡的技術發(fā)展開拓了一片新的技術園地。2003年到2004年,一批針對傳感網技術的會議相繼組建。ACM在2005年還專門創(chuàng)刊ACM Transaction on Sensor Network,用來出版最優(yōu)秀的傳感器網絡技術成果。2004年,Boston大學與BP、Honeywell、Inetco Systems、Invensys、Millennial Net、Radianse、Sensicast Systems等公司聯(lián)合創(chuàng)辦了傳感器網絡協(xié)會,旨在促進WSN技術的開發(fā)。2006年10月,在中國北京,中國計算機學會傳感器網絡專委會正式成立,標志著中國WSN技術研究開始進入一個新的歷史階段。

1.2 相關科研和工程項目

美國從20世紀90年代開始,就陸續(xù)展開分布式傳感器網絡(DSN)、集成的無線網絡傳感器(WINS)、智能塵埃(Smart Dust)、?滋AMPS、無線嵌入式系統(tǒng)(WEBS)、分布式系統(tǒng)可升級協(xié)調體系結構研究(SCADDS)、嵌入式網絡傳感(CENS)等一系列重要的WSN網絡研究項目。

自2001年起,美國國防部遠景研究計劃局(DARPA)每年都投入千萬美元進行WSN網絡技術研究,并在C4ISR基礎上提出了C4KISR計劃,強調戰(zhàn)場情報的感知能力、信息的綜合能力和利用能力,把WSN網絡作為一個重要研究領域,設立了Smart Sensor Web、靈巧傳感器網絡通信、無人值守地面?zhèn)鞲衅魅?、傳感器組網系統(tǒng)、網狀傳感器系統(tǒng)等一系列的軍事傳感器網絡研究項目。在美國自然科學基金委員會的推動下,美國如麻省理工學院、加州大學伯克利分校、加州大學洛杉磯分校、南加州大學、康奈爾大學、伊利諾斯大學等許多著名高校也進行了大量WSN網絡的基礎理論和關鍵技術的研究。美國的一些大型IT公司(如Intel、HP、Rockwell、Texas Instruments等)通過與高校合作的方式逐漸介入該領域的研究開發(fā)工作,并紛紛設立或啟動相應的研發(fā)計劃,在無線傳感器節(jié)點的微型化、低功耗設計、網絡組織、數(shù)據(jù)處理與管理以及WSN網絡應用等方面都取得了許多重要的研究成果。Dust Networks和Crossbow Technologies等公司的智能塵埃、Mote、Mica系列節(jié)點已走出實驗室,進入應用測試階段。

除美國以外,日本、英國、意大利、巴西等國家也對傳感器網絡表現(xiàn)出了極大的興趣,并各自展開了該領域的研究工作。

中國現(xiàn)代意義的WSN網絡及其應用研究幾乎與發(fā)達國家同步啟動,首先被記錄在1999年發(fā)表的中國科學院《知識創(chuàng)新工程試點領域方向研究》的信息與自動化領域研究報告中。

2001年,中國科學院成立了微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心,掛靠中科院上海微系統(tǒng)所,旨在整合中科院內部的相關單位,共同推進傳感器網絡的研究。從2002年開始,中國國家自然科學基金委員會開始部署傳感器網絡相關的課題。截至2008年底,中國國家自然基金共支持面上項目111項、重點項目3項;國家“863”重點項目發(fā)展計劃共支持面上項目30余項,國家重點基礎研究發(fā)展計劃“973”也設立2項與傳感器網絡直接相關的項目;國家發(fā)改委中國下一代互聯(lián)網工程項目(CNGI)也對傳感器網絡項目進行了連續(xù)資助?！爸袊磥?0年技術預見研究”提出的157個技術課題中有7項直接涉及無線傳感器網絡。2006年初發(fā)布的《國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術確定了3個前沿方向,其中2個與無線傳感器網絡研究直接相關。最值得一提的是,中國工業(yè)與信息化部在2008年啟動的“新一代寬帶移動通信網”國家級重大專項中,有第6個子專題“短距離無線互聯(lián)與無線傳感器網絡研發(fā)和產業(yè)化”是專門針對傳感器網絡技術而設立的。該專項的設立將大大推進WSN網絡技術在應用領域的快速發(fā)展。

1.3 WSN技術的成熟度分析

Gartner信息技術研究與咨詢公司從2005年到2008年對WSN網絡的技術追蹤和評估。2005年,Gartner認為WSN技術的關注度已經越過了膨脹高峰并回歸理性,表現(xiàn)為以美國為首的科研人員開始理性反思這種技術模式是不是有進一步推廣和發(fā)展的機會。當時的預期比較樂觀,認為該技術將在2～5年內走向成熟。2006年,Gartner的評估認為該技術正按照預定曲線前行,但成熟時間要更長一些;而到了2007年,Gartner發(fā)現(xiàn)對該技術的關注度又有大幅度回升,但其市場并沒有走向高產能期,而是似乎又回到了技術膨脹期。同時,距離成熟的時間仍然是10年以上。

超過5年的市場預測往往意味公司對該項技術缺乏準確的判斷。從這一點上看,WSN技術從市場的角度上看還有些撲朔迷離。Gartner的2008年技術預測報告中沒有對該領域進行預測也正是基于這一點。這種結果的可能原因是殺手級應用所需的幾項關鍵性的支撐技術目前難于突破,微型化、可靠性、能量供給在目前看來是制約應用的最大問題。另外,這些技術之間還彼此制約。首先,微型化使節(jié)點通信距離變短,路徑長度增加,數(shù)據(jù)延遲難于預期;其次,能量獲取和存儲容量與設備體積(表面積)呈正比,充足的能源和微型化設計之間的矛盾難于調和;再有,現(xiàn)有電子技術還很難做到可降解的綠色設計,微型化給回收帶來困難,從而威脅到環(huán)境健康。

市場不會向技術妥協(xié),如果一項技術不能在方方面面做到完美就很難被市場所接受。無線傳感器網絡技術要想在未來十幾年內有所發(fā)展,一方面要在這些關鍵的支撐技術上有所突破;另一方面,就要在成熟的市場中尋找應用,構思更有趣、更高效的應用模式。值得慶幸的是,WSN技術在中國找到了發(fā)展機會。政府引導、研究人員推動和企業(yè)的積極參與大大加快了WSN技術的市場化進程。中國必將在WSN技術和市場推進中發(fā)揮重要作用。

2 WSN技術體系及其發(fā)展現(xiàn)狀

WSN技術是多學科交叉的研究領域,因而包含眾多研究方向,WSN技術具有天生的應用相關性,利用通用平臺構建的系統(tǒng)都無法達到最優(yōu)效果。WSN技術的應用定義要求網絡中節(jié)點設備能夠在有限能量(功率)供給下實現(xiàn)對目標的長時間監(jiān)控,因此網絡運行的能量效率是一切技術元素的優(yōu)化目標。下面從核心關鍵技術和關鍵支撐技術兩個層面分別介紹應用系統(tǒng)所必須的設計和優(yōu)化的技術要點。

2.1 核心關鍵技術

2.1.1 組網模式

在確定采用無線傳感器網絡技術進行應用系統(tǒng)設計后,首先面臨的問題是采用何種組網模式。是否有基礎設施支持,是否有移動終端參與,匯報頻度與延遲等應用需求直接決定了組網模式。

(1)扁平組網模式

所有節(jié)點的角色相同,通過相互協(xié)作完成數(shù)據(jù)的交流和匯聚。最經典的定向擴散路由(Direct Diffusion)研究的就是這種網絡結構。

(2)基于分簇的層次型組網模式

節(jié)點分為普通傳感節(jié)點和用于數(shù)據(jù)匯聚的簇頭節(jié)點,傳感節(jié)點將數(shù)據(jù)先發(fā)送到簇頭節(jié)點,然后由簇頭節(jié)點匯聚到后臺。簇頭節(jié)點需要完成更多的工作、消耗更多的能量。如果使用相同的節(jié)點實現(xiàn)分簇,則要按需更換簇頭,避免簇頭節(jié)點因為過渡消耗能量而死亡。

(3)網狀網(Mesh)模式

Mesh模式在傳感器節(jié)點形成的網絡上增加一層固定無線網絡,用來收集傳感節(jié)點數(shù)據(jù),另一方面實現(xiàn)節(jié)點之間的信息通信,以及網內融合處理。Akyildiz L F等[1]總結了無線Mesh網絡的應用模式。

(4)移動匯聚模式

移動匯聚模式是指使用移動終端收集目標區(qū)域的傳感數(shù)據(jù),并轉發(fā)到后端服務器。移動匯聚可以提高網絡的容量,但數(shù)據(jù)的傳遞延遲與移動匯聚節(jié)點的軌跡相關。如何控制移動終端軌跡和速率是該模式研究的重要目標。Kim等[2]提出的SEAD分發(fā)協(xié)議就是針對這種組網模式。Bi Y等[3-4]研究了多種Sink的移動匯聚模式。

此外,還有其他類型的網絡。如當傳感節(jié)點全部為移動節(jié)點,通過與固定的Mesh網絡進行數(shù)據(jù)通信(移動產生的通信機會),可形成目前另一個研究熱點,即機會通信模式。

2.1.2 拓撲控制

組網模式決定了網絡的總體拓撲結構,但為了實現(xiàn)WSN網絡的低能耗運行,還需要對節(jié)點連接關系的時變規(guī)律進行細粒度控制。目前主要的拓撲控制技術分為時間控制、空間控制和邏輯控制3種。時間控制通過控制每個節(jié)點睡眠、工作的占空比,節(jié)點間睡眠起始時間的調度,讓節(jié)點交替工作,網絡拓撲在有限的拓撲結構間切換;空間控制通過控制節(jié)點發(fā)送功率改變節(jié)點的連通區(qū)域,使網絡呈現(xiàn)不同的連通形態(tài),從而獲得控制能耗、提高網絡容量的效果;邏輯控制則是通過鄰居表將不“理想的”節(jié)點排除在外,從而形成更穩(wěn)固、可靠和強健的拓撲。WSN技術中,拓撲控制的目的在于實現(xiàn)網絡的連通(實時連通或者機會連通)的同時保證信息的能量高效、可靠的傳輸。

Kumar S等[5]研究了在睡眠喚醒進行能耗控制的網絡中實現(xiàn)k 連通的條件。Chen Ai等[6]研究了柵欄(邊界)防護應用中的拓撲覆蓋問題。Li X[7]則通過圖理論研究無線網絡的拓撲控制算法。Wang X、Ye F、Schurgers C和Lu G等學者[8]研究了如何利用連通的骨干網絡減少網絡活動開銷,延長網絡生命周期問題。

2.1.3 媒體訪問控制和鏈路控制

媒體訪問控制(MAC)和鏈路控制解決無線網絡中普遍存在的沖突和丟失問題,根據(jù)網絡中數(shù)據(jù)流狀態(tài)控制臨近節(jié)點,乃至網絡中所有節(jié)點的信道訪問方式和順序,達到高效利用網絡容量,減低能耗的目的。要實現(xiàn)拓撲控制中的時間和空間控制,WSN的MAC層需要配合完成睡眠機制、時分信道分配和空分復用等功能。Ye W等[9]提出了WSN最經典的基于睡眠的MAC協(xié)議——S-MAC;Ahn G-S等[10]研究了在最后兩跳內采用時分復用方式緩解由最后兩跳沖突引入的“漏斗”效應;Rajendran V等[11]研究了WSN中無競爭訪問的高能效方法;Zhai H[12]和Kim Y[13]等則研究了基于多射頻、多信道的MAC協(xié)議。MAC控制是WSN最為活躍的研究熱點,因為MAC層的運行效率直接反應整個網絡的能量效率。

復雜環(huán)境的短距離無線鏈路特性與長距離完全不同,短距離無線射頻在其覆蓋范圍內的過渡臨界區(qū)寬度與通信距離的比例要大得多,因而更多鏈路呈現(xiàn)復雜的不穩(wěn)定特性。Ganeson D等[14],Zhao J等[15]通過大量的實驗驗證了過渡區(qū)的存在;Zuniga M等[16]分析了過渡區(qū)的成因。復雜的鏈路特征需要在MAC控制中更充分地考慮鏈路特性,Zhu H等[17]研究了適應鏈路特性的多鏈路MAC控制機制。鏈路特征同時也是在數(shù)據(jù)轉發(fā)和匯聚中需要考慮的重要因素。

2.1.4 路由、數(shù)據(jù)轉發(fā)及跨層設計

WSN網絡中的數(shù)據(jù)流向與Internet相反:在Internet網絡中,終端設備主要從網絡上獲取信息;而在WSN網絡中,終端設備是向網絡提供信息。因此,WSN網絡層協(xié)議設計有自己的獨特要求。由于在WSN網絡中對能量效率的苛刻要求,研究人員通常利用MAC層的跨層服務信息來進行轉發(fā)節(jié)點、數(shù)據(jù)流向的選擇。另外,網絡在任務發(fā)布過程中一般要將任務信息傳送給所有的節(jié)點,因此設計能量高效的數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議也是在網絡層研究的重點。網絡編碼技術也是提高網絡數(shù)據(jù)轉發(fā)效率的一項技術。在分布式存儲網絡架構中,一份數(shù)據(jù)往往有不同的代理對其感興趣,網絡編碼技術通過有效減少網絡中數(shù)據(jù)包的轉發(fā)次數(shù),來提高網絡容量和效率。

2.1.5 QoS保障和可靠性設計

QoS保障和可靠性設計技術是傳感器網絡走向可用的關鍵技術之一。QoS保障技術包括通信層控制和服務層控制。傳感器網絡大量的節(jié)點如果沒有質量控制,將很難完成實時監(jiān)測環(huán)境變化的任務。可靠性設計技術目的則是保證節(jié)點和網絡在惡劣工作條件下長時間工作。節(jié)點計算和通信模塊的失效直接導致節(jié)點脫離網絡,而傳感模塊的失效則可能導致數(shù)據(jù)出現(xiàn)岐變,造成網絡的誤警。如何通過數(shù)據(jù)檢測失效節(jié)點也是關鍵研究內容之一。

2.1.6 移動控制模型

隨著WSN組織結構從固定模式向半移動乃至全移動轉換,節(jié)點的移動控制模型變得越來越重要。Luo J等[18]指出,當匯聚節(jié)點沿著網絡邊緣移動收集可以最大限度地提高網絡生命周期;Bi Y等提出了多種匯聚點移動策略,根據(jù)每輪數(shù)據(jù)匯聚情況,估計下一輪能夠最大延長網絡生命期的匯聚點位置。Butler Z等針對事件發(fā)生頻度自適應移動節(jié)點的位置,使感知節(jié)點更多地聚集在使事件經常發(fā)生的地方,從而分擔事件匯報任務,延長網絡壽命。

2.2 關鍵支撐技術

2.2.1 WSN網絡的時間同步技術

時間同步技術是完成實時信息采集的基本要求,也是提高定位精度的關鍵手段。常用方法是通過時間同步協(xié)議完成節(jié)點間的對時,通過濾波技術抑制時鐘噪聲和漂移。最近,利用耦合振蕩器的同步技術實現(xiàn)網絡無狀態(tài)自然同步方法也倍受關注,這是一種高效的、可無限擴展的時間同步新技術。

2.2.2 基于WSN的自定位和目標定位技術

定位跟蹤技術包括節(jié)點自定位和網絡區(qū)域內的目標定位跟蹤。節(jié)點自定位是指確定網絡中節(jié)點自身位置,這是隨機部署組網的基本要求。GPS技術是室外慣常采用的自定位手段,但一方面成本較高,另一方面在有遮擋的地區(qū)會失效。傳感器網絡更多采用混合定位方法:手動部署少量的錨節(jié)點(攜帶GPS模塊),其他節(jié)點根據(jù)拓撲和距離關系進行間接位置估計。目標定位跟蹤通過網絡中節(jié)點之間的配合完成對網絡區(qū)域中特定目標的定位和跟蹤,一般建立在節(jié)點自定位的基礎上。

2.2.3 分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合

分布式動態(tài)實時數(shù)據(jù)管理是以數(shù)據(jù)中心為特征的WSN網絡的重要技術之一。該技術通過部署或者指定一些節(jié)點為代理節(jié)點,代理節(jié)點根據(jù)監(jiān)測任務收集興趣數(shù)據(jù)。監(jiān)測任務通過分布式數(shù)據(jù)庫的查詢語言下達給目標區(qū)域的節(jié)點。在整個體系中,WSN網絡被當作分布式數(shù)據(jù)庫獨立存在,實現(xiàn)對客觀物理世界的實時和動態(tài)的監(jiān)測。

信息融合技術是指節(jié)點根據(jù)類型、采集時間、地點、重要程度等信息標度,通過聚類技術將收集到的數(shù)據(jù)進行本地的融合和壓縮,一方面排除信息冗余,減小網絡通信開銷,節(jié)省能量;另一方面可以通過貝葉斯推理技術實現(xiàn)本地的智能決策。

2.2.4 WSN的安全技術

安全通信和認證技術在軍事和金融等敏感信息傳遞應用中有直接需求。傳感器網絡由于部署環(huán)境和傳播介質的開放性,很容易受到各種攻擊。但受無線傳感器網絡資源限制,直接應用安全通信、完整性認證、數(shù)據(jù)新鮮性、廣播認證等現(xiàn)有算法存在實現(xiàn)的困難。鑒于此,研究人員一方面探討在不同組網形式、網絡協(xié)議設計中可能遭到的各種攻擊形式;另一方面設計安全強度可控的簡化算法和精巧協(xié)議,滿足傳感器網絡的現(xiàn)實需求。

2.2.5精細控制、深度嵌入的操作系統(tǒng)技術

作為深度嵌入的網絡系統(tǒng),WSN網絡對操作系統(tǒng)也有特別的要求,既要能夠完成基本體系結構支持的各項功能,又不能過于復雜。從目前發(fā)展狀況來看,TinyOS是最成功的WSN專用操作系統(tǒng)。但隨著芯片低功耗設計技術和能量工程技術水平的提高,更復雜的嵌入式操作系統(tǒng),如Vxworks、Uclinux和Ucos等,也可能被WSN網絡所采用。

2.2.6 能量工程

能量工程包括能量的獲取和存儲兩方面。能量獲取主要指將自然環(huán)境的能量轉換成節(jié)點可以利用的電能,如太陽能,振動能量、地熱、風能等。2007年在無線能量傳遞方面有了新的研究成果:通過磁場的共振傳遞技術將使遠程能量傳遞。這項技術將對WSN技術的成熟和發(fā)展帶來革命性的影響。在能量存儲技術方面,高容量電池技術是延長節(jié)點壽命,全面提高節(jié)點能力的關鍵性技術。納米電池技術是目前最有希望的技術之一。

3 基于WSN網絡的應用系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

WSN網絡是面向應用的,貼近客觀物理世界的網絡系統(tǒng),其產生和發(fā)展一直都與應用相聯(lián)系。多年來經過不同領域研究人員的演繹,WSN技術在軍事領域、精細農業(yè)、安全監(jiān)控、環(huán)保監(jiān)測、建筑領域、醫(yī)療監(jiān)護、工業(yè)監(jiān)控、智能交通、物流管理、自由空間探索、智能家居等領域的應用得到了充分的肯定和展示。

2005年,美國軍方成功測試了由美國Crossbow產品組建的槍聲定位系統(tǒng),為救護、反恐提供有力手段。美國科學應用國際公司采用無線傳感器網絡,構筑了一個電子周邊防御系統(tǒng),為美國軍方提供軍事防御和情報信息。

中國,中科院微系統(tǒng)所主導的團隊積極開展基于WSN的電子圍欄技術的邊境防御系統(tǒng)的研發(fā)和試點,已取得了階段性的成果。

在環(huán)境監(jiān)控和精細農業(yè)方面,WSN系統(tǒng)最為廣泛。2002年,英特爾公司率先在俄勒岡建立了世界上第一個無線葡萄園,這是一個典型的精準農業(yè)、智能耕種的實例。杭州齊格科技有限公司與浙江農科院合作研發(fā)了遠程農作管理決策服務平臺,該平臺利用了無線傳感器技術實現(xiàn)對農田溫室大棚溫度、濕度、露點、光照等環(huán)境信息的監(jiān)測。

在民用安全監(jiān)控方面,英國的一家博物館利用無線傳感器網絡設計了一個報警系統(tǒng),他們將節(jié)點放在珍貴文物或藝術品的底部或背面,通過偵測燈光的亮度改變和振動情況,來判斷展覽品的安全狀態(tài)。中科院計算所在故宮博物院實施的文物安全監(jiān)控系統(tǒng)也是WSN技術在民用安防領域中的典型應用。

現(xiàn)代建筑的發(fā)展不僅要求為人們提供更加舒適、安全的房屋和橋梁,而且希望建筑本身能夠對自身的健康狀況進行評估。WSN技術在建筑結構健康監(jiān)控方面將發(fā)揮重要作用。2004年,哈工大在深圳地王大廈實施部署了監(jiān)測環(huán)境噪聲和震動加速度響應測試的WSN網絡系統(tǒng)。

在醫(yī)療監(jiān)控方面,美國英特爾公司目前正在研制家庭護理的無線傳感器網絡系統(tǒng),作為美國“應對老齡化社會技術項目”的一項重要內容。另外,在對特殊醫(yī)院(精神類或殘障類)中病人的位置監(jiān)控方面,WSN也有巨大應用潛力。

在工業(yè)監(jiān)控方面,美國英特爾公司為俄勒岡的一家芯片制造廠安裝了200臺無線傳感器,用來監(jiān)控部分工廠設備的振動情況,并在測量結果超出規(guī)定時提供監(jiān)測報告。西安成峰公司與陜西天和集團合作開發(fā)了礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和礦工井下區(qū)段定位系統(tǒng)。

在智能交通方面,美國交通部提出了“國家智能交通系統(tǒng)項目規(guī)劃”,預計到2025年全面投入使用。該系統(tǒng)綜合運用大量傳感器網絡,配合GPS系統(tǒng)、區(qū)域網絡系統(tǒng)等資源,實現(xiàn)對交通車輛的優(yōu)化調度,并為個體交通推薦實時的、最佳的行車路線服務。目前在美國的賓夕法尼亞州的匹茲堡市已經建有這樣的智能交通信息系統(tǒng)。

中科院上海微系統(tǒng)所為首的研究團隊正在積極開展WSN在城市交通的應用。中科院軟件所在地下停車場基于WSN網絡技術實現(xiàn)了細粒度的智能車位管理系統(tǒng),使得停車信息能夠迅速通過發(fā)布系統(tǒng)推送給附近的車輛,大大提高率了停車效率。

物流領域是WSN網絡技術是發(fā)展最快最成熟的應用領域。盡管在倉儲物流領域,RFID技術還沒有被普遍采納,但基于RFID和傳感器節(jié)點在大粒度商品物流管理中已經得到了廣泛的應用。寧波中科萬通公司與寧波港合作,實現(xiàn)基于RFID網絡的集裝箱和集卡車的智能化管理。另外,還使用WSN技術實現(xiàn)了封閉倉庫中托盤粒度的貨物定位。

WSN網絡自由部署、自組織工作模式使其在自然科學探索方面有巨大的應用潛力。2002年,由英特爾的研究小組和加州大學伯克利分校以及巴港大西洋大學的科學家把WSN技術應用于監(jiān)視大鴨島海鳥的棲息情況。2005年,澳洲的科學家利用WSN技術來探測北澳大利亞蟾蜍的分布情況。佛羅里達宇航中心計劃借助于航天器布撒的傳感器節(jié)點實現(xiàn)對星球表面大范圍、長時期、近距離的監(jiān)測和探索。

智能家居領域是WSN技術能夠大展拳腳的地方。浙江大學計算機系的研究人員開發(fā)了一種基于WSN網絡的無線水表系統(tǒng),能夠實現(xiàn)水表的自動抄錄。復旦大學、電子科技大學等單位研制了基于WSN網絡的智能樓宇系統(tǒng),其典型結構包括了照明控制、警報門禁,以及家電控制的PC系統(tǒng)。各部件自治組網,最終由PC機將信息發(fā)布在互聯(lián)網上。人們可以通過互聯(lián)網終端對家庭狀況實施監(jiān)測。

WSN在應用領域的發(fā)展可謂方興未艾,要想進一步推進該技術的發(fā)展,讓其更好為社會和人們的生活服務,不僅需要研究人員開展廣泛的應用系統(tǒng)研究,更需要國家、地區(qū),以及優(yōu)質企業(yè)在各個層面上的大力推動和支持。

4 結束語

WSN網絡從機制研究、系統(tǒng)研發(fā),到應用示范試點,正在努力走向技術和產業(yè)的成熟。在中國,政府的引導、研究人員的推動和企業(yè)的積極參與使WSN網絡技術快速穩(wěn)步發(fā)展。為了讓WSN更快地進入應用產業(yè),為更多人服務,必須在努力尋找獨特的殺手锏應用的同時,更多地將目光轉向改善成熟產業(yè)中對自動化監(jiān)測、檢驗和管理的應用需求,為其量身訂做協(xié)議、軟件和產品,并努力做到與現(xiàn)有管理系統(tǒng)的無縫連接。只有在應用和市場上站穩(wěn)腳跟,才能保持WSN在技術上的持續(xù)發(fā)展。

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收稿日期:2009-07-16

朱紅松,中國科學院軟件研究所高級工程師、博士,主要研究領域為無線自組織網絡、分布式系統(tǒng)控制等。曾主持和參加國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)項目、CNGI基金項目、國家自然科學基金項目8項。已發(fā)表SCI/EI檢索論文10余篇。

孫利民,中國科學院軟件研究所研究員、博士生導師。主持國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)項目、國家自然科學基金項目、國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(“973”計劃)項目和CNGI等10余項,申請國家專利20余項,已發(fā)表SCI/EI檢索學術論文50余篇。