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傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等,能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息,通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理,并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。從而真正實現(xiàn)"無處不在的計算"理念。

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成和功能包括如下四個基本單元:傳感單元(由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成)、處理單元(由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成,包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等)、通信單元(由無線通信模塊組成)、以及電源部分。此外,可以選擇的其它功能單元包括:定位系統(tǒng)、運動系統(tǒng)以及發(fā)電裝置等。

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點通過各種方式大量部署在被感知對象內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò),以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中特定的信息,可以實現(xiàn)對任意地點信息在任意時間的采集,處理和分析。一個典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)包括分布式傳感器節(jié)點(群)、sink節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等.

傳感節(jié)點之間可以相互通信,自己組織成網(wǎng)并通過多跳的方式連接至Sink(基站節(jié)點),Sink節(jié)點收到數(shù)據(jù)后,通過網(wǎng)關(guān)(Gateway)完成和公用Internet網(wǎng)絡(luò)的連接。整個系統(tǒng)通過任務(wù)管理器來管理和控制這個系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性使得其有著非常廣泛的應(yīng)用前景,其無處不在的特點使其在不遠(yuǎn)的未來成為我們生活中不可缺少的一部分。

在計算機科學(xué)領(lǐng)域,傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個研究熱點,每年都會召開很多的研討會和國際會議。

圖1 傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感節(jié)點的系統(tǒng)組成

可以把傳感模塊和電源模塊看作傳統(tǒng)的傳感器,如果再加上微處理器最小系統(tǒng)就可對應(yīng)于智能傳感器,而無線通信模塊是為了實現(xiàn)無線通信功能而比傳統(tǒng)傳感器新增加的功能模塊。增強功能模塊是可選配置,例如時間同步系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、用于移動的機械系統(tǒng)等。

從傳感節(jié)點的系統(tǒng)組成上看,傳感器網(wǎng)絡(luò)可以看作是多個增加了無線通信模塊的智能傳感器組成的自組織網(wǎng)絡(luò)。而從功能上看,傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò)大致相同,都是用來感知監(jiān)測環(huán)境信息的,不過顯然傳感器網(wǎng)絡(luò)具備更高的可靠性。

最早的傳感器網(wǎng)絡(luò)可以追溯到上世紀(jì)70年代美軍在越戰(zhàn)中使用的"熱帶樹"傳感器。為了遏制北越在胡志明小道的后勤補給,美軍在這條小道上沿途投放了上萬個"熱帶樹"傳感器,這是一種振動和聲響傳感器,當(dāng)北越車隊經(jīng)過時傳感器探測到振動和聲響即向指揮中心發(fā)送感知信號,美軍收到信號后即組織轟炸,有資料顯示越戰(zhàn)期間美軍依靠"熱帶樹"的幫助總共炸壞了4萬多輛北越運輸卡車。

"熱帶樹"傳感器之間沒有通信能力,所以實際上還稱不上網(wǎng)絡(luò)的概念。20世紀(jì)80年代以來,美國軍方陸續(xù)與高校開展傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究合作,旨在建立能夠用于軍事用途的自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),這期間在硬件、軟件、標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)品化等方面取得了一系列的重大進展。

2000年,美國加州大學(xué)伯克利分校發(fā)布了傳感器節(jié)點專用操作系統(tǒng)TinyOS,后續(xù)又推出專用程序設(shè)計語言nesC。2001年,伯克利分校又推出Mica系列傳感器節(jié)點產(chǎn)品。TinyOS和Mica取得了巨大的成功,直到今天它們?nèi)匀坏玫搅藦V泛的應(yīng)用。

2001年,ZigBee聯(lián)盟成立,并對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議進行了全面的標(biāo)準(zhǔn)化,后續(xù)多家公司發(fā)布了多款符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的芯片和產(chǎn)品。

傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)誕生至今也不過幾十年的時間,最近更是得到了美國之外歐洲、中國和日韓等國的重視和關(guān)注,目前其發(fā)展前沿也在不斷延伸�？傮w說來,大致可以將其發(fā)展趨勢劃分為兩大類:其一是設(shè)計用于完成特殊任務(wù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),例如無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)。其二是設(shè)計用于特殊應(yīng)用環(huán)境下工作的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),例如水下環(huán)境和地下環(huán)境。

無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(WMSN, Wireless Multimedia Sensor Network)在傳感器節(jié)點上借助多媒體傳感單元將音頻、視頻、圖像等多媒體信息傳送到管理節(jié)點,能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜多變環(huán)境的監(jiān)測。

無線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)(WSAN, Wireless Sensor and Actor Network)在WSN的基礎(chǔ)上加入了執(zhí)行節(jié)點(Actor),執(zhí)行節(jié)點根據(jù)收集到的監(jiān)測信息做出決策并執(zhí)行相關(guān)操作,從而在對環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)上進一步實現(xiàn)對環(huán)境的控制。

水聲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(UW-ASN, Underwater Acoustic Sensor Network)采用水聲無線通信技術(shù)實現(xiàn)水下傳感器節(jié)點之間的通信連接,能夠完成海洋采樣、環(huán)境監(jiān)測、水下開采、輔助航行等任務(wù)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)已被視為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分,如果將智能傳感器的范圍擴展到RFID等其他數(shù)據(jù)采集技術(shù),從技術(shù)構(gòu)成和應(yīng)用領(lǐng)域來看,泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)等同于現(xiàn)在我們提到的物聯(lián)網(wǎng)。