近十几年来,网络信息技术的飞速发展使分布世界各个角落人们之间的联系越来越密切,人们在任何时间、任何地点都可以方便地进行对话和沟通。由于物的被动性,人和物之间的“交流”就不会十分顺畅,所以为了使物理世界为我们所用,必须借助于其他一些工具和技术去探索这个世界的万物,如各种传感器。基于通信技术、传感技术和微机电系统(microelectromechanismsystem,MEMS)的发展,传感器体积微小到可被封装到一块毫米级的芯片内,成本低、稳健性高且功能愈发强大。传感器的“智慧”可以帮助人类完成数据的收集、整理和沟通,从而极大地扩展了传感器的应用领域。无线传感器网络将从根本上改变人类与自然世界之间的相互作用,并使虚拟的网络世界和物理世界及各延伸领域都能与人交流。人们可以通过工具随心所欲地从物理世界获得丰富可信的信息,实现了“无处不在的计算”的愿望。毫不夸张地说,无线传感器网络(wireless sensor networks,WSN)的广泛应用是科技发展的大势所趋,它正在并且将一直引发无线传感器及其相关研究领域对人类世界的变革。
一般来说,我们把由大量低成本、低功耗、多功能的传感器节点组成的专用网络系统称为无线传感器网络。节点具有自组织、自恢复和自适应的特点,它们通过无线通信的方式进行信息传递,协同实现一些具体的功能。目标区域的感知参数(如温度、湿度、光照、烟雾、空气颗粒物、地震波、声音和视频等)都可以通过无线传感技术、嵌入式技术、微电子信息技术等技术和软件编程技术实现实时获取。无线传感器网络凭借高感知精确度、高部署灵敏度、高扩展性、高性能稳定性和低生产成本这“四高一低”的先天优势,使其在工业、农业、气象检测、军事侦察、环境监测、火灾报警、交通管理、卫生保健、空间探索等许多领域都有广阔的应用前景。在国际上,无线传感器网络被誉为是继互联网之后的第二大网络革命,2003 年美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术中,无线传感器网络荣居榜首。
由于巨大的应用前景和潜能,无线传感器网络从诞生之日起就引起了全球学术界和产业界的极大关注,被认为是21世纪将改变人类社会的一项重大技术。虽然只经历了短短十几年,但是它的发展和应用已经渗透到人类社会的方方面面。和许多重大技术一样,无线传感器网络也同样起源于军事需求的研究。1973 年美国 DARPA 启动的 PRNet项目开启了无线传感器网络发展的大门,使得人类社会对自然界的认知和交互水平前进了一大步。在接下来的十几年中,DARPA 继续资助了相关研究小组和大学研究机构并取得了一系列的成果,比较典型的有 UCLA 的 WINs项目、UC Berkeley 的 PicoRadio以及 MIT 的 uAMPs等。进入21世纪之后,随着军事和物联网等应用需求的发展,对无线传感器网络的研究更加深入,世界各国政府和产业界均投入巨资加快理论研究和应用的开发工作。出于局部反恐战争的需要,为实现战场情报信息无人侦查和获取,2000 年,美国国防部将无线传感器网络列为国防部门五个尖端领域之一,并提出了C4ISR军事计划,侧重于战场信息的感知、采集、处理和运用能力,旨在解决远程空天一体化精确无人打击计划末端信息获取问题。2002 年,享誉世界的Intel公司规划了微型传感器网络新的发展方向。2002 年至 2005 年,欧盟制定了EYES(自组织和协作有效能量的传感器网络)计划,包括来自荷兰、法国、意大利和德国的研究机构,主要研究能量有效的自组织协同传感器,针对分布式信息处理与采集,以及无线通信和移动计算。2004年,日本和韩国政府也针对本国产业的发展提前部署无线传感器网络技术的研究计划,日本成立了无线传感器网络调查研究会,制定了 UJapan(2005—2010)等规划。韩国情报通信部先后发布了 IT839计划和 UKorea 战略,并实施严密的监控以抢占高科技发展的制高点。在产业界,IBM、Intel、Microsoft、Philips、Siemens 以及 TI 等全球科技界的领头羊也纷纷独立或者结成联盟展开对无线传感器网络应用上面的研究,并取得了一系列的研究成果。
在我国,中科院等研究机构较早的就跟踪介入针对无线传感器网络的研究工作。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020 年)》中,一次就确定了两个与无线传感器网络直接相关的研究方向,由此可见对无线传感器网络的重视程度。2009 年,江苏无锡高新区与中科院合作成立物联网产业研究院,负责 WSN 标准化方面的工作,是国内无线传感器网络领域内成立较早的科研机构之一。中国国家自然科学基金委员会已批准了多个无线传感器网络方面的重点项目。清华大学、中国科技大学、华南理工大学、武汉理工大学、北京邮电大学等国内知名高校和中科院等研究机构也相继展开了无线传感器网络的研究,取得了丰硕的研究成果。特别是近几年物联网产业的飞速发展,极大地刺激了无线传感器网络在国内的研究和发展。但是无线传感器网络是一个涉及多个高新技术的交叉学科,国内相对薄弱的基础研究能力和产业技术支持都使得我国与世界先进国家无论是在理论还是产业应用上的差距依然巨大。可以预见,随着无线传感器网络在国防军事、精准农业、环境监测等应用领域取得良好的应用效果,结合目前飞速发展的通信技术以及物联网需求,在未来一定有着更广阔的发展空间,相关领域也极具研究价值。
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