无线传感器网络技术发展现状

摘要:在对无线传感器网路(WSN)产生和发展、技术成熟程度分析的基础上,文章分析了WSN组网模式、拓扑控制、媒体访问控制(MAC)和链路控制、路由与数据转发及跨层设计、时间同步技术、自定位和目标定位技术等组网关键技术和应用支撑技术方面的研究内容。基于应用中的典型实用和示范系统,文章对WSN的应用进行了分类。

关键词:无线传感器网络;自组织网络;无线Mesh网络;分簇控制;能量效率;移动控制

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

无线传感器网络(WSN)是信息科学领域中一个全新的发展方向,同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中,使得传感器节点不仅具有数据采集能力,而且具有滤波和信息处理能力;无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力,大大延长了传感器的感知触角,降低了传感器的工程实施成本;无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中,使得传感器不再是单个的感知单元,而是能够交换信息、协调控制的有机结合体,实现物与物的互联,把感知触角深入世界各个角落,必将成为下一代互联网的重要组成部分。

1 无线传感器网络技术发展背景

1996年,美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年,同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里,WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注,成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一,麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。

1.1 WSN相关的会议和组织

WSN网络技术一经提出,就迅速在研究界和工业界得到广泛的认可。1998年到2003年,各种与无线通信、Ad Hoc网络、分布式系统的会议开始大量收录与WSN网络技术相关的文章。2001年,美国计算机学会(ACM)和IEEE成立了第一个专门针对传感网技术的会议International Conference on Information Processing in Sensor Network(IPSN),为WSN网络的技术发展开拓了一片新的技术园地。2003年到2004年,一批针对传感网技术的会议相继组建。ACM在2005年还专门创刊ACM Transaction on Sensor Network,用来出版最优秀的传感器网络技术成果。2004年,Boston大学与BP、Honeywell、Inetco Systems、Invensys、Millennial Net、Radianse、Sensicast Systems等公司联合创办了传感器网络协会,旨在促进WSN技术的开发。2006年10月,在中国北京,中国计算机学会传感器网络专委会正式成立,标志着中国WSN技术研究开始进入一个新的历史阶段。

1.2 相关科研和工程项目

美国从20世纪90年代开始,就陆续展开分布式传感器网络(DSN)、集成的无线网络传感器(WINS)、智能尘埃(Smart Dust)、?滋AMPS、无线嵌入式系统(WEBS)、分布式系统可升级协调体系结构研究(SCADDS)、嵌入式网络传感(CENS)等一系列重要的WSN网络研究项目。

自2001年起,美国国防部远景研究计划局(DARPA)每年都投入千万美元进行WSN网络技术研究,并在C4ISR基础上提出了C4KISR计划,强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和利用能力,把WSN网络作为一个重要研究领域,设立了Smart Sensor Web、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统等一系列的军事传感器网络研究项目。在美国自然科学基金委员会的推动下,美国如麻省理工学院、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、南加州大学、康奈尔大学、伊利诺斯大学等许多著名高校也进行了大量WSN网络的基础理论和关键技术的研究。美国的一些大型IT公司(如Intel、HP、Rockwell、Texas Instruments等)通过与高校合作的方式逐渐介入该领域的研究开发工作,并纷纷设立或启动相应的研发计划,在无线传感器节点的微型化、低功耗设计、网络组织、数据处理与管理以及WSN网络应用等方面都取得了许多重要的研究成果。Dust Networks和Crossbow Technologies等公司的智能尘埃、Mote、Mica系列节点已走出实验室,进入应用测试阶段。

除美国以外,日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣,并各自展开了该领域的研究工作。

中国现代意义的WSN网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动,首先被记录在1999年发表的中国科学院《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中。

2001年,中国科学院成立了微系统研究与发展中心,挂靠中科院上海微系统所,旨在整合中科院内部的相关单位,共同推进传感器网络的研究。从2002年开始,中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。截至2008年底,中国国家自然基金共支持面上项目111项、重点项目3项;国家“863”重点项目发展计划共支持面上项目30余项,国家重点基础研究发展计划“973”也设立2项与传感器网络直接相关的项目;国家发改委中国下一代互联网工程项目(CNGI)也对传感器网络项目进行了连续资助。“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向,其中2个与无线传感器网络研究直接相关。最值得一提的是,中国工业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中,有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对传感器网络技术而设立的。该专项的设立将大大推进WSN网络技术在应用领域的快速发展。

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