2002年夏季，研究人員把許多被稱為“塵埃”的微小型監(jiān)控組件裝到海燕巢的洞穴中。這些裝置的尺寸只有一對AA號電池那么大，并且裝備了一個處理器、一個小量計算機內(nèi)存和監(jiān)控溫度、濕度、壓力、光與熱量的傳感器。這些“塵�！鳖A示著一個到處是以電池為電源的WSN的未來，這些傳感器將監(jiān)控我們的環(huán)境、機器，甚至我們自己。

2003年美國MIT技術評論(Technology Review)認為，有十種新興技術很快就可以改變計算、醫(yī)療、制造、運輸和我們的能源基礎設施，其中排名第一的是無線傳感網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks, WSN)。WSN是由一到數(shù)個無線數(shù)據(jù)收集器以及為數(shù)眾多的傳感器(sensors)所構成的網(wǎng)絡系統(tǒng)，而組件之間的溝通則是采用無線通訊方式。為了達到大量布建的目的，無線傳感網(wǎng)絡必須具備低成本、低耗電、體積小、容易布建，并具有感應環(huán)境裝置，可程序化、可動態(tài)組成等特性。

WSN的發(fā)展，最早是美國加州柏克萊大學(UC Berkeley)的一項研究計劃，研究人員利用MEMS技術，開發(fā)出一種體積與普通阿司匹林藥片大小相似的傳感器，稱為智慧灰塵(smart dust)。由于這項計劃是由美國國防部研究計劃單位(DARPA)所資助，原先的構想是應用在軍事上。例如在戰(zhàn)場上，使用無人駕駛的小飛機，帶著數(shù)以百萬的無線傳感器，灑在監(jiān)控敵軍的區(qū)域進行搜集數(shù)據(jù)任務，一段時間之后，同樣派遣無人駕駛的小飛機，將傳感器搜集到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳回小飛機上，并帶回基地加以分析。如此一來，就不需要冒著極大的危險派遣兵力深入敵方，便可完成搜集敵軍情報的任務。在加州柏克萊大學的計劃中，研發(fā)出的無線感測組件，稱為Mote系列。之后衍生出許多相關技術的研發(fā)公司，其中結合IEEE 802.15.4的商品化Mote家族，有Intel的Mote 2，Crossbow的Mote-Kit 2400 (MICAz)，與Dust Networks的M2020 Mote等。

1、WSN的特點

目前，現(xiàn)有的Wireless Ad hoc NETwork (WANET)架構是最為接近WSN的架構。雖然它們同為無固定基礎結構(infrastructure)型網(wǎng)絡，但現(xiàn)有的WANET協(xié)議及算法大多無法直接應用到WSN上。其中最主要的幾個原因如下：
1) WSN的節(jié)點數(shù)常是WANET的數(shù)十倍至數(shù)千倍，故需低制造成本。
2) WSN節(jié)點的體積、能量、運算能力，及內(nèi)存受到極大的限制。
3) WSN的節(jié)點密度高，且較容易故障，因此需有容錯功能。
4) WSN的網(wǎng)絡拓撲(topology)時常改變，需有網(wǎng)絡自我重建功能。
5) 大部份的WANET使用點對點(point-to-point)通訊，而WSN主要使用廣播 (broadcast)或群播(multicast)通訊，而且需支持多點跳躍傳輸路由(multi-hop routing)。
6) 為節(jié)省傳輸數(shù)據(jù)的能量，WSN的ID (MAC address)將不適用傳統(tǒng)IEEE 802的6個字節(jié)。

2、WSN的發(fā)展歷程

WSN是從傳感網(wǎng)絡開始的。第一代傳感網(wǎng)絡出現(xiàn)在20世紀70年代，使用具有簡單信息信號獲取能力的傳統(tǒng)傳感器，采用點對點傳輸、連接傳感控制器構成傳感器網(wǎng)絡；第二代傳感器網(wǎng)絡具有獲取多種信息信號的綜合能力，采用串、并接口(如RS-232、RS-485)與傳感控制器相聯(lián)，構成有綜合多種信息的傳感器網(wǎng)絡；第三代傳感器網(wǎng)絡出現(xiàn)在20世紀90年代后期和本世紀初，用具有智能獲取多種信息信號的傳感器，采用現(xiàn)場總線連接傳感控制器，構成局域網(wǎng)絡，成為智能化傳感器網(wǎng)絡。

第四代傳感器網(wǎng)絡正在研究開發(fā)，目前成形并大量投入使用的產(chǎn)品還沒有出現(xiàn)。第四代網(wǎng)絡采用大量的具有多功能多信息信號獲取能力的傳感器，采用自組織無線接入網(wǎng)絡，與傳感器網(wǎng)絡控制器連接，構成無線傳感網(wǎng)絡。本文所介紹的WSN就是指第四代傳感網(wǎng)絡。

3、WSN節(jié)點和網(wǎng)絡體系結構

傳感網(wǎng)絡節(jié)點共包括4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(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。此外，可以選擇的其它功能單元包括：定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。

在WSN中，節(jié)點通過飛機布撒、人工布置等方式，大量部署在感知對象內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點通過自組織方式構成無線網(wǎng)絡，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(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。這種以自組織形式構成的網(wǎng)絡，通過多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳回sink節(jié)點(接收發(fā)送器），最后借助sink鏈路將整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠程控制中心進行集中處理。一個典型的WSN的體系結構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。在WSN中絕大多數(shù)的節(jié)點只有很小的發(fā)射范圍，而sink節(jié)點的發(fā)射能力較強，具有較高的電能，可以把數(shù)據(jù)發(fā)回遠程控制節(jié)點。

4、WSN關鍵技術

如果把WSN按其功能抽象成五個層次的話，將會包括基礎層（傳感器集合）、網(wǎng)絡層（通信網(wǎng)絡）、中間件層、數(shù)據(jù)處理和管理層以及應用開發(fā)層。

（1）基礎層

基礎層以研究新型傳感器和傳感系統(tǒng)為核心，包括應用新的傳感原理、使用新的材料以及采用新的結構設計等，以降低能耗、提高敏感性、選擇性、響應速度、動態(tài)范圍、準確度、穩(wěn)定性以及在惡劣環(huán)境條件下工作的能力。同時，還包括多通道傳感器以及無線通信芯片的系統(tǒng)集成，以及嵌入式處理器的集成化。此外，基礎層還包括通過對嵌入式操作系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)利用有效資源對整體系統(tǒng)進行高效率的事件處理、能源管理、命令處理和工作描述。

另外，超低能耗的傳感器節(jié)點的設計、各功能部件的接口及系統(tǒng)集成方法、與信號處理中心之間實現(xiàn)高速的通信以保證決策人做出迅速及時的反應也是業(yè)界關注的重點。目前，這一代節(jié)點產(chǎn)品大都采用各類通用芯片（如普通8位微處理器，如Atmega128L，以及通用無線通信模塊CC1000等）和元器件進行集成開發(fā)。而某些面向2010年的下一代節(jié)點將完全采用SOC方法，以真正實現(xiàn)微型化并大大降低節(jié)點成本。這方面代表性的項目有非常有名的Smart Dust。

（2）網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層以通信網(wǎng)絡為核心，實現(xiàn)傳感器與傳感器、傳感器與用戶之間的通信，對傳感器節(jié)點進行有效的控制和管理，支持多傳感器協(xié)作完成大型感知任務。需要展開的研究工作包括低能耗、高速率、長生命周期的WSN的隨機自組織通信協(xié)議、通信方式及自重構、自調(diào)整性；WSN的可擴展性、容錯性、可維護性及安全性、隱私性；WSN的特性（有別于已有的互聯(lián)網(wǎng)和Ad hoc無線網(wǎng)絡）；適用于WSN的網(wǎng)絡通信模式、支持WSN通信的各種協(xié)議、時間同步、任務分配與協(xié)調(diào)控制以及相應的軟硬件資源等方面。

（3）中間件層

中間件層研究具有通用性能的標準中間層軟件結構，負責WSN系統(tǒng)的資源管理、動態(tài)環(huán)境分析，以及普適應用的開發(fā)支持，如應用功能改換、功能擴展、系統(tǒng)升級、重復再利用等關鍵性能的實現(xiàn)。

（4）數(shù)據(jù)處理和管理層

數(shù)據(jù)處理和管理層以傳感器數(shù)據(jù)管理與處理軟件為核心，包括以數(shù)據(jù)為中心的實時分布式數(shù)據(jù)流管理、查詢及相關信息處理技術；支持感知數(shù)據(jù)的采集、存儲、查詢、分析等各種數(shù)據(jù)管理和分析處理軟件系統(tǒng)，新型統(tǒng)計算法、排除誤差信息的方法、對大型分布式傳感器陣列的協(xié)同處理、圖象識別方法等。

（5）應用開發(fā)層

應用開發(fā)層由各種WSN應用軟件組成。顯然，圍繞實現(xiàn)網(wǎng)絡整體低功耗運行，在基礎層上針對傳感器節(jié)點開展研究工作是整體WSN研究的起點和基礎。以上提到的網(wǎng)絡節(jié)點中涉及到的各項技術無疑是最為關鍵的一部分技術。此外，針對適合WSN特點、支持WSN工作的網(wǎng)絡協(xié)議這一關鍵技術將會直接影響整體工作水平和實用化的進程。

5、WSN通訊協(xié)議

有關無線傳感網(wǎng)絡的通訊協(xié)議，考慮到兼容性與市場可接受度，在家庭自動化與智能型大樓方面，以IEEE 802.15.4低速率無線個人局域網(wǎng)絡(Low-Rate Wireless Personal Area Network, LR-WPAN)結合ZigBee無線標準為基礎的發(fā)展，是普遍看好的發(fā)展方向。而看好量大的家用市場，以Zensys為首成立的Z-Wave聯(lián)盟也設計相關的無線協(xié)議，與ZigBee爭奪家庭自動化市場。而針對各種不同的應用場合，IEEE 802.11/WiFi、IEEE 802.15.1/Bluetooh、IEEE 802.15.3/UWB等通訊標準，也都是無線傳感網(wǎng)絡可能采用的協(xié)議。此外，正在發(fā)展中的IEEE 1451標準則嘗試著制訂一個標準接口，將各種不同的無線通訊協(xié)議隱藏而獨立于傳感器設計，希望達成可以直接即插即用(Plug-and-Play)的智能型傳感器(smart transducer)應用。

2007年5月，IEEE批準了IEEE 1451系列標準中的兩項新智能傳感器標準。其中的一項標準是IEEE 1451.0“傳感器和驅(qū)動器的智能傳感器接口標準：公共功能，通信協(xié)議和轉(zhuǎn)換器電子數(shù)據(jù)表(TEDS)格式”。IEEE 1451.0為推動IEEE 1451系列中標準間的互用性創(chuàng)造了一套公共功能、協(xié)議和格式。同時它還簡化了不同物理層未來標準的制定程序。

第二項標準是IEEE 1451.5“傳感器和驅(qū)動器的智能傳感器接口標準：無線通信協(xié)議和轉(zhuǎn)換器電子數(shù)據(jù)表(TEDS)格式”。該標準為轉(zhuǎn)換器制定了統(tǒng)一的無線通信方法和數(shù)據(jù)格式。該標準能夠用于支持用戶、轉(zhuǎn)換器制造商和系統(tǒng)整合商發(fā)展傳感器的無線通信接口和協(xié)議。此外，它還有助于轉(zhuǎn)換器連通性對無線技術的認同。

IEEE 1451系列標準中的其它標準包括：IEEE 1451.1：處理整個網(wǎng)絡和系統(tǒng)和網(wǎng)絡中的連接轉(zhuǎn)換器問題；IEEE 1451.2：處理如何在網(wǎng)絡中安放數(shù)字轉(zhuǎn)換器的問題；IEEE 1451.3：能夠?qū)崿F(xiàn)在同一個電纜中安放多個轉(zhuǎn)換器；IEEE 1451.4：為數(shù)字系統(tǒng)在網(wǎng)絡中模擬轉(zhuǎn)換器增加了即插即用功能。