1.引言

　　近年来，无线通信、集成电路传感器以及微机系统近年来，无线通信、集成电路传感器以及微机系统近年来，无线通信、集成电路传感器以及微机系统近年来，无线通信、集成电路传感器以及微机系统(MEMS)等技术的飞速发展，推动了低成本、功耗多能的无线传感器大量生产。是一种集传感功能与驱动控制力、计算通信于一体的资源受限嵌入式设备，而无线传感器网络(WSN)则是由大量无线传感器构成的自组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内对象信息，并将传其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内对象信息，并将传送给需要的用户。

　　WSN被认为是21世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来生活方式产生深远影响。在生深远影响。在2003年2月的美国《技术评论》杂志月的美国《技术评论》杂志月的美国《技术评论》杂志(《TechnologyReviewTechnologyReview》)评出的对人类未来生活产深远影响十大新兴技术中，WSN位居第一。同年，美国《商业周刊》未来技术专版在论述四大新时，WSN也被列入其中。

　　2.WSN的组成和特点的组成和特点的组成和特点

　　WSN由大量无线传感器采用自组织方式构成(见图1)，它借助于节点中内置的形式多样传感器测量所在环境中信号，从而探测各种需要的数据，并通过网络传送到需要的地方。

　　无线传感器一般由数据采集单元、处理输电源等部无线传感器一般由数据采集单元、处理输电源等部分组成(见图2)。被监测物理信号的形式决定了传感器类型，如温度度传感器，监测声音强的压等。处理通常选用嵌入式数度传感器，监测声音强的压等。处理通常选用嵌入式数据传输单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成。微型化操作系统选用据传输单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成。微型化操作系统选用嵌入式操作系统，如Vxworks、μCOS-II、μClinux、TinyOS等。

　　传感器网络与统相比有一些独的特点，主要：

　　1.节点密集，每个既是传感器又路由；
　　2.具有限的计算能力和通信以及电源供应；
　　3.独特的底层通信传输媒介；
　　4.传感器节点间无中心、自组织，多跳通信；
　　5.可以同时通过多条信源——信宿路由传输数据；
　　6.网络具有很强的鲁棒性和良好伸缩。

　　3.WSN的应用领域及其概述

　　3.1军事领域

　　无线传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合在军事上应用。利用无线传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控、战场的实时监视、目标的定位、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。目前国际许多机构的课题都是以战场需求为背景展开的。例如，美军开展的如C4KISR计划、SmartSensorWeb、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CEC，等等。

　　在军事领域应用方面，该项技术的远景目标是：利用飞机或火炮等发射装置，将大量廉价传感器节点按照一定的密度布放在待测区域内，对周边的各种参数，如温度、湿度、声音、磁场、红外线等各种信息进行采集，然后由传感器自身构建的网络，通过网关、互联网、卫星等信道，传回信息中心。

　　该技术可用于敌我军情监控。在友军人员、装备及军火上加装传感器节点以供识别，随时掌控自己情况。通过在敌方阵地部署各种传感器，做到知己知彼，先发制人。另外，该项技术可用于智慧型武器的引导器，与雷达、卫星等相互配合，利用自身接近环境的特点，可避免盲区，使武器的使用效果大幅度提升。

　　3.2环境科学
　　随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便,比如,跟踪候鸟和昆虫的迁移,研究环境变化对农作物的影响,监测海洋、大气和土壤的成分等。ALERT系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分,并依此预测爆发山洪的可能性。类似地,传感器网络对森林火灾准确、及时地预报也应该是有帮助的。

　　3.3农业领域
　　无线传感器网络有着卓越的技术优势。它可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气变更、牲畜和家禽的环境状况以及大面积的地表检测。在精细农业中,以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。

　　WSN系统通常由环境监测节点、基站、通信系统、互联网以及监控软硬件系统构成。如图所示，根据需要，人们可以在待测区域安放不同功能的传感器并组成网络，长期大面积地监测微小的气候变化，包括温度、湿度、风力、大气、降雨量，收集有关土地的湿度、氮浓缩量和土壤PH值等，从而进行科学预测，帮助农民抗灾、减灾，科学种植，获得较高的农作物产量。

　　无线传感器网络的通信便利、部署方便的优点，使其在节水灌溉的控制中得以应用。同时，节点还具有土壤参数、气象参数的测量能力，再与互联网、GPS技术结合，可以比较方便地实现灌区动态管理、作物需水信息采集与精量控制专家系统的构建，并可进而实现高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。可在温室、庭院花园绿地、高速路隔离带、农田井用灌溉区等区域，实现农业与生态节水技术的定量化、规范化、模式化、集成化，促进节水工业的快速和健康发展。

　　3.4工业领域及其他领域
　　工业方面，煤矿、石化、冶金行业对工作人员安全、易燃、易爆、有毒物质的监测的成本一直居高不下，无线传感器网络把部分操作人员从高危环境中解脱出来的同时，提高险情的反应精度和速度。

　　在建筑领域，采用无线传感器网络，可以让大采用无线传感器网络，可以让大楼、桥梁和其它建筑物能够自身感觉并意识到它们的状况，使得安装了传器网络智能建筑动告诉管理自身感觉并意识到它们的状况，使得安装了传器网络智能建筑动告诉管理部门它们的状态信息，从而可以让管理按照优先级进行定期维修工作。

　　家居方面，智能家居系统的设计目标是将住宅内各种备联起来，使他们能够自动运行，相互协作为居住者提供尽可多的便利和舒适。

　　医疗方面，无线传感器网络在检测人体生理数据、老年健康状况医院无线传感器网络在检测人体生理数据、老年健康状况医院药品管理以及远程医疗等方面可发挥出色的作用。在病人身上安置体温采集、呼吸、血压等测量传感器，医生可以远程了解病人的情况。利用网络长时间地收集人的生理数据，这些在研制新药品的过程中非常有用。

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　　4.WSN的应用案例的应用案例的应用案例

　　4.1 军事领域军事领域

　　由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。

　　实例：美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行"智能尘埃"传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从2004年的1000万美元增加到2010年的几十亿美元。

　　在现阶段软件、硬件、通信、传感器等技术的基础上，以下系统已得到成功的应用。

　　实例：2005年，美国军方成功测试了由美国Crossbow产品组建的枪声定位系统。如图1所示，节点被安置在建筑物周围，能够有效地按照一定的程序组建成网络进行突发事件(如枪声、爆炸源等)的检测，为救护、反恐提供有力手段。

　　实例：美国科学应用国际公司采用无线传感器网络，构筑了一个电子周边防御系统，为美国军方提供军事防御和情报信息。在这个系统中，采用多枚微型磁力计传感器节点来探测某人是否携带枪支，以及是否有车辆驶来；同时，利用声传感器，该系统还可以监视车辆或者移动人群。

　　实例：美实例：美国SSW系统作为一个军事战术工具可向场指挥员提供从大型传感器矩阵中得来的动态更新数据库，并及时向相关作战人员提供实或近传感器矩阵中得来的动态更新数据库，并及时向相关作战人员提供实或近的战场信息，包括通过有人和无驾驶地面车辆、飞机空中海上及卫星中得到的高分辨率数字地图、三维形特征多重频谱等信息。

　　4.2环境科学
　　实例：2010年，无锡到年底建成了86个水质自动监测站，通过无线传输实时数据，全天24小时自动监测太湖，并结合陆上屏控及环境卫星遥感，形成太湖水域“三位一体”监测体系，相对于以往主要依靠人工巡视取样的监测方式，传感技术监控省时、省力、成效更高。

　　实例:上海交通大学自动化系基于气体污染源浓度衰减模型，开展了气体源预估定位系统。同样，该项技术也可推广到放射性元素、化学元素等的跟踪定位中。

　　实例：澳洲的CSRIOICT研究中心将节点安置在动物身上对动物的生理状况(脉搏、血压)和外界环境进行检测，研制成完善的草地放牧与动物模型。

　　实例：2005年，澳洲的科学家利用无线传感器网络来探测北澳大利亚蟾蜍的分布情况。由于蟾蜍的叫声响亮而独特，因此利用声音作为检测特征非常有效。科研人员将采集到的信号在节点上就地处理，然后将处理后的少量结果数据发回给控制中心。通过处理，就可以大致了解蟾蜍的分布、栖息情况。

　　实例：这是一项室内无线传感网的环保监测系统设计。在传统的基于无线传感网的智能楼宇的基础上,提出了一种基于无线传感网的室内安全环保监控系统,该系统能够检测居室内的空气质量、温湿度、漏水、漏气和火警信息,与以往的智能楼宇相比,增加了对这些信息的处理,可以避免灾难的恶化,同时系统采用了室内无线传感网和广域无线网结合的方式用于信息传递和控制,基于FPGA的控制器有利于未来更好的降低功耗和成本。

　　实例：美国俄勒冈洲研究生院在哥伦比亚河设置了13个站来监测每个站所在区域的流速、盐度、温度及水位。

　　实例：美国ALERT系统中利用多种传感器来监测降雨量、河位水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪暴发的可能性。

　　4.3农业领域
　　实例：据大江网理财频道报道，2011年04月12日的《昆仑海岸为智慧农业插上金翅膀》一文中，又一次见证了我国无线传感网的应用前进步伐。昆仑海岸公司在短程无线通信标准、芯片和产品技术领域的积累，独立研发了能够支持大规模自组织、自维护无线传感网络的系统，并以此技术为基础开发了具有自主独立知识产权的智能温室无线温湿度采集系统，能够提供全天候、无人看守、免维护且不依赖电源的无线温湿度采集服务。

　　实例：DigitalSun公司发展的自动洒水系统S.SenseWirelessSensor目前受到国际上多家媒体的报道。它使用无线传感器感应土壤的水分，并在必要时与接收器通信，控制灌溉系统的阀门打开/关闭，从而达到自动、节水灌溉的目的。 

　　实例：陕西秦巴山区的许多珍贵药材的生长规律，可以通过该项技术得到精确测量，通过无线信道、卫星或互联网传输到控制中心，从而可以精确掌握这类药材的生长周期、水分、湿度、光照、雨水等资料。根据分析结果，农业人员就可以在人造环境下进行逼真地模拟，有望提高产量、改善稀有药材紧缺的现状。

　　实例：2008年，湖南农业大学提出了一种基于无线传感器网络的农田自动节水灌溉构建方案，设计了一种无线传感器网络实现农田土壤湿度信息的实时采集和传输，通过灌溉控制器控制灌溉管网，分区域实时灌溉并调节土壤湿度，实现了精细农业所要求的时空差异性和水资源高效利用。

　　实例：利用适当的传感器，例如压电传感器、加速度传感器、超声传感器、湿度传感器等，可以有效地构建一个三维立体的防护检测网络(参见图8)。该系统可用于监测桥梁、高架桥、高速公路等道路环境。对许多老旧的桥梁，桥墩长期受到水流的冲刷，传感器能够放置在桥墩底部、用以感测桥墩结构；也可放置在桥梁两侧或底部，搜集桥梁的温度、湿度、震动幅度、桥墩被侵蚀程度等，能減少断桥所造成生命财产的损失。

　　4.4工业领域及其他领域
　　实例：工业领域，据RFID世界网和《数位时代》2011年3月14日联合报道，研华科技无线传感网全面启动。研华科技总经理何春盛指出，WirelessSensorNetwork（WSN），透过微小芯片，采集宇宙大地的物理量，例如温湿度、流量、水位，再将这些物理量变成电流或电压，让计算机可读取，这样的技术可以做到多面相的应用。

　　实例：建筑领域，WSN用于世博会园区。打造没有围墙的平安世博园，靠的是无线、隐形、智能化、无人值守的电子围栏。不仅如此，无线传感网还串联起世博建筑、展品和生态环境的信息等。在场馆建筑的主梁、基柱等关键部位，传感器节点可进行形变监测；通过设在空调通风口及随机散布的微型传感器，可对展馆温度、湿度、二氧化碳、有毒有害气体、噪音等环境参数进行综合监测；布设在展柜、展品周边的传感器节点，可防盗、防触碰等。除此之外，内嵌电子标签（RFID）的世博门票，以及拥有刷卡入园、无线支付功能的“手机门票”，都是物联网系统的微型终端。

　　实例：家居方面，智能家居网络是指应用于家庭环境的无线传感器网络。在家庭中，部署各种传感器，例如红外传感器，烟雾传感器，RFID门磁传感器来监测家庭的一些环境信息，这些传感器通过自组织方式就构建了智能家居网络。所以本文设计的智能家居网关主要是实现WSN网络与Internet以及GSM网的互连。显然，智能家居网关是整个家庭网络的核心，主要实现Internet网，GSM网的接入，远程控制，以及实现协议转换连接家庭内部异构网络的功能。目前基于PC方案的家庭网关不仅成本高，而且要求计算机一直处于开机状态，因此，对于普通的用户，家庭网关应采用廉价的嵌入式CPU，若单是采用8位或者16位的单片机，由于速度慢且资源有限，不能实现复杂的控制，效果不理想。

　　实例：医疗领域，研究人员开发出基于多个加速度传感器的无线传感器网络系统，用于进行人体行为模式监测，如坐、站、躺、行走、跌倒、爬行等(参见图11)。该系统使用多个传感器节点，安装在人体几个特征部位。系统实时地 1把人体因行动而产生的三维加速度信息进行提取、融合、分类，进而由监控界面显示受检测人的行为模式。这个系统稍加产品化，便可成为一些老人及行动不便的病人的安全助手。同时，该系统也可以应用到一些残障人士的康复中心，对病人的各类肢体恢复进展进行精确测量，从而为设计复健方案带来宝贵的参考依据。

　　5.结论

　　WSN是目前研究的热点，也未来有着广阔发展景高新技术之一。它是目前研究的热点，也未来有着广阔发展景高新技术之一。它是目前研究的热点，也未来有着广阔发展景高新技术之一。它传感器技术、嵌入式系统MEMS技术、分布式信息处理及无线通术等多学科的交叉综合，为我们提供了一种全新获取信息、处理途径。WSN的应用前景十分诱人。经典主要涉及军事、工业环境等领域，新兴用将涉及家、企业管理用将涉及家、企业管理用将涉及家、企业管理、保健、农业交通等更多的领域。可以预见，在不远的将来，WSN将无处不在。由于WSN对国家和社会意义重大，本文针我情对国家和社会意义重大，本文对于WSN在国内的应用提出了一个设计框架和两具体方向，即水情监测系统在国内的应用提出了一个设计框架和两具体方向，而其它多种样的智能化应用和复杂都可以采同设交通监控系统，而其它多种样的智能化应用和复杂都可以采同设计思想。