具有感知能力、計算能力和通信能力的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN, wireless sensor networks）綜合了傳感器技術(shù)、嵌人式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳盡而準確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。

由于WSN的巨大應(yīng)用價值，它已經(jīng)引起了世界許多國家的軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，被廣泛地應(yīng)用于軍事，工業(yè)過程控制、國家安全、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

美國國防部和各軍事部門都對WSN給予了高度重視，在C4ISR的基礎(chǔ)上提出了C4KISR計劃，強調(diào)戰(zhàn)場情報的感知能力、信息的綜合能力和信息的利用能力，把WSN作為一個重要研究領(lǐng)域，設(shè)立了一系列的，軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項目，如美國陸軍2001年提出了“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信”計劃，已被批準為2001財政年度的一項科學(xué)技術(shù)研究計劃，并在2001～2005財政年度期間實施；美國海軍最近開展的網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)（CEC，cooperative engagement capability），即使是今天最先進的反艦巡航導(dǎo)彈也會被實時地監(jiān)測到并被擊中。在民用領(lǐng)域，2002年，Intel公司發(fā)布了“基于WSN的新型計算發(fā)展規(guī)劃”。Intel將致力于WSN在預(yù)防醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、森林滅火乃至海底板塊調(diào)查、行星探查等領(lǐng)域的應(yīng)用。

美國自然科學(xué)基金委員會（NSF）2003年制定了WSN的研究計劃，投資3400萬美元，支持相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究。在NSF的推動下，美國的加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、洛克維爾研究中心、加州大學(xué)洛杉磯分校等機構(gòu)開始了WSN的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。英國、日本、意大利等國家的一些大學(xué)和研究機構(gòu)也紛紛開展了該領(lǐng)域的研究工作。學(xué)術(shù)界的研究主要集中在傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信協(xié)議的研究上，也開展了一些感知數(shù)據(jù)查詢處理技術(shù)的研究，取得了一些初步研究結(jié)果。

國內(nèi)研究機構(gòu)如中科院、清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及浙江大學(xué)等學(xué)術(shù)團體對WSN進行了跟蹤研究。中國下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程（CNGI）2006年研究開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用試驗項目中就包含了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的研究項目。

毋庸置疑，跟蹤國外WSN技術(shù)的發(fā)展，并做出開創(chuàng)性的研究工作，對我國國防現(xiàn)代化的發(fā)展具有重要的意義。

1 WSN的定義和特點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)Tiny0S141的研制者，Jason Hill博士把WSN定義為：

Sensing＋CPU＋Radio＝Thousands of potential application

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李建中教授將WSN定義為：WSN是由一組傳感器節(jié)點以自組織的方式構(gòu)成的有線或無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。如圖1所示，從硬件上看，WSN節(jié)點主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線數(shù)據(jù)收發(fā)單元以及小型電池單元組成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特點；從軟件上看，它借助于節(jié)點中內(nèi)置傳感器有效探測所處區(qū)域的溫度、濕度、光強度、壓力等環(huán)境參數(shù)以及待測對象的電壓、電流等物理參數(shù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將探測信息傳送到數(shù)據(jù)匯聚中心進行處理、分析和轉(zhuǎn)發(fā)。

WSN與傳統(tǒng)傳感器和測控系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢。它采用點對點或點對多點的無線連接，大大減少了電纜成本，在傳感器節(jié)點端即合并了模擬信號／數(shù)字信號轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理和網(wǎng)絡(luò)通信功能，節(jié)點具有自檢功能，系統(tǒng)性能與可靠性明顯提升而成本明顯縮減。

WSN具有以下特點：

①硬件資源有限。WSN節(jié)點采用嵌入式處理器和存儲器，計算能力和存儲能力十分有限。所以，需要解決如何在有限計算能力的條件下進行協(xié)作分布式信息處理的難題。

②電源容量有限。WSN節(jié)點通過自身攜帶的電他來提供電源，當(dāng)電池的能量耗盡，往往被廢棄，甚至造成網(wǎng)絡(luò)的中斷。所以，任何WSN技術(shù)和協(xié)議的研究都要以節(jié)能為前提。

③無中心。WSN沒有嚴格的控制中心，所有節(jié)點地位平等，是一個對等式網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點可以隨時加入或離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點的故障不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的運行，具有很強的抗毀性。

④自組織。網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網(wǎng)絡(luò)。

⑤多跳（Multi-hop）路由。WSN節(jié)點通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十到幾百米，節(jié)點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信，則需要通過中間節(jié)點進行路由。WSN中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點完成的。

⑥動態(tài)拓撲。WSN是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點可以隨處移動；一個節(jié)點可能會因為電池能量耗盡或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò)運行；也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。這些都會使網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動態(tài)拓撲組織功能。

⑦節(jié)點數(shù)量眾多，分布密集。WSN節(jié)點數(shù)量大、分布范圍廣，難于維護甚至不可維護。所以，需要解決如何提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件健壯性和容錯性。

2 風(fēng)洞測控WSN的主要關(guān)鍵技術(shù)

針對WSN的特點和在風(fēng)洞測控中應(yīng)用需求，WSN研究領(lǐng)域還有很多具有開創(chuàng)性和挑戰(zhàn)性的難題需要解決，主要包括以下的研究內(nèi)容。

2.1 WSN節(jié)能技術(shù)

能源是WSN最重要的資源，如何有效地節(jié)約能源是WSN必須考慮的關(guān)鍵技術(shù)。WSN節(jié)點工作時按功率消耗由小到大的順序有4種模式：睡眠模式（sleep）、空閑模式（idle）、接收模式（receive）以及發(fā)送模式（transmit），有效地進入睡眠模式與空閑模式以及減少數(shù)據(jù)的發(fā)送量將大大地節(jié)約能源。采用合理的路由算法與信道接入方式也是節(jié)能的關(guān)鍵。

2.2 WSN節(jié)點微型化技術(shù)

WSN節(jié)點微型化技術(shù)在現(xiàn)階段還集中在硬件電路的設(shè)計上，通過采用體積小、功耗低的芯片與器件和采用模塊化的設(shè)計與分層布線的方法會使體積盡量減小，然而隨著MEMS（微電子機械系統(tǒng)）技術(shù)的日趨成熟，在不久的將來，WSN節(jié)點體積將會越來越小。

2.3 WSN組網(wǎng)技術(shù)

WSN其本質(zhì)是基于Ad hoc技術(shù)的自組織網(wǎng)絡(luò)，在WSN的布設(shè)區(qū)域（比如野外的高壓儲氣罐群）沒有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，必須通過WSN節(jié)點的自組織來形成一個無線的傳輸網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并通過相關(guān)數(shù)據(jù)的匯聚和融合，從而把相應(yīng)的測試對象的參數(shù)傳遞到監(jiān)控中心。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的首要目標是提供高的服務(wù)質(zhì)量和高效利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，其次才考慮節(jié)約能量，而WSN的首要目標是高效使用能量，延長網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存期。因此，已有網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不能用于WSN。所以，必須設(shè)計和研究新的面向數(shù)據(jù)的低功耗、自組織的信息傳輸路徑的建立機制和網(wǎng)絡(luò)管理方案，并且滿足如下的技術(shù)要求：