第1章 无线传感器网络技术概述

1.1 WSN的发展

1.1.1 国外WSN的发展历程

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一个学科交叉综合、知识高度集成的前沿热点研究领域，正受到各方面的高度关注。特别是无线传感器网络在军事领域的应用引领着其发展方向。

二十世纪70年代，传感网研究的重点在国防项目上，如冷战时期的声音监测系统（Sound Surveillance System-SOSUS）、空中预警与控制系统（Air borne Warning and Control System-AWACS）等。最具代表性的是越战时期使用的传统传感器系统。1978年美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）在卡耐基-梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组，从而拉开了无线传感器网络研究的序幕。

二十世纪80年代至90年代之间，美国海军先后研制了协同交战能力系统（Cooperative Engagement Capability-CEC）、用于反潜的确定性分布系统（Fixed Distributed System-FDS）、高级配置系统（Advanced Deployment System-ADS）、远程战场传感器网络系统（Remote Battlefield Sensor System-REMBASS）以及战术远程传感器系统（Tactical Remote Sensor System）等无人看管的地面传感器网络系统。

1994年，加州大学洛杉矶分校的William J. Kaiser向DARPA提交建议书“Low Power Wireless Integrated Microsensors”成为无线传感器网络领域中的一个重要里程碑。

1998年，Gregory. J. Pottie阐释了WSN的科学意义。同年，DARPA巨资启动了SensIT项目，目标是实现“超视距”战场监测。

1999年，美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）提出了“网络就是传感器”（Network is Sensor）的论断。同年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。

2001年1月，《MIT技术评论》将WSN列于十种改变未来世界新兴技术之首。

2003年8月，《商业周刊》预测：WSN和其他三项信息技术将会在不远的将来掀起新的产业浪潮。

2004年《IEEE Spectrum》杂志发表一期专集：传感器的国度，论述WSN的发展和可能的广泛应用。

2004年，日本第一个提出“泛在”战略；2008年，进一步提出“u-japan xICT”政策。

2004年，韩国发表‘u-korea’计划，出台RFID/USN相关政策。

2005年，欧盟委员会公布i2010框架；2009年，欧盟及物联网领域的专业研究项目组先后颁布了多份规划欧洲物联网未来发展动向的相关报告。

2009年，在奥巴马就任总统后的首次美国工商业领袖圆桌会上，IBM首席执行官建议政府投资新一代的智能型基础设施，并提出了“智慧地球”的发展理念。这一理念涵盖范围包括银行金融、通信、电子、汽车、航天、能源、公共事业、政府管理、医疗保健、保险业、零售、交通运输等诸多日常生活中的基本领域。旨在将传感器嵌入和装配到电网、铁路、建筑、大坝、油气管道等各种物体中，形成物物相联，通过超级计算机和云计算将其整合，实现社会与物理世界融合。提议获得了奥巴马的积极肯定，并很快被提升为国家发展战略。

2009年，ISO/IEC JTC1成立WG7传感网标准工作组，负责传感网领域标准的制定工作。

2011年，ZigBee联盟宣布推出的Smart Energy应用标准，为先进计量基础设施提供标准规范，使得公用事业公司和政府很容易就能部署可靠、易于安装、可相互操作以及用户友好型的智能电网解决方案。同年，美国政府先后发布了先进制造伙伴计划、总统创新伙伴计划，将以物联网技术为基础的信息物理系统（Cyber-Physical System，CPS）列为扶持重点。

2013年，欧盟通过了“地平线2020”科研计划，旨在利用科技创新促进增长、增加就业，以塑造欧洲在未来发展的竞争新优势。“地平线2020”计划中，传感网/物联网领域的研发重点集中在传感器、架构、标识、安全和隐私等方面。2013年4月，在汉诺威工业博览会上，德国正式发布了关于实施“工业4.0”战略的建议。工业4.0将软件、传感器和通信系统集成于CPS，通过将物联网与服务引入制造业，改变制造业发展范式，重构全新的生产体系，形成新的产业革命。2013年，韩国政府发布了ICT（信息通信技术）研究与开发计划“ICT WAVE（信息通信技术浪潮计划）”，目标是未来5年投入8.5万亿韩元（约80亿美元），发展包括“物联网平台”的10大ICT关键技术和15项关键服务。

2014年3月，AT&T、思科、通用电气、IBM和Intel成立了工业互联网联盟（Industrial Internet Consortium，IIC），将促进物理世界和数字世界的融合，并推动大数据应用。IIC计划提出一系列物联网互操作标准，使设备、传感器和网络终端在确保安全的前提下变得可辨识、可互联、可互操作。未来工业互联网产品和系统可广泛应用于智能制造、医疗保健、交通等新领域。

《2013－2014年中国物联网发展年度报告》分析认为：2013年以来，传感技术、云计算、大数据、移动互联网融合发展，全球物联网应用已进入实质推进阶段。欧美日韩等国家和地区也在物联网技术、行业应用等方面取得重要进展，信息化、数字化、智能化成为新一轮技术革命的引领与方向。

1.1.2 国内WSN的发展

在现代意义上的无线传感网研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。在2006年我国发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》中，为信息技术确定了三个前沿方向，其中有智能感知和自组网技术两个方向就与传感器网络直接相关。也就是说，传感器网络是随着信息技术的发展而演化产生。

根据中国科学院知识创新工程方向性项目“中国未来20年技术预见研究”的研究成果写成的《技术预见报告2008》，对中国未来20年各个领域最重要的技术课题进行了详细的述评，报告所述信息领域157项技术课题中有7项与传感器网络直接相关。

2009年8月，温家宝总理到中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察时说，至少三件事情可以立刻去做，一是把传感器系统和3G中的TD技术结合起来；二是在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展；三是尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国心”。同年9月，传感网国家标准工作组在京成立。11月，温家宝总理在北京向首都科技界发表了题为《让科技引领中国可持续发展》的讲话，强调“要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的‘发动机’”。2010年、2011年国家相继成立了“国家传感网创新示范区”与“国家传感信息中心”，发布了《物联网“十二五”发展规划》，设立了“物联网专项资金项目”“国家物联网应用示范工程”“国家物联网重大应用示范工程”“智慧城市”等重大项目计划推进传感网/物联网技术的发展与应用。

2012年7月发布了《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》（国发〔2012〕28号）该规划指出，实施物联网与云计算创新发展工程，加快IPv4/IPv6网络互通设备，以及支持IPv6的高速、高性能网络和终端设备、支撑系统、网络安全设备、测试设备及相关芯片的研发和产业化。

2013年国家相继发布了《国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见》（国发〔2013〕7号）、《物联网发展专项行动计划（2013-2015）》（发改高技〔2013〕1718号），要求到2015年，实现物联网在经济社会重要领域的规模示范作用，突破一批核心技术，初步形成物联网产业体系，安全保障能力明显提高。实现物联网在经济社会各领域的广泛应用。

2015年，李克强总理在政府工作报告中提出制定“互联网+”行动计划，“互联网+”利用信息通信技术、无线传感器网络及互联网等平台，让传统行业和互联网行业进行深度融合，创造新发展生态。“互联网+”行动充分发挥互联网和传感网等新兴网络在生产要素配置中的优化和集成作用，将网络的创新成果深度融合于经济社会各领域之中，提升实体经济的创新力和生产力，形成更广泛的以传感网和互联网为基础设施和实现工具的经济发展模式。

以上表明，传感网和物联网技术已成为当前各国科技和产业竞争的热点，许多发达国家都加大对物联网技术和智慧型基础设施的投入与研发力度，力图抢占科技制高点。我国也及时地将传感网和物联网列为国家重点发展的战略性新兴产业之一。