第一章 无线传感网与TinyOS

    （1）军事领域

    1978年美国国防部高等计划研究署在宾夕法尼亚州匹兹堡的卡耐基梅隆大学主办的分布式传感器网络研讨会上，提出对传感器网络展开研究。各军事部门和研究机构从20世纪90年代开始了对无线传感网络的研究，并有针对性地设立了一系列军事传感器网络研究项目。1998年由包括加州大学伯克利分校、麻省理工、哈佛在内的25个研究机构共同承担致力于研究大规模分布式军事传感系统的无线专用网络的SensIT（Sensor Information Technology）项目。1999年开始并于2001年完成的Smart Dust项目，研制出了体积不超过1立方毫米、使用太阳能电池供电、具有光通信能力、可悬浮于空中的自治传感器节点。该节点可用于隐蔽式战场监视，将重要的情报秘密发送给中央指挥控制中心。

    2001年美国陆军提出了“灵巧传感器网络通信”计划，很大程度上提高了对战场态势的感知能力。2002年5月，美国Sandia国家实验室与美国能源部合作，共同研究防范生化武器袭击的系统，这属于美国能源部恐怖对策项目的重要环节。2005年美军试验成功的“狼群”地面无线传感器网络标志着电子战领域的最新技术突破。美国海军最近确立了“传感器组网系统”研究项目，该系统是一套实时数据库管理系统，能够部署到各级指挥单位。美国空军展开了对WSN相关方面的研究，旨在为部队官兵提供战场威胁的实时信息、增强其战场状态感知能力。

    （2）工业领域

    在工业领域，1995年美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”，试图有效集成先进的信息技术、数据通信技术、传感技术、控制技术及计算机处理技术，建立大范围全方位实时高效的综合交通运输管理系统，并预计到2025年全面投入使用。

    作为信息业巨头，Intel和Microsoft也开始了对WSN应用方面的研究。Intel公司于2002年10月24日发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、行星探测等领域的应用，预计用三个阶段来实现该计划，即物理阶段、实现阶段和应用阶段。物理阶段主要用于开发集成感知、计算和通信功能的超微型传感器；实现阶段将在实际商务中使用来自传感网的感知数据；应用阶段将无线传感网络用于预防医学、环境监测及灾害对策等领域。

    2002～2005年的欧洲研究计划—EYES（Energy efficient sensor networks）项目中，包括来自荷兰、法国、意大利和德国的研究机构，主要研究了能量有效的自组织协同传感网络的问题，解决了无线分布式信息采集、处理和传输的问题，提出了体系结构和相关技术，使新一代的传感器节点能够有效组网，并为大量异构的移动传感网络提供平台。2005年Microsoft在印度设立了传感器研发中心，旨在地理信息系统、多语言系统和传感器网络领域开展研究，为新兴的市场提供技术。

    （3）学术领域

    在学术领域，2003年美国自然科学基金委员会（NSF）制定了无线传感器网络研究计划，并一期资助4000万美元在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心（CESN），联合周边大学开展“嵌入式智能网络传感器”研究项目。在NSF的推动和帮助下，加州大学伯克利分校、麻省理工、波士顿大学等研究机构率先开展了无线传感网络的关键技术和基础理论的研究工作，以求利用传感器网络对我们生活的物理世界实现全方位的测试与控制，支持相关基础理论的研究。同时，这也是美国国情咨文中有关Internet2最主要的远景规划之一。几乎美国所有著名院校都有研究小组在从事传感器网络相关技术的研究，德国、英国、芬兰和意大利等国家的研究机构也开始了传感器网络的研究工作。

    我国的无线传感网络及其应用研究起于1999年中国科学院《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，并成为该领域提出的五个重大项目之一，是我国科技领域内少数位于世界前列的方向之一。中国科学院上海微系统研究所、软件研究所、电子所和自动化所等科研机构，清华大学、上海交通大学、北京邮电大学和天津大学等院校，中国移动、华为等大型企业都较早开展了无线传感网络的研究。《国家中长期科学与技术发展规划》的重大专项、优先发展主题、科技前沿等部分，都将无线传感网络作为重点研究项目。目前，国家重大基础研究发展计划973计划、国家自然科学基金和国家863高技术计划也都有项目资助无线传感网络领域的基础理论和关键技术研究。

    1.1.2  无线传感网的特点与优势

    无线传感器网络与传统的无线网络（如Ad hoc网络、Wi-Fi、Wimax和GSM等)有着不同的设计理念，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证；而无线传感器网络中除少数节点需要移动外，大部分节点都是静止的。研究表明：无线传感器网络与传统无线网络有着明显不同的技术要求，前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。一些为自组织的Ad hoc网络设计的协议和算法并不适合传感器网络的特点和应用的要求。所以说无线传感器网络是一种自身特点明显、不同于传统网络体系结构的新型网络。

    1．无线传感网的特点

    （1）网络中的节点数量多、规模大

    由于无线传感网络节点的通信能力、感知范围和能量有限，且实际工作中为了节能，大部分节点是处于休眠状态的，所以往往需要布设大量的传感器节点来保证网络的容错性和抗毁性，特别是军事应用时，通常在监测区域布设大量的传感器节点，节点数以千计且分布非常密集。大量密集的传感器节点可以通过不同空间视角获得具有大信噪比的信息；分布式处理大量的采集信息可以降低对单个传感器节点的精度要求；能够增大监测范围，减少盲区；通过节点的密集布设对其节点进行合理的休眠调度，可以有效延长网络的工作时间。

    （2）微型化、集成度高、价格低廉的传感器节点

    微机电系统（MEMS）技术和低功耗电子技术的发展，使开发功耗低、体积小、价格低廉并集成有微传感器或执行器、微处理器和无线通信等多种功能部件的无线传感器网络节点成为可能，为无线传感器网络的诞生提供了重要的技术条件。上述的节点特征也成为了无线传感器节点的一大特色。

    （3）协作式网络

    协作是无线传感器网络执行任务的基本工作方式，一般包括协作式信息采集、协作式信息处理、协作式信息存储、协作式信息传输等。通过协作，多个相同或不同类型的传感器节点可以从不同的空间位置或不同的现象角度（如物理现象、化学现象等）共同对感知对象进行感知，获得更为精确、完整的信息；通过协作，传感器节点可以克服自身处理和存储能力受限的不利因素，在多个节点的共同协作下完成对复杂任务的感知功能；通过协作，传感器节点之间可以通过多跳中继转发实现远距离通信，也可以通过多节点协作发射、多节点协作接收等机制，实现延伸通信距离、改善通信质量、降低网络能耗等目的。