(5)以數(shù)據(jù)為中心（data centric）
    在傳感器網(wǎng)絡(luò)中人們只關(guān)心某個(gè)區(qū)域的某個(gè)觀測指標(biāo)的值，而不會去關(guān)心具體某個(gè)節(jié)點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，比如說人們可能希望知道“檢測區(qū)域的東北角上的溫度是多少”，而不會關(guān)心“節(jié)點(diǎn)8所探測到的溫度值是多少”。這就是傳感器網(wǎng)絡(luò)的以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)是和節(jié)點(diǎn)的物理地址聯(lián)系起來的，以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)要求傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠脫離傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過程，快速有效的組織起各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶。

    現(xiàn)在已經(jīng)有一些致力于傳感器網(wǎng)絡(luò)的公司，如美國的Crossbow公司和Dust公司等，其中Crossbow公司已經(jīng)推出了Mica系列傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品[7]，到現(xiàn)在已經(jīng)有了Mica，Mica2，Mica2Dot三種產(chǎn)品。他們還為Mica開發(fā)了一套微型的操作系統(tǒng)TinyOS[8-9]。Mica2Dot的大小和一枚硬幣差不多，每個(gè)Mica2可以分為兩個(gè)模塊，一個(gè)是基本的射頻和處理模塊MPR（Mote Processor Radio Board），另一個(gè)是可選的傳感模塊MDA（Mote Data Acquisition Board）。Mica2工作在915MHz的ISM頻段上，有兩個(gè)可調(diào)的工作頻率：914.007MHz和915.998MHz。以AA電池或鈕扣電池作為能源，Atmel Atmega 微控制器的工作頻率為4MHz，無線通信的最大速率為40Kbps，單個(gè)節(jié)點(diǎn)之間最大的通信距離為200英尺（約60米）。現(xiàn)在關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的大多數(shù)科研和演示系統(tǒng)都是以Mica為平臺的。

    由于傳感器網(wǎng)絡(luò)需要大規(guī)模鋪設(shè)，要求每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的成本很低，要達(dá)到實(shí)用化要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)的價(jià)格控制在1美元以下，現(xiàn)在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的造價(jià)大約在80美元左右，但是相信隨著集成技術(shù)的進(jìn)一步提高和大規(guī)模生產(chǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)效益，傳感器節(jié)點(diǎn)的成本將會很快下降。另一方面由于節(jié)點(diǎn)的微型化要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)的體積越來越小，Dust公司已經(jīng)開始設(shè)計(jì)最終能夠懸浮于空氣中的“靈巧微塵”（smart dust）傳感器，現(xiàn)已設(shè)計(jì)出的最小全功能“靈巧微塵”的直徑只有5mm左右，他們計(jì)劃將在1年之內(nèi)最終設(shè)計(jì)出體積不大于1mm3的產(chǎn)品。

2  傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

    傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用十分重要，軍方可以通過飛機(jī)空投等方式在預(yù)定區(qū)域散布大量微型廉價(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過這些傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測周圍環(huán)境的變化，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星信道等方式發(fā)送回基地。這樣就可以方便地監(jiān)控我軍布防的陣地是否有敵軍入侵，也可以將網(wǎng)絡(luò)布置在敵方陣地上，以隱密的方式監(jiān)控?cái)撤疥嚨睾蛿耻娀顒忧闆r。現(xiàn)代戰(zhàn)爭越來越表現(xiàn)出信息戰(zhàn)的特點(diǎn)，戰(zhàn)爭中信息的及時(shí)獲取和反應(yīng)對整個(gè)戰(zhàn)局的影響至關(guān)重要，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)可以給指揮部門提供及時(shí)準(zhǔn)確的信息，這對增強(qiáng)國家的國防軍事力量是非常重要的。

    雖然傳感器網(wǎng)絡(luò)最初主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，傳感器節(jié)點(diǎn)的成本越來越低，而功能卻日益強(qiáng)大，使得以前造價(jià)昂貴的傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在已經(jīng)能夠進(jìn)入民用領(lǐng)域。現(xiàn)在傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在民用領(lǐng)域中得到了很多應(yīng)用，越來越多的可能的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷展現(xiàn)在人們的面前，毫無疑問在傳感器網(wǎng)絡(luò)中隱藏著巨大的商機(jī)。傳感器網(wǎng)絡(luò)在民用方面的應(yīng)用主要有：生態(tài)環(huán)境監(jiān)測；基礎(chǔ)設(shè)施安全；先進(jìn)制造；物流管理；醫(yī)療健康；工業(yè)傳感；智能交通控制；智能能源等。傳感器網(wǎng)絡(luò)還有很多其他方面的應(yīng)用，前景無限，這里就不一一列舉了。可以肯定的是，隨著技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)必將會越來越多的應(yīng)用到社會生活的各個(gè)方面。

3  傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究態(tài)勢

    傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)性也為研究人員提供了廣闊的研究空間。雖然美國很早就開始這方面的研究，但直到近幾年，這方面的研究活動才在各大學(xué)及研究所蓬勃開展起來。美國政府也斥巨資支持這方面的研究。在2003年度的自然科學(xué)基金自主的專題中，便有一個(gè)是傳感器與傳感器系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)，撥款額度達(dá)到三千四百萬美元。美國國防部在這方面的投入更為巨大。

    美國的很多大學(xué)都已開展傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。加州大學(xué)伯克利分校（University of California, Berkeley）研制的傳感器系統(tǒng)Mica、Mica2、Mica2Dot已被廣泛地用于低能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)。麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology）致力于基于知識的信號處理技術(shù)。哈佛大學(xué)（Harvard University）研究傳感器網(wǎng)絡(luò)中通訊的理論基礎(chǔ)等。

    在其它國家和地區(qū)，如歐洲、日本、澳大利亞也開展了不少關(guān)于傳感器及傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究工作。

    國內(nèi)的一些科研單位和大學(xué)，如清華大學(xué)、中國科學(xué)院沈陽自動化所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等已經(jīng)初步開展了在傳感器及傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作。從總體來講，國內(nèi)關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究還處于剛剛起步的階段，但是由于傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新興技術(shù)，國內(nèi)與國際水平的差距并不很大，及時(shí)開展這項(xiàng)對人類未來生活影響深遠(yuǎn)的前沿科技的研究，對整個(gè)國家的社會、經(jīng)濟(jì)將有重大的戰(zhàn)略意義。

4  目標(biāo)檢測問題中的一些研究成果

    傳感器網(wǎng)絡(luò)最初主要是應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，其中一個(gè)很重要的應(yīng)用就是敵方軍事目標(biāo)的檢測與跟蹤。通過飛行器等運(yùn)輸工具在預(yù)定區(qū)域隨機(jī)散布大量傳感器節(jié)點(diǎn)以組成傳感器網(wǎng)絡(luò)來實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)撤杰娛履繕?biāo)的行蹤，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域里的一個(gè)重要的研究方向。在傳感器網(wǎng)絡(luò)布置的時(shí)候，如何合理布置傳感器網(wǎng)絡(luò)以保證有足夠高的概率能夠檢測到進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域的目標(biāo)，這就是傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)檢測問題[10-11]。

    筆者就傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)檢測問題進(jìn)行了研究，建立數(shù)學(xué)模型并研究了傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測到目標(biāo)的概率與傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)、檢測半徑、工作忙閑比、單位工作時(shí)間等參數(shù)之間的關(guān)系，并給出了理論公式，為傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和布置提供了理論指導(dǎo)。此項(xiàng)研究的學(xué)術(shù)成果將另文詳細(xì)報(bào)道，下面只給出該問題的一些基本背景知識和筆者所得到的關(guān)于目標(biāo)檢測概率的理論成果。

    考慮邊長為L的正方形區(qū)域中隨機(jī)均勻散布的N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的工作機(jī)制是：選定一個(gè)固定的單位工作時(shí)間UT，在每個(gè)UT開始的時(shí)候以小概率 a（稱為工作忙閑比）選擇讓傳感器在當(dāng)前UT內(nèi)工作，而以概率 選擇讓傳感器在當(dāng)前UT內(nèi)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，各個(gè)傳感器工作狀態(tài)的選擇相互獨(dú)立。傳感器網(wǎng)絡(luò)的這種工作機(jī)制是為了通過大量傳感器節(jié)點(diǎn)的交替工作來節(jié)省能量、延長每個(gè)傳感器的使用壽命，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)能量優(yōu)化的一種常用方法。假定目標(biāo)以勻速v沿直線通過檢測區(qū)域，當(dāng)目標(biāo)處于傳感器的檢測半徑r內(nèi)時(shí)（r<<L），只要傳感器處于工作狀態(tài)，則一定能夠檢測到目標(biāo)。我們需要研究傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)參數(shù)與目標(biāo)檢測概率之間的關(guān)系，為傳感器網(wǎng)絡(luò)的布置提供理論指導(dǎo)。

圖3  傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)檢測概率圖示

    通過對這個(gè)問題建立數(shù)學(xué)模型并分析得到如下關(guān)于目標(biāo)檢測概率與各個(gè)參數(shù)之間的近似關(guān)系式：

 ，其中D是目標(biāo)在檢測區(qū)域中運(yùn)動軌跡的長度，在圖3中可知 D=(1-y)/cosθ，y為目標(biāo)進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域時(shí)縱坐標(biāo)（圖3中的y坐標(biāo)）的值，其他參數(shù)的意義前面已有說明。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該公式的正確性。

    在敵對或嚴(yán)酷的自然環(huán)境中，配置傳感器網(wǎng)絡(luò)的困難顯而易見。然而，恰恰是在這樣的環(huán)境條件下，傳感器網(wǎng)絡(luò)更顯得重要而不可或缺。筆者的模型所采用的隨機(jī)配置的方式不僅可應(yīng)用在軍事上，對于環(huán)境（如河流，森林，氣候等）檢測也提供了廣泛的應(yīng)用前景。

    在此模型及已取得的研究成果的基礎(chǔ)上，筆者還將對傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通性，傳感器節(jié)點(diǎn)相互之間的協(xié)調(diào)合作、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)存取與分享等各方面進(jìn)行深入研究。相信研究工作將能取得更多更好的成果。

5  結(jié)語

    傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是影響人類未來生活的重要技術(shù)之一，這一新興技術(shù)結(jié)合了現(xiàn)有的多種先進(jìn)技術(shù)，為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的特點(diǎn)，使得它與現(xiàn)有的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間存在較大的區(qū)別，給人們提出了很多新的挑戰(zhàn)。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)對國家和社會意義重大，國外對于傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究正熱烈開展，希望本文能夠引起國內(nèi)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對這一新興技術(shù)的重視，推動對這一具有國家戰(zhàn)略意義的新技術(shù)的研究和發(fā)展。

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