引言：

        傳感器的成本很低，但覆蓋范圍小、測量準確度差。因此，在實際的應(yīng)用中，通常需要成千上萬的微傳感器協(xié)同工作。在這種需求的驅(qū)動下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念出現(xiàn)了。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生
　　人類進入二十一世紀以后，微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)、低能耗的模擬和數(shù)字電路技術(shù)、低能耗的無線電射頻（RF）技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展使得開發(fā)小體積、低成本、低功耗的微傳感器成為可能。這種新型的微傳感器一般裝備有：一個傳感模塊（如：聲、光、磁、視覺等）用于感知周圍世界中的物理量，一個計算模塊用于處理傳感模塊采集的信號，一個無線電收發(fā)模塊用于通信和一個電源模塊為微傳感器的各種操作提供能量。這種微傳感器的體積小、重量輕，甚至可以在空氣中浮動。
　　與傳統(tǒng)的大型傳感器相比，微傳感器的成本很低，但覆蓋范圍小、測量準確度差。因此，在實際的應(yīng)用中，通常需要成千上萬的微傳感器協(xié)同工作。在這種需求的驅(qū)動下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念出現(xiàn)了。
　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量無處不在的，具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點密集部署在監(jiān)控區(qū)域而構(gòu)成的自治網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由于規(guī)模很大，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)很難像傳統(tǒng)傳感器系統(tǒng)那樣，由人工進行精確的部署和管理，而更多的是表現(xiàn)出一種自主完成任務(wù)的“智能”性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為人們提供了一種低成本、全方位感知物理世界的方法，引發(fā)了測控領(lǐng)域的深刻變革。
　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注。1999年，著名的美國商業(yè)周刊將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為二十一世紀最具影響的21項技術(shù)之一；2003年，MIT技術(shù)評論Technology Review在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的報告中，將其列為改變世界的10大新技術(shù)之一；2003年，美國商業(yè)周刊又在其“未來技術(shù)專版”中發(fā)表文章指出，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是全球未來的四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，將掀起新的產(chǎn)業(yè)浪潮。
　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對工業(yè)自動化領(lǐng)域的影響
　　在計算機、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的推動下，工業(yè)通信技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了20世紀六七十年代的模擬儀表控制系統(tǒng)、20世紀八九十年代的集散控制系統(tǒng)（DCS）和20世紀末的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）階段，正朝著智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向不斷發(fā)展。隨著測控系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，降低投資和使用成本成為工業(yè)通信技術(shù)發(fā)展新階段的迫切要求。據(jù)美國市場研究機構(gòu)Freedonia集團統(tǒng)計，2001年全球工業(yè)用傳感器的市場份額是110億美元，而安裝和使用成本（主要是布線成本）超過1000億美元，成為阻礙工業(yè)通信技術(shù)發(fā)展的主要難題。在這一背景下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低成本、易用、泛在感知等特征引起了人們廣泛的關(guān)注。
　　美國能源部（DOE）在2002年發(fā)布的“面向21世紀的工業(yè)無線技術(shù)”白皮書中首次提出將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，并將適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境使用，具有很強的抗干擾能力、超低能耗、實時通信等特點的一類特殊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)稱為工業(yè)無線技術(shù)。
　　利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低成本、易用和泛在感知等特征，人們可以以較低的投資和使用成本實現(xiàn)對工業(yè)全流程的全面監(jiān)測，獲取傳統(tǒng)由于成本原因無法在線監(jiān)測的重要工業(yè)過程參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)實施優(yōu)化控制，來達到提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低工業(yè)生產(chǎn)過程中的跑冒滴漏、提高能源效率的目標。美國能源部（DOE）在2004年發(fā)布“未來工業(yè)計劃”（IOF）中指出：基于工業(yè)無線技術(shù)的低成本測控系統(tǒng)是實現(xiàn)到2020年美國工業(yè)整體能耗降低5％目標的主要手段，代表著工業(yè)自動化系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展方向，將在在石油天然氣開采、石化、冶金、污水處理等高耗能、高污染行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景。美國總統(tǒng)科技顧問委員會在“面向21世紀的聯(lián)邦能源研究與發(fā)展規(guī)劃”中指出：工業(yè)無線技術(shù)的廣泛應(yīng)用將使工業(yè)生產(chǎn)效率提高10％，并使排放和污染降低25％。
　　工業(yè)無線技術(shù)需求與挑戰(zhàn)
　　與面向商用的無線技術(shù)不同，面向工業(yè)自動化應(yīng)用的無線技術(shù)需要滿足以下需求：
　　■ 高可靠性：大部分的工業(yè)控制應(yīng)用要求數(shù)據(jù)的可靠傳輸率要超過95%。但是在工業(yè)現(xiàn)場使用無線通信來實現(xiàn)高可靠傳輸面臨以下挑戰(zhàn)，一方面，工廠環(huán)境中往往存在IEEE802.11、藍牙、IEEE802.15.4等多種類型的無線網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)大都集中在2.4GHz的ISM共享頻段上，彼此間存在嚴重干擾；另一方面，工業(yè)環(huán)境中的射頻通信條件較為惡劣，廠房中遍布的各種大型器械、金屬管道等對信號的反射、散射造成的多徑效應(yīng)，以及馬達、器械運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的電磁噪聲，都會干擾無線信號的正確接收。
　　■ 嚴格實時性：對于工業(yè)閉環(huán)控制應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸延遲應(yīng)低于1.5倍的傳感器采樣時間。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成本很低，通常沒有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的支撐，設(shè)備間的通信需要通過多跳接力的方式進行，保證端到端通信的確定性比較困難。
　　■ 低能耗：用于對工業(yè)全流程進行泛在感知的無線傳感器節(jié)點由于成本的限制通常不采用外接電源的方式，而是靠自身攜帶的電池供電。從運行和維護成本方面考慮，節(jié)點的電池壽命應(yīng)達到3至5年。無線傳感器節(jié)點的能耗由感知、計算和通信三部分組成，如何利用最少的能源實現(xiàn)信息采集任務(wù)是工業(yè)無線技術(shù)必須解決的問題。

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