無線傳感器網絡是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，其目的是協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區(qū)域內感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。大量的傳感器節(jié)點將探測數據，通過匯聚節(jié)點經其它網絡發(fā)送給了用戶。在這個定義中，傳感器網絡實現了數據采集、處理和傳輸的三種功能，而這正對應著現代信息技術的三大基礎技術，即傳感器技術、計算機技術和通信技術。
發(fā)展階段
第一階段：最早可以追溯二十世紀70年代越戰(zhàn)時期使用的傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。當年美越雙方在密林覆蓋的“胡志明小道”進行了一場血腥較量，這條道路是胡志明部隊向南方游擊隊源源不斷輸送物資的秘密通道，美軍曾經絞盡腦汁動用航空兵狂轟濫炸,但效果不大。后來，美軍投放了2萬多個“熱帶樹”傳感器。所謂“熱帶樹”實際上是由震動和聲響傳感器組成的系統(tǒng)，它由飛機投放，落地后插入泥土中，只露出偽裝成樹枝的無線電天線，因而被稱為“熱帶樹”。只要對方車隊經過，傳感器探測出目標產生的震動和聲響信息，自動發(fā)送到指揮中心，美機立即展開追殺，總共炸毀或炸壞4.6萬輛卡車。
第二階段是二十世紀80年代至90年代之間。主要是美軍研制的分布式傳感器網絡系統(tǒng)、海軍協同交戰(zhàn)能力系統(tǒng)、遠程戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)等。這種現代微型化的傳感器具備感知能力、計算能力和通信能力。因此在1999年，商業(yè)周刊將傳感器網絡列為21世紀最具影響的21項技術之一。
第三階段：21世紀開始至今。也就是本課開始介紹的911事件發(fā)生之后。這個階段的傳感器網絡技術特點在于網絡傳輸自組織、節(jié)點設計低功耗。除了應用于情報部門反恐活動以外，在其它領域更是獲得了很好的應用，所以2002年美國國家重點實驗室－－橡樹嶺實驗室提出了“網絡就是傳感器”的論斷。由于無線傳感網在國際上被認為是繼互聯網之后的第二大網絡，2003年美國《技術評論》雜志評出對人類未來生活產生深遠影響的十大新興技術，傳感器網絡被列為第一。在現代意義上的無線傳感網研究及其應用方面，我國與發(fā)達國家?guī)缀跬絾樱呀洺蔀槲覈畔㈩I域位居世界前列的少數方向之一。在2006年我國發(fā)布的《國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要》中，為信息技術確定了三個前沿方向，其中有兩項就與傳感器網絡直接相關，這就是智能感知和自組網技術。當然，傳感器網絡的發(fā)展也是符合計算設備的演化規(guī)律。
傳感器網絡的特點
大規(guī)模網絡。為了獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點數量可能達到成千上萬，甚至更多。傳感器網絡的大規(guī)模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節(jié)點分布在很大的地理區(qū)域內，如在原始大森林采用傳感器網絡進行森林防火和環(huán)境監(jiān)測，需要部署大量的傳感器節(jié)點；另一方面，傳感器節(jié)點部署很密集，在一個面積不是很大的空間內，密集部署了大量的傳感器節(jié)點。傳感器網絡的大規(guī)模性具有如下優(yōu)點：通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量的采集信息能夠提高監(jiān)測的精確度，降低對單個節(jié)點傳感器的精度要求；大量冗余節(jié)點的存在，使得系統(tǒng)具有很強的容錯性能；大量節(jié)點能夠增大覆蓋的監(jiān)測區(qū)域，減少洞穴或者盲區(qū)。
自組織網絡。在傳感器網絡應用中，通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎結構的地方。傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定，節(jié)點之間的相互鄰居關系預先也不知道，如通過飛機播撒大量傳感器節(jié)點到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達或危險的區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協議自動形成轉發(fā)監(jiān)測數據的多跳無線網絡系統(tǒng)。在傳感器網絡使用過程中，部分傳感器節(jié)點由于能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，也有一些節(jié)點為了彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度而補充到網絡中，這樣在傳感器網絡中的節(jié)點個數就動態(tài)地增加或減少，從而使網絡的拓撲結構隨之動態(tài)地變化。傳感器網絡的自組織性要能夠適應這種網絡拓撲結構的動態(tài)變化。
動態(tài)性網絡。傳感器網絡的拓撲結構可能因為下列因素而改變環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點出現故障或失效；環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至時斷時通；傳感器網絡的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；新節(jié)點的加入。這就要求傳感器網絡系統(tǒng)要能夠適應這種變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構性。
可靠的網絡。傳感器網絡特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域，傳感器節(jié)點可能工作在露天環(huán)境中，遭受太陽的暴曬或風吹雨淋，甚至遭到無關人員或動物的破壞。傳感器節(jié)點往往采用隨機部署，如通過飛機撒播或發(fā)射炮彈到指定區(qū)域進行部署。這些都要求傳感器節(jié)點非常堅固，不易損壞，適應各種惡劣環(huán)境條件。由于監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點數目巨大，不可能人工“照顧”每個傳感器節(jié)點，網絡的維護十分困難甚至不可維護。傳感器網絡的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監(jiān)測數據被盜取和獲取偽造的監(jiān)測信息。因此，傳感器網絡的軟硬件必須具有魯棒性和容錯性。
應用相關的網絡。傳感器網絡用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量。客觀世界的物理量多種多樣，不可窮盡。不同的傳感器網絡應用關心不同的物理量，因此對傳感器的應用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。
不同的應用背景對傳感器網絡的要求不同，其硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網絡協議必然會有很大差別。所以傳感器網絡不能像Internet一樣，有統(tǒng)一的通信協議平臺。對于不同的傳感器網絡應用雖然存在一些共性問題，但在開發(fā)傳感器網絡應用中，更關心傳感器網絡的差異。只有讓系統(tǒng)更貼近應用，才能做出最高效的目標系統(tǒng)。針對每一個具體應用來研究傳感器網絡技術，這是傳感器網絡設計不同于傳統(tǒng)網絡的顯著特征。
目前的互聯網是先有計算機終端系統(tǒng)，然后再互聯成為網絡，終端系統(tǒng)可以脫離網絡獨立存在。在互聯網中，網絡設備用網絡中惟一的IP地址標識，資源定位和信息傳輸依賴于終端、路由器、服務器等網絡設備的IP地址。如果想訪問互聯網中的資源，首先要知道存放資源的服務器IP地址。可以說目前的互聯網是一個以地址為中心的網絡。
傳感器網絡是任務型的網絡，脫離傳感器網絡談論傳感器節(jié)點沒有任何意義。傳感器網絡中的節(jié)點采用節(jié)點編號標識，節(jié)點編號是否需要全網惟一取決于網絡通信協議的設計。由于傳感器節(jié)點隨機部署，構成的傳感器網絡與節(jié)點編號之間的關系是完全動態(tài)的，表現為節(jié)點編號與節(jié)點位置沒有必然聯系。用戶使用傳感器網絡查詢事件時，直接將所關心的事件通告給網絡，而不是通告給某個確定編號的節(jié)點。網絡在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。這種以數據本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習慣。所以通常說傳感器網絡是一個以數據為中心的網絡。
例如，在應用于目標跟蹤的傳感器網絡中，跟蹤目標可能出現在任何地方，對目標感興趣的用戶只關心目標出現的位置和時間，并不關心哪個節(jié)點監(jiān)測到目標。事實上，在目標移動的過程中，必然是由不同的節(jié)點提供目標的位置消息。
網絡協議棧。無線傳感器網絡多采用五層協議標準：應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層。與互聯網協議棧的五層協議相對應。另外，協議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協同工作，在節(jié)點移動的傳感器網絡中轉發(fā)數據，并支持多任務和資源共享。
各層協議和平臺的功能：物理層提供簡單但健壯的信號調制和無線收發(fā)技術；數據鏈路層負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制；網絡層主要負責路由生成與路由選擇；傳輸層負責數據流的傳輸控制，是保證通信服務質量的重要部分；應用層包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件；能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協議層都需要考慮節(jié)省能量；移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置；任務管理平臺在一個給定的區(qū)域內平衡和調度監(jiān)測任務。
安全需求
在設計傳感器網絡時，要充分考慮通信和信息安全，結合傳感器網絡的特點，滿足其獨特的安全需求。
數據機密性。數據機密性是重要的網絡安全需求，要求所有敏感信息在存儲和傳輸過程中都要保證其機密性，不得向任何非授權用戶泄露信息的內容。
數據完整性。有了機密性保證，攻擊者可能無法獲取信息的真實內容，但接收者并不能保證其收到的數據是正確的，因為惡意的中間節(jié)點可以截獲、篡改和干擾信息的傳輸過程。通過數據完整性鑒別，可以確保數據傳輸過程中沒有任何改變。
數據新鮮性。數據新鮮性問題是強調每次接收的數據都是發(fā)送方最新發(fā)送的數據，以此杜絕接收重復的信息。保證數據新鮮性的主要目的是防止重放(Replay)攻擊。
可用性。可用性要求傳感器網絡能夠隨時按預先設定的工作方式向系統(tǒng)的合法用戶提供信息訪問服務，但攻擊者可以通過偽造和信號干擾等方式使傳感器網絡處于部分或全部癱瘓狀態(tài)，破壞系統(tǒng)的可用性，如拒絕服務(DenialofService)攻擊。
魯棒性。無線傳感器網絡具有很強的動態(tài)性和不確定性，包括網絡拓撲的變化、節(jié)點的消失或加入、面臨各種威脅等，因此，無線傳感器網絡對各種安全攻擊應具有較強的適應性，即使某次攻擊行為得逞，該性能也能保障其影響最小化。
訪問控制。訪問控制要求能夠對訪問無線傳感器網絡的用戶身份進行確認，確保其合法。
主要用途
雖然無線傳感器網絡的大規(guī)模商業(yè)應用，由于技術等方面的制約還有待時日，但是最近幾年，隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經為數不少的無線傳感器網絡開始投入使用。目前無線傳感器網絡的應用主要集中在以下領域。
環(huán)境的監(jiān)測和保護
隨著人們對于環(huán)境問題的關注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數據也越來越多，無線傳感器網絡的出現為隨機性的研究數據獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數據收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。比如，英特爾研究實驗室研究人員曾經將32個小型傳感器連進互聯網，以讀出緬因州"大鴨島"上的氣候，用來評價一種海燕巢的條件。無線傳感器網絡還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農作物的影響，監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應用在精細農業(yè)中，來監(jiān)測農作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。
醫(yī)療護理
無線傳感器網絡在醫(yī)療研究、護理領域也可以大展身手。羅徹斯特大學的科學家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個智能醫(yī)療房間，使用微塵來測量居住者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天24小時的活動狀況。英特爾公司也推出了無線傳感器網絡的家庭護理技術。該技術是做為探討應對老齡化社會的技術項目（CAST）的一個環(huán)節(jié)開發(fā)的。該系統(tǒng)通過在鞋、家具以家用電器等家中道具和設備中嵌入半導體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。利用無線通信將各傳感器聯網可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理。而且還可以減輕護理人員的負擔。英特爾主管預防性健康保險研究的董事EricDishman稱，"在開發(fā)家庭用護理技術方面，無線傳感器網絡是非常有前途的領域"。
軍事領域
由于無線傳感器網絡具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方面用途。美國國防部遠景計劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學進行"智能塵埃"傳感器技術的研發(fā)。哈伯研究公司總裁阿爾門丁格預測：智能塵埃式傳感器及有關的技術銷售將從2004年的1000萬美元增加到2010年的幾十億美元。
目標跟蹤
DARPA支持的ScnsorIT項目探索如何將WSN技術應用于軍事領域，實現所謂“超視距”戰(zhàn)場監(jiān)測。UCB的教授主持的SensorWeb是SensorIT的一個子項目．原理性地驗證了應用WSN進行戰(zhàn)場目標跟蹤的技術可行性，翼下攜帶WSN節(jié)點的無人機(UAV)飛到目標區(qū)域后拋下節(jié)點，最終隨機布撤落在被監(jiān)測區(qū)域，利用安裝在節(jié)點上的地震波傳感器可以探測到外部日標，如坦克、裝甲車等，并根據信號的強弱估算距離，綜合多個節(jié)點的觀測數據，最終定位目標，并繪制出其移動的軌跡。雖然該演示系統(tǒng)在精度等方面還遠達不到裝備部隊用于實戰(zhàn)的要求，這種戰(zhàn)場偵察模式目前還沒有真正應用于實戰(zhàn)，但隨著美國國防部將其武器系統(tǒng)研制的主要技術目標從精確制導轉向目標感知與定位，相信WSN提供的這種新穎的戰(zhàn)場偵察模式會受到軍方的關注。
其他用途
無線傳感器網絡還被應用于其他一些領域。比如一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監(jiān)測。也可以用在交通領域作為車輛監(jiān)控的有力工具。此外和還可以在工業(yè)自動化生產線等諸多領域，英特爾正在對工廠中的一個無線網絡進行測試，該網絡由40臺機器上的210個傳感器組成，這樣組成的監(jiān)控系統(tǒng)將可以大大改善工廠的運作條件。它可以大幅降低檢查設備的成本，同時由于可以提前發(fā)現問題，因此將能夠縮短停機時間，提高效率，并延長設備的使用時間。盡管無線傳感器技術目前仍處于初步應用階段，但已經展示出了非凡的應用價值，相信隨著相關技術的發(fā)展和推進，一定會得到更大的應用。
