無線傳感器網(wǎng)絡(luò)——放飛你的測量應(yīng)用
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自人類踏入信息時(shí)代，自然界的信息通過傳感器源源而來。而隨著技術(shù)的發(fā)展，人們已不滿足于原有單一的、獨(dú)立的傳感器系統(tǒng)。很多時(shí)候，我們需要將來自不同區(qū)域的信息聯(lián)合匯總，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場狀況的綜合判斷。
在農(nóng)場里，我們需要了解各處作物的灌溉情況，土壤空氣質(zhì)量，以確保農(nóng)作物健康生長；在礦區(qū)，我們需要知道瓦斯?jié)舛?，礦工位置以及地下礦場溫濕度，粉塵濃度以保證工人人身安全；在大型建筑中，我們又需要了解建筑各個(gè)位置受環(huán)境濕度，風(fēng)速的影響以及自身老化程度，以及時(shí)維護(hù)建筑的結(jié)構(gòu)健康。通常，在這些情況下，用來采集數(shù)據(jù)的傳感器被放置在相距上千米的位置，并且需要在長達(dá)幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)檢測工作，工作人員無法經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)。這時(shí)，長距離布線，數(shù)據(jù)的匯總，傳感器的遠(yuǎn)程配置，系統(tǒng)長期供電以及信號(hào)的安全性等都是工程師需要考慮的問題。
而隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)技術(shù)的發(fā)展，這些瓶頸被一一化解。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠獨(dú)立采集，并將數(shù)據(jù)匯總。根據(jù)應(yīng)用規(guī)模的不同，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目可以達(dá)到上萬，監(jiān)測超過幾十平方公里范圍內(nèi)的各類信號(hào)。
那么，究竟什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)呢？
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由獨(dú)立分布的節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)。安放在不同地點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)不斷采集著外界的物理信息，如溫度、聲音、震動(dòng)等。相互獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)之間通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠?qū)崿F(xiàn)采集，數(shù)據(jù)的簡單處理，還能接收來自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并最終將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。工程師可以從網(wǎng)關(guān)獲取數(shù)據(jù)，查看歷史數(shù)據(jù)記錄或進(jìn)行分析。通常，一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)包括：傳感器接口、ADC、微處理器、電源以及無線收發(fā)裝置。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)誕生于上世紀(jì)70年代，最早被應(yīng)用于美國軍方資助項(xiàng)目。經(jīng)過近30年的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用逐漸轉(zhuǎn)向民用，在森林、河流的環(huán)境監(jiān)測中、在建筑環(huán)境的智能化應(yīng)用中，以及一些無法放置有線傳感器的工業(yè)環(huán)境中都已經(jīng)出現(xiàn)了它的身影。在1999年和2003年，美國商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評(píng)論雜志相繼將其評(píng)價(jià)為21世紀(jì)最具影響力的20項(xiàng)技術(shù)以及改變世界的10大新技術(shù)。
作為一種針對(duì)應(yīng)用而開發(fā)的技術(shù)，在項(xiàng)目中選擇無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須考慮到實(shí)用性。構(gòu)建一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，必須要考慮以下四個(gè)重要的因素：網(wǎng)絡(luò)選擇，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功耗以及兼容性。
無線網(wǎng)絡(luò)的選擇
無線技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最關(guān)鍵的一個(gè)部分。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用中，通常采集節(jié)點(diǎn)被放置在相距較遠(yuǎn)的位置，甚至有時(shí)處于室外的采集節(jié)點(diǎn)無法連接到電網(wǎng)，所以在挑選無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，帶寬、傳輸距離以及功耗是三個(gè)主要考慮因素。
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)誕生之初，已有的無線協(xié)議很難滿足低功耗，低花費(fèi)，高容錯(cuò)性的要求。此時(shí)ZigBee技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。發(fā)展近10年來，ZigBee已被證明是最適合用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線技術(shù)：它擁有250kbps的帶寬，傳輸距離可達(dá)1km以上。并且功耗更小，采用普通AA電池就能夠支持設(shè)備在高達(dá)數(shù)年的時(shí)間內(nèi)連續(xù)工作。
下圖列出了蜂窩網(wǎng)絡(luò)(Cellular)、藍(lán)牙、Wi-FI以及ZigBee等無線協(xié)議的性能比較，ZigBee協(xié)議以其低功耗，長距離傳輸能力勝出，適合用于長達(dá)數(shù)年無人值守的監(jiān)控應(yīng)用。
圖 1，ZigBee與蜂窩網(wǎng)絡(luò)(Cellular)、藍(lán)牙、Wi-FI等無線協(xié)議的比較
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>
對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)目動(dòng)輒超過數(shù)十個(gè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅能夠拓展網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離還能夠保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。
星形是最簡單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有一條直接通向網(wǎng)關(guān)的通道，然而其傳輸距離有限。采用樹形拓?fù)淠軌蚪鉀Q這個(gè)問題，添加路由節(jié)點(diǎn)后，遠(yuǎn)處的節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)能夠通過路由節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。然而樹形拓?fù)淙匀淮嬖诳煽啃缘膯栴}，一旦路由節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生問題，所有由這個(gè)節(jié)點(diǎn)通向網(wǎng)關(guān)的通路將被切斷。所以，對(duì)于可靠性要求很高的無線網(wǎng)絡(luò)，建議選擇網(wǎng)狀拓?fù)?mesh topology)結(jié)構(gòu)。
圖 2，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型，樹型以及網(wǎng)狀拓?fù)?br />
以美國國家儀器公司(National Instruments, 以下簡稱NI)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為例。NI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠被配置成路由節(jié)點(diǎn)。根據(jù)應(yīng)用的需要，工程師可以選擇樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如下圖所示，在網(wǎng)狀拓?fù)湎?，?jié)點(diǎn)4擁有兩條通往網(wǎng)關(guān)的通道，一旦節(jié)點(diǎn)1發(fā)生故障而損壞，數(shù)據(jù)也能夠通過節(jié)點(diǎn)2傳回網(wǎng)關(guān)，避免數(shù)據(jù)的丟失。
圖 3，網(wǎng)狀拓?fù)湎碌腘I無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
系統(tǒng)功耗
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常被放置在室外，無法進(jìn)行長距離的布線，這就牽涉到兩個(gè)問題，一是信號(hào)的傳輸，二是設(shè)備的供電。信號(hào)傳輸問題可以通過選擇無線網(wǎng)絡(luò)解決；而針對(duì)設(shè)備供電問題，則必須考慮外部電源，例如電池或小型發(fā)電設(shè)備。由于電池所能供應(yīng)的電量有限，為了滿足設(shè)備長時(shí)間使用的要求，必須嚴(yán)格控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)中，無線收發(fā)器以及微處理器是耗能大戶。所以用戶一方面應(yīng)選用ZigBee技術(shù)保證無線收發(fā)器的低功耗，同時(shí)，在保證處理器性能的前提下，還應(yīng)選擇帶有休眠功能并且工作能耗盡可能低的處理器。
NI 選用了TI MSP430 MCU作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理器。它的工作能耗為8mW，而休眠期間能耗僅為0.2 µW，僅相當(dāng)于一塊普通ADC芯片的休眠功率。采用AA電池供電，就能夠保證它持續(xù)工作三年之久，即使安放在人跡罕至的區(qū)域，仍然能夠保證長時(shí)間堅(jiān)守崗位。
兼容性
最后，我們還需要考慮的是系統(tǒng)的兼容性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠幫助工程師完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集，然而我們還需要考慮到數(shù)據(jù)的分析、顯示以及通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布等功能。例如，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)持續(xù)采集獲得的海量數(shù)據(jù)的記錄和分析；連接到HMI(人機(jī)交互界面)，以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示；此外，在一些工業(yè)應(yīng)用中，更有可能將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接到多樣的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備，進(jìn)行協(xié)同工作。在這些情況下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具備良好的兼容性，實(shí)現(xiàn)與各種現(xiàn)場設(shè)備的快速連接。
常見的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的是TinyOS或者M(jìn)ANTIS等特殊操作系統(tǒng)，需要采用nesC (network embedded systems C)開發(fā)方式，系統(tǒng)開發(fā)工程師必須學(xué)習(xí)一種新的開發(fā)方式，才能在現(xiàn)有的系統(tǒng)中添加無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
為了幫助工程師減少開發(fā)時(shí)間，NI采用了統(tǒng)一的開發(fā)平臺(tái)LabVIEW實(shí)現(xiàn)對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫以及人機(jī)交互界面的開發(fā)。在LabVIEW平臺(tái)下，工程師不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程配置，并在節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)算法；同時(shí)，還能夠支持所有的NI工業(yè)平臺(tái)，例如：自動(dòng)化控制器CompactRIO，人機(jī)交互界面(HMI)。此外，LabVIEW也支持通過OPC或者各種工業(yè)總線連接到第三方設(shè)備。為了滿足日益增加的數(shù)據(jù)共享的需求，LabVIEW還支持?jǐn)?shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，利用Web Service，我們可以將數(shù)據(jù)快速發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，來自全球各地的工程師都能夠快速訪問到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。工程師無需針對(duì)不同的設(shè)備和不同的技術(shù)一一學(xué)習(xí)開發(fā)方式，在一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)下就能夠完成一個(gè)完整的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。
圖 4， NI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的兼容性
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力十分巨大：在大型建筑中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠被快速發(fā)布到各個(gè)樓面以及建筑的內(nèi)外表面，無需考慮布線問題就能獲得分項(xiàng)電量、溫濕度、用水量等信息，并傳遞回控制室，實(shí)現(xiàn)建筑能耗的監(jiān)測。在跨海大橋上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠被放置在橋梁兩側(cè)或者橋墩底部，捕獲壓電傳感器、加速度傳感器、濕度傳感器中傳來的數(shù)據(jù)，以推算出橋墩的腐蝕程度以及橋面的變形程度，保證橋梁的安全使用。在監(jiān)護(hù)室，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠被安置在臥室，衛(wèi)生間，廚房以及客廳，通過對(duì)于光，溫度，紅外傳感器的信號(hào)，分辨出老年人的行為以及健康狀況。在煤礦、石油鉆井、核電廠等危險(xiǎn)工作環(huán)境中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還能夠代替工作人員對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)排除險(xiǎn)情，確保人員安全。
下面本文將就NI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在一些熱點(diǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行具體的分析：
建筑樓宇內(nèi)部監(jiān)測：
一般而言，建筑內(nèi)部的監(jiān)測系統(tǒng)需要在建造的同時(shí)架設(shè)完成，在已經(jīng)投入使用的建筑內(nèi)添加此類系統(tǒng)則非常復(fù)雜，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則能夠幫助工程師簡化架設(shè)的流程。加州大學(xué)洛杉機(jī)分校（UCLA）采用NI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在停車場內(nèi)架設(shè)了一個(gè)使用率監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)能夠在各個(gè)入口和出口處監(jiān)測是否有車流經(jīng)過，從而統(tǒng)計(jì)停車場不同位置的空車位情況。數(shù)據(jù)最終通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)并匯總到NI CompactRIO處理器中，在處理完畢后，數(shù)據(jù)還能夠被上傳到UCLA的交通網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中，供授權(quán)用戶查看信息。
圖 5，被安置在停車場入口的NI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
綠色能源及環(huán)境監(jiān)測：
Solix公司是一家知名的生物能源公司。在他們的水田里，設(shè)備日以繼夜地工作，將藻類轉(zhuǎn)化為乙醇或柴油燃料，為飛機(jī)，汽車以及工廠供熱系統(tǒng)提供者潔凈的能源。為了保證藻類在合適的環(huán)境下生長，他們將NI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在數(shù)十英畝的水田中，實(shí)時(shí)傳回水田的PH值信息，以及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。
工廠過程監(jiān)控：
在現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)線上，通常也需要實(shí)現(xiàn)多種信息的監(jiān)測。例如，針對(duì)飲料生產(chǎn)線，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測入水口與出水口的水流量信息，以保證水資源的有效使用。NI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無需布線的特性是的工程師能夠快速在成型的生產(chǎn)線上架設(shè)監(jiān)測系統(tǒng)，并且在安裝系統(tǒng)時(shí)無需中斷生產(chǎn)線的運(yùn)作，就能夠及時(shí)獲得產(chǎn)線上的各種數(shù)據(jù)。
小結(jié)
作為一種新興技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁有廣泛的發(fā)展空間。利用無線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)靈活、可靠、安全的數(shù)據(jù)采集。相信隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將被使用在生活工作的各個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)人與自然的無縫溝通。
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