無線傳感器網(wǎng)絡及其應用

寂靜天花板

無線傳感器網(wǎng)，即WSN（Wireless Sensor Network）。它的構(gòu)想最初是由美國軍方提出的， 美國國防部高級研究所計劃署（DARPA）于1978年開始資助卡耐基－梅隆大學進行分布式傳感器網(wǎng)絡的研究，這被看成是無線傳感器網(wǎng)絡的雛形。

WSN是由大量傳感器節(jié)點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸。具體的來講，WSN兼具感測、運算與網(wǎng)絡能力，透過傳感器偵測周遭環(huán)境，如溫度、濕度、光照、氣體濃度、震動幅度等，并由無線網(wǎng)絡將搜集到的信息傳送給監(jiān)控者；監(jiān)控者解讀報表信息后，便可掌握現(xiàn)場狀況，進而維護、調(diào)整相關(guān)系統(tǒng)。由于監(jiān)控物理環(huán)境的重要性從來沒有像今天這么突出，無線傳感器網(wǎng)絡已被視為環(huán)境監(jiān)測、建筑監(jiān)測、公用事業(yè)、工業(yè)控制、家庭、船舶和運輸系統(tǒng)自動化中的下一個發(fā)展方向。
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無線傳感器網(wǎng)絡的應用一般不需要很大的帶寬，但是對功耗要求卻很嚴格，大部分時間必須保持低功耗。由于無線傳感節(jié)點通常使用存儲容量不大的嵌入式處理器，因此對協(xié)議棧的大小也有嚴格限制。

7 n: D4 X3 O* _# Y( s1 P* n無線傳感器網(wǎng)絡的典型結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡是一種新型的分布式測控系統(tǒng)，由分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點組成。得益于無線通信技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，開發(fā)低成本、低能耗、多功能的微型無線傳感器節(jié)點已成現(xiàn)實。
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4 Z  |: F) q! E, ^8 j) X6 `" R2 x無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)所包含的三種類型的節(jié)點，即傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和任務管理節(jié)點。圖中白色的監(jiān)測區(qū)域中已經(jīng)部署了大量的無線傳感器節(jié)點，每個節(jié)點都可以采集其覆蓋區(qū)域的現(xiàn)場數(shù)據(jù)并且路由到匯聚節(jié)點并通過一種多跳的方式來路由數(shù)據(jù)，節(jié)點A就是經(jīng)過了A<->B<->C<->D<->匯聚節(jié)點的多跳路由來實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，其它傳感器節(jié)點的情況依此類推。匯聚節(jié)點是一個類似于網(wǎng)關(guān)的特殊節(jié)點，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，能夠把無線傳感器網(wǎng)絡橋接到其他的通信網(wǎng)絡，比如Internet，從而使終端用戶能夠方便實時地通過任務管理節(jié)點來進行各種操作。匯聚節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，也可以是僅帶有無線通信接口的網(wǎng)關(guān)設備。任務管理節(jié)點則可以是各種智能終端，比如PC、PDA甚至是智能手機。

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4 ?2 V6 o8 K8 ]' o" v如圖2所示，每個微型節(jié)點都集成了傳感、數(shù)據(jù)處理、通信和電源模塊，可以對原始數(shù)據(jù)按要求進行一些簡單的計算處理后再發(fā)送出去。大量的智能節(jié)點通過先進的網(wǎng)狀聯(lián)網(wǎng)方式，可以靈活緊密地部署在被測對象的內(nèi)部或周圍，把人類感知的觸角延伸到物理世界的每個角落。盡管單個節(jié)點的能力是微不足道的，但是成百上千節(jié)點組成的網(wǎng)絡系統(tǒng)能帶來強大的規(guī)模效應。一個典型的無線傳感器節(jié)點由四個基本模塊組成：傳感模塊、計算模塊、無線通信模塊和電源模塊。

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根據(jù)不同的應用場合，有的無線傳感器節(jié)點可能還會有一些附加模塊，比如定位系統(tǒng)，連續(xù)供電系統(tǒng)以及移動基座等。傳感模塊包含傳感器和ADC，計算模塊包含MCU和存儲器。由于有的MCU內(nèi)部集成了ADC，所以ADC在這種情況下也可以劃入到計算模塊。現(xiàn)場采集到的原始傳感信息經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后被發(fā)送到計算模塊進行處理，再通過無線通信模塊發(fā)送到指定地點。電源模塊一般采用電池，可以是堿性電池、鋰電池或鎳氫電池。為了在執(zhí)行比較耗能的任務時能夠保證持續(xù)的電力供應，也可以采用太陽能電池。

# W* V% t; o6 q7 j, F: u; D無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

環(huán)境監(jiān)測是一類典型的傳感器網(wǎng)絡應用，它主要包括礦井安全監(jiān)控、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和智能家居等。
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) n, i( r* A( C（1）礦井安全監(jiān)控

6 `) W, w- g7 q# r' M. w; v礦井利用無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)井下安全監(jiān)控的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。傳感器節(jié)點負責井下多點數(shù)據(jù)采集，主要包括CO、瓦斯、風速和氣壓等參數(shù)，通過井場監(jiān)控終端（基站）和地面基站傳送給后臺監(jiān)控中心。后臺監(jiān)護人員通過該監(jiān)測系統(tǒng)可及時、有效、全面的掌握礦井情況，有利于礦井實施指揮調(diào)度、安全監(jiān)測，從而可以有效地防止礦井事故的發(fā)生。
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礦井無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點根據(jù)是否經(jīng)常移動分為規(guī)定數(shù)據(jù)采集節(jié)點和移動數(shù)據(jù)采集節(jié)點兩類。相對固定的節(jié)點主要安排在巷道的拐彎處或直巷道的固定位置，用于采集巷道瓦斯?jié)舛取⑥D(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點的通信數(shù)據(jù)，保持無線鏈路的暢通。固定節(jié)點則用CAN總線連接起來。而移動節(jié)點佩帶在工人身上或者安裝在運動的礦車設備上，也可以隨機安裝在瓦斯?jié)B出變化較快的關(guān)鍵位置，用于移動測量環(huán)境和生產(chǎn)參數(shù)。監(jiān)控中心主要由CAN總線適配器與PC機組成，用于收集、分析、顯示和監(jiān)測井下各種傳感器數(shù)據(jù)的狀態(tài)。
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（2）生態(tài)環(huán)境監(jiān)測
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傳感器網(wǎng)絡在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面的應用非常典型。美國加州大學伯克利分校計算機系Intel實驗室和大西洋學院（The College of the Atlantic, COA）聯(lián)合開展了一個名為“in-situ”的利用傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控海島生態(tài)環(huán)境的項目。該研究組在大鴨島（Great Duck Island）上部署了由43個傳感器節(jié)點組成的傳感器網(wǎng)絡，節(jié)點上安裝有多種傳感器以監(jiān)測海島上不同類型的數(shù)據(jù)。如使用光敏傳感器、數(shù)字溫濕度傳感器和壓力傳感器監(jiān)測海燕地下巢穴的微觀環(huán)境，使用低能耗的被動紅外傳感器監(jiān)測巢穴的使用情況等。
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圖4 森林資源監(jiān)控

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$ f& z+ R) d6 ~無線傳感器網(wǎng)絡還可以應用于家居中，其家用遠程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。通過在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網(wǎng)絡與Internet連接在一起，用戶可以通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)完成對家電的遠程遙控，例如用戶可以在回家之前半小時打開空調(diào)，這樣回家的時候就可以直接享受適合的室溫，從而給用戶提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環(huán)境。識別和頻段的劃分，這樣可以幫助擴充更多的表計數(shù)。