無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)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(jì)劃署（DARPA）于1978年開始資助卡耐基－梅隆大學(xué)進(jìn)行分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，這被看成是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形。

6 i3 |- Q- t' B* QWSN是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)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(yùn)算與網(wǎng)絡(luò)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(luò)將搜集到的信息傳送給監(jiān)控者；監(jiān)控者解讀報(bào)表信息后，便可掌握現(xiàn)場狀況，進(jìn)而維護(hù)、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(luò)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(yùn)輸系統(tǒng)自動化中的下一個(gè)發(fā)展方向。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用一般不需要很大的帶寬，但是對功耗要求卻很嚴(yán)格，大部分時(shí)間必須保持低功耗。由于無線傳感節(jié)點(diǎn)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(yán)格限制。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)
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現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)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(diǎn)已成現(xiàn)實(shí)。
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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所包含的三種類型的節(jié)點(diǎn)，即傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)并通過一種多跳的方式來路由數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)A就是經(jīng)過了A<->B<->C<->D<->匯聚節(jié)點(diǎn)的多跳路由來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，其它傳感器節(jié)點(diǎn)的情況依此類推。匯聚節(jié)點(diǎn)是一個(gè)類似于網(wǎng)關(guān)的特殊節(jié)點(diǎn)，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強(qiáng)，能夠把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)橋接到其他的通信網(wǎng)絡(luò)，比如Internet，從而使終端用戶能夠方便實(shí)時(shí)地通過任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行各種操作。匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以是僅帶有無線通信接口的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)則可以是各種智能終端，比如PC、PDA甚至是智能手機(jī)。
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* g& ]" j9 i7 \% v7 K" H) R如圖2所示，每個(gè)微型節(jié)點(diǎn)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(jìn)行一些簡單的計(jì)算處理后再發(fā)送出去。大量的智能節(jié)點(diǎn)通過先進(jìn)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(gè)角落。盡管單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能力是微不足道的，但是成百上千節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能帶來強(qiáng)大的規(guī)模效應(yīng)。一個(gè)典型的無線傳感器節(jié)點(diǎn)由四個(gè)基本模塊組成：傳感模塊、計(jì)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(yīng)用場合，有的無線傳感器節(jié)點(diǎn)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(jì)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(jì)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(jì)算模塊進(jìn)行處理，再通過無線通信模塊發(fā)送到指定地點(diǎn)。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(wù)時(shí)能夠保證持續(xù)的電力供應(yīng)，也可以采用太陽能電池。
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  a, i1 k" R2 r5 n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

! C% r0 @+ y, l& z. W. G1 V( V/ A3 A+ X9 m環(huán)境監(jiān)測是一類典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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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（1）礦井安全監(jiān)控

+ z3 w3 ^  e7 P  ]" J礦井利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(diǎn)負(fù)責(zé)井下多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，主要包括CO、瓦斯、風(fēng)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(hù)人員通過該監(jiān)測系統(tǒng)可及時(shí)、有效、全面的掌握礦井情況，有利于礦井實(shí)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(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)是否經(jīng)常移動分為規(guī)定數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和移動數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)兩類。相對固定的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的通信數(shù)據(jù)，保持無線鏈路的暢通。固定節(jié)點(diǎn)則用CAN總線連接起來。而移動節(jié)點(diǎn)佩帶在工人身上或者安裝在運(yùn)動的礦車設(shè)備上，也可以隨機(jī)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(jī)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)。

（2）生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

- R5 h3 p& l/ K3 z8 D# A傳感器網(wǎng)絡(luò)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用非常典型。美國加州大學(xué)伯克利分校計(jì)算機(jī)系Intel實(shí)驗(yàn)室和大西洋學(xué)院（The College of the Atlantic, COA）聯(lián)合開展了一個(gè)名為“in-situ”的利用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控海島生態(tài)環(huán)境的項(xiàng)目。該研究組在大鴨島（Great Duck Island）上部署了由43個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)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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# X1 K2 Z) v4 C/ z5 W8 t圖4 森林資源監(jiān)控

" `+ |" H5 U. ^0 s（3）智能家居
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" W# |# v3 R8 U0 L無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以應(yīng)用于家居中，其家用遠(yuǎn)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(diǎn)，通過無線網(wǎng)絡(luò)與Internet連接在一起，用戶可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)完成對家電的遠(yuǎn)程遙控，例如用戶可以在回家之前半小時(shí)打開空調(diào)，這樣回家的時(shí)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(kuò)充更多的表計(jì)數(shù)。