自人類踏入信息時代，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、獨立的傳感器系統(tǒng)。很多時候，我們需要將來自不同區(qū)域的信息聯(lián)合匯總，從而實現(xiàn)對現(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)舛龋V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位置受環(huán)境濕度，風速的影響以及自身老化程度，以及時維護建筑的結(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，并且需要在長達幾個月甚至幾年的時間內(nèi)進行連續(xù)數(shù)據(jù)檢測工作，工作人員無法經(jīng)常進行維護。這時，長距離布線，數(shù)據(jù)的匯總，傳感器的遠程配置，系統(tǒng)長期供電以及信號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(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)絡中，每一個節(jié)點都能夠獨立采集，并將數(shù)據(jù)匯總。根據(jù)應用規(guī)模的不同，節(jié)點的數(shù)目可以達到上萬，監(jiān)測超過幾十平方公里范圍內(nèi)的各類信號。
那么，究竟什么是無線傳感器網(wǎng)絡呢？
無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)
無線傳感器網(wǎng)絡是一種由獨立分布的節(jié)點以及網(wǎng)關構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡。安放在不同地點的傳感器節(jié)點不斷采集著外界的物理信息，如溫度、聲音、震動等。相互獨立的節(jié)點之間通過無線網(wǎng)絡進行通信。無線傳感器網(wǎng)絡的每個節(jié)點都能夠?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)點的數(shù)據(jù)，并最終將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關。工程師可以從網(wǎng)關獲取數(shù)據(jù)，查看歷史數(shù)據(jù)記錄或進行分析。通常，一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的硬件結(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)絡誕生于上世紀70年代，最早被應用于美國軍方資助項目。經(jīng)過近30年的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡的應用逐漸轉(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)評論雜志相繼將其評價為21世紀最具影響力的20項技術(shù)以及改變世界的10大新技術(shù)。
作為一種針對應用而開發(fā)的技術(shù)，在項目中選擇無線傳感器網(wǎng)絡必須考慮到實用性。構(gòu)建一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡，必須要考慮以下四個重要的因素：網(wǎng)絡選擇，拓撲結(jié)構(gòu)，功耗以及兼容性。
無線網(wǎng)絡的選擇
無線技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡中最關鍵的一個部分。在無線傳感器網(wǎng)絡的典型應用中，通常采集節(jié)點被放置在相距較遠的位置，甚至有時處于室外的采集節(jié)點無法連接到電網(wǎng)，所以在挑選無線網(wǎng)絡時，帶寬、傳輸距離以及功耗是三個主要考慮因素。
在無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)誕生之初，已有的無線協(xié)議很難滿足低功耗，低花費，高容錯性的要求。此時ZigBee技術(shù)應運而生。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)絡的無線技術(shù)：它擁有250kbps的帶寬，傳輸距離可達1km以上。并且功耗更小，采用普通AA電池就能夠支持設備在高達數(shù)年的時間內(nèi)連續(xù)工作。
下圖列出了蜂窩網(wǎng)絡(Cellular)、藍牙、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，適合用于長達數(shù)年無人值守的監(jiān)控應用。
圖 1，ZigBee與蜂窩網(wǎng)絡(Cellular)、藍牙、Wi-FI等無線協(xié)議的比較
網(wǎng)絡拓撲
對于節(jié)點數(shù)目動輒超過數(shù)十個的無線傳感器網(wǎng)絡而言，選擇合適的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)不僅能夠拓展網(wǎng)絡的傳輸距離還能夠保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。
星形是最簡單的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，每一個節(jié)點都擁有一條直接通向網(wǎng)關的通道，然而其傳輸距離有限。采用樹形拓撲能夠解決這個問題，添加路由節(jié)點后，遠處的節(jié)點上的數(shù)據(jù)能夠通過路由節(jié)點傳輸?shù)骄W(wǎng)關。然而樹形拓撲仍然存在可靠性的問題，一旦路由節(jié)點產(chǎn)生問題，所有由這個節(jié)點通向網(wǎng)關的通路將被切斷。所以，對于可靠性要求很高的無線網(wǎng)絡，建議選擇網(wǎng)狀拓撲(mesh topology)結(jié)構(gòu)。
圖 2，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)：星型，樹型以及網(wǎng)狀拓撲
以美國國家儀器公司(National Instruments, 以下簡稱NI)的無線傳感器網(wǎng)絡為例。NI的無線傳感器網(wǎng)絡中每一個節(jié)點都能夠被配置成路由節(jié)點。根據(jù)應用的需要，工程師可以選擇樹形拓撲結(jié)構(gòu)或者網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)。如下圖所示，在網(wǎng)狀拓撲下，節(jié)點4擁有兩條通往網(wǎng)關的通道，一旦節(jié)點1發(fā)生故障而損壞，數(shù)據(jù)也能夠通過節(jié)點2傳回網(wǎng)關，避免數(shù)據(jù)的丟失。
圖 3，網(wǎng)狀拓撲下的NI無線傳感器網(wǎng)絡
系統(tǒng)功耗
無線傳感器網(wǎng)絡通常被放置在室外，無法進行長距離的布線，這就牽涉到兩個問題，一是信號的傳輸，二是設備的供電。信號傳輸問題可以通過選擇無線網(wǎng)絡解決；而針對設備供電問題，則必須考慮外部電源，例如電池或小型發(fā)電設備。由于電池所能供應的電量有限，為了滿足設備長時間使用的要求，必須嚴格控制無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的能耗。在無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)中，無線收發(fā)器以及微處理器是耗能大戶。所以用戶一方面應選用ZigBee技術(shù)保證無線收發(fā)器的低功耗，同時，在保證處理器性能的前提下，還應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)絡節(jié)點的處理器。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，仍然能夠保證長時間堅守崗位。
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)絡能夠幫助工程師完成遠程數(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)絡連接到遠程服務器，以實現(xiàn)對持續(xù)采集獲得的海量數(shù)據(jù)的記錄和分析；連接到HMI(人機交互界面)，以實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的顯示；此外，在一些工業(yè)應用中，更有可能將無線傳感器網(wǎng)絡連接到多樣的工業(yè)現(xiàn)場設備，進行協(xié)同工作。在這些情況下，無線傳感器網(wǎng)絡必須具備良好的兼容性，實現(xiàn)與各種現(xiàn)場設備的快速連接。
常見的無線傳感器網(wǎng)絡采用的是TinyOS或者MANTIS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)工程師必須學習一種新的開發(fā)方式，才能在現(xiàn)有的系統(tǒng)中添加無線傳感器網(wǎng)絡。
為了幫助工程師減少開發(fā)時間，NI采用了統(tǒng)一的開發(fā)平臺LabVIEW實現(xiàn)對于無線傳感器網(wǎng)絡，遠程數(shù)據(jù)庫以及人機交互界面的開發(fā)。在LabVIEW平臺下，工程師不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對于無線傳感器網(wǎng)絡的遠程配置，并在節(jié)點上實現(xiàn)算法；同時，還能夠支持所有的NI工業(yè)平臺，例如：自動化控制器CompactRIO，人機交互界面(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備。為了滿足日益增加的數(shù)據(jù)共享的需求，LabVIEW還支持數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡發(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，來自全球各地的工程師都能夠快速訪問到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。工程師無需針對不同的設備和不同的技術(shù)一一學習開發(fā)方式，在一個統(tǒng)一的平臺下就能夠完成一個完整的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。
圖 4， NI無線傳感器網(wǎng)絡的兼容性
無線傳感器網(wǎng)絡應用分析
無線傳感器網(wǎng)絡在各個領域的應用潛力十分巨大：在大型建筑中，無線傳感器網(wǎng)絡能夠被快速發(fā)布到各個樓面以及建筑的內(nèi)外表面，無需考慮布線問題就能獲得分項電量、溫濕度、用水量等信息，并傳遞回控制室，實現(xiàn)建筑能耗的監(jiān)測。在跨海大橋上，無線傳感器網(wǎng)絡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)護室，無線傳感器網(wǎng)絡能夠被安置在臥室，衛(wèi)生間，廚房以及客廳，通過對于光，溫度，紅外傳感器的信號，分辨出老年人的行為以及健康狀況。在煤礦、石油鉆井、核電廠等危險工作環(huán)境中，無線傳感器網(wǎng)絡還能夠代替工作人員對現(xiàn)場進行監(jiān)控，及時排除險情，確保人員安全。
下面本文將就NI無線傳感器網(wǎng)絡在一些熱點領域的應用進行具體的分析：
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)需要在建造的同時架設完成，在已經(jīng)投入使用的建筑內(nèi)添加此類系統(tǒng)則非常復雜，而無線傳感器網(wǎng)絡則能夠幫助工程師簡化架設的流程。加州大學洛杉機分校（UCLA）采用NI無線傳感器網(wǎng)絡在停車場內(nèi)架設了一個使用率監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)能夠在各個入口和出口處監(jiān)測是否有車流經(jīng)過，從而統(tǒng)計停車場不同位置的空車位情況。數(shù)據(jù)最終通過ZigBee網(wǎng)絡傳輸?shù)骄W(wǎng)關并匯總到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
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，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)絡部署在數(shù)十英畝的水田中，實時傳回水田的PH值信息，以及時進行調(diào)整。
工廠過程監(jiān)控：
在現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)線上，通常也需要實現(xiàn)多種信息的監(jiān)測。例如，針對飲料生產(chǎn)線，需要實時監(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)線上架設監(jiān)測系統(tǒng)，并且在安裝系統(tǒng)時無需中斷生產(chǎn)線的運作，就能夠及時獲得產(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)絡擁有廣泛的發(fā)展空間。利用無線網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)靈活、可靠、安全的數(shù)據(jù)采集。相信隨著技術(shù)的進一步完善，無線傳感器網(wǎng)絡必將被使用在生活工作的各個方面，實現(xiàn)人與自然的無縫溝通。
