無線傳感器網絡及其應用

寂靜天花板

無線傳感器網，即WSN（Wireless Sensor Network）。它的構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絡的研究，這被看成是無線傳感器網絡的雛形。
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WSN是由大量傳感器節點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網絡系統，它能夠實現數據的采集量化、處理融合和傳輸。具體的來講，WSN兼具感測、運算與網絡能力，透過傳感器偵測周遭環境，如溫度、濕度、光照、氣體濃度、震動幅度等，并由無線網絡將搜集到的信息傳送給監控者；監控者解讀報表信息后，便可掌握現場狀況，進而維護、調整相關系統。由于監控物理環境的重要性從來沒有像今天這么突出，無線傳感器網絡已被視為環境監測、建筑監測、公用事業、工業控制、家庭、船舶和運輸系統自動化中的下一個發展方向。
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無線傳感器網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。由于無線傳感節點通常使用存儲容量不大的嵌入式處理器，因此對協議棧的大小也有嚴格限制。

3 n" c( ^9 _5 n) z/ W+ f無線傳感器網絡的典型結構

$ X9 M3 U: P) ]9 U, h2 h現代意義的無線傳感器網絡是一種新型的分布式測控系統，由分布在監測區域內的大量傳感器節點組成。得益于無線通信技術和微電子技術的飛速發展，開發低成本、低能耗、多功能的微型無線傳感器節點已成現實。

0 S) ^0 ~6 R+ Y- Y# I3 ]# ~無線傳感器網絡系統所包含的三種類型的節點，即傳感器節點、匯聚節點和任務管理節點。圖中白色的監測區域中已經部署了大量的無線傳感器節點，每個節點都可以采集其覆蓋區域的現場數據并且路由到匯聚節點并通過一種多跳的方式來路由數據，節點A就是經過了A<->B<->C<->D<->匯聚節點的多跳路由來實現數據轉發，其它傳感器節點的情況依此類推。匯聚節點是一個類似于網關的特殊節點，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絡橋接到其他的通信網絡，比如Internet，從而使終端用戶能夠方便實時地通過任務管理節點來進行各種操作。匯聚節點既可以是一個具有增強功能的傳感器節點，也可以是僅帶有無線通信接口的網關設備。任務管理節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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如圖2所示，每個微型節點都集成了傳感、數據處理、通信和電源模塊，可以對原始數據按要求進行一些簡單的計算處理后再發送出去。大量的智能節點通過先進的網狀聯網方式，可以靈活緊密地部署在被測對象的內部或周圍，把人類感知的觸角延伸到物理世界的每個角落。盡管單個節點的能力是微不足道的，但是成百上千節點組成的網絡系統能帶來強大的規模效應。一個典型的無線傳感器節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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根據不同的應用場合，有的無線傳感器節點可能還會有一些附加模塊，比如定位系統，連續供電系統以及移動基座等。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。現場采集到的原始傳感信息經過A/D轉換后被發送到計算模塊進行處理，再通過無線通信模塊發送到指定地點。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。為了在執行比較耗能的任務時能夠保證持續的電力供應，也可以采用太陽能電池。

+ U8 Z7 c4 n! M無線傳感器網絡在環境監測系統中的應用

環境監測是一類典型的傳感器網絡應用，它主要包括礦井安全監控、生態環境監測和智能家居等。

. m* D% ]* `3 w. L（1）礦井安全監控

( w2 X# n" d4 U1 {' L, u9 N) `礦井利用無線傳感器網絡實現井下安全監控的系統結構框圖如圖3所示。傳感器節點負責井下多點數據采集，主要包括CO、瓦斯、風速和氣壓等參數，通過井場監控終端（基站）和地面基站傳送給后臺監控中心。后臺監護人員通過該監測系統可及時、有效、全面的掌握礦井情況，有利于礦井實施指揮調度、安全監測，從而可以有效地防止礦井事故的發生。
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3 `2 X1 Z! {9 e  e. B礦井無線傳感器網絡節點根據是否經常移動分為規定數據采集節點和移動數據采集節點兩類。相對固定的節點主要安排在巷道的拐彎處或直巷道的固定位置，用于采集巷道瓦斯濃度、轉發其他節點的通信數據，保持無線鏈路的暢通。固定節點則用CAN總線連接起來。而移動節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滲出變化較快的關鍵位置，用于移動測量環境和生產參數。監控中心主要由CAN總線適配器與PC機組成，用于收集、分析、顯示和監測井下各種傳感器數據的狀態。
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9 G! _: E# b$ Y1 P（2）生態環境監測

9 I9 B# Y, l( h傳感器網絡在生態環境監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）聯合開展了一個名為“in-situ”的利用傳感器網絡監控海島生態環境的項目。該研究組在大鴨島（Great Duck Island）上部署了由43個傳感器節點組成的傳感器網絡，節點上安裝有多種傳感器以監測海島上不同類型的數據。如使用光敏傳感器、數字溫濕度傳感器和壓力傳感器監測海燕地下巢穴的微觀環境，使用低能耗的被動紅外傳感器監測巢穴的使用情況等。
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2 A3 G0 J' d8 F& g6 \圖4 森林資源監控
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, W0 W& |* n, ~  h, z7 a（3）智能家居
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- T9 U- K3 t6 m# [# [$ I無線傳感器網絡還可以應用于家居中，其家用遠程環境監控系統的結構框圖如圖5所示。通過在家電和家具中嵌入傳感器節點，通過無線網絡與Internet連接在一起，用戶可以通過遠程監控系統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，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境。識別和頻段的劃分，這樣可以幫助擴充更多的表計數。