无线传感器网络——放飞你的测量应用

自人类踏入信息时代，自然界的信息通过传感器源源而来。而随着技术的发展，人们已不满足于原有单一的、独立的传感器系统。很多时候，我们需要将来自不同区域的信息联合汇总，从而实现对现场状况的综合判断。
    在农场里，我们需要了解各处作物的灌溉情况，土壤空气质量，以确保农作物健康生长；在矿区，我们需要知道瓦斯浓度，矿工位置以及地下矿场温湿度，粉尘浓度以保证工人人身安全；在大型建筑中，我们又需要了解建筑各个位置受环境湿度，风速的影响以及自身老化程度，以及时维护建筑的结构健康。通常，在这些情况下，用来采集数据的传感器被放置在相距上千米的位置，并且需要在长达几个月甚至几年的时间内进行连续数据检测工作，工作人员无法经常进行维护。这时，长距离布线，数据的汇总，传感器的远程配置，系统长期供电以及信号的安全性等都是工程师需要考虑的问题。
    而随着无线传感器网络(Wireless Sensor Network)技术的发展，这些瓶颈被一一化解。在无线传感器网络中，每一个节点都能够独立采集，并将数据汇总。根据应用规模的不同，节点的数目可以达到上万，监测超过几十平方公里范围内的各类信号。
    那么，究竟什么是无线传感器网络呢？
无线传感器网络技术
    无线传感器网络是一种由独立分布的节点以及网关构成的传感器网络。安放在不同地点的传感器节点不断采集着外界的物理信息，如温度、声音、震动等。相互独立的节点之间通过无线网络进行通信。无线传感器网络的每个节点都能够实现采集，数据的简单处理，还能接收来自其他节点的数据，并最终将数据发送到网关。工程师可以从网关获取数据，查看历史数据记录或进行分析。通常，一个典型的无线传感器网络节点的硬件结构包括：传感器接口、ADC、微处理器、电源以及无线收发装置。
    无线传感器网络诞生于上世纪70年代，最早被应用于美国军方资助项目。经过近30年的发展，无线传感器网络的应用逐渐转向民用，在森林、河流的环境监测中、在建筑环境的智能化应用中，以及一些无法放置有线传感器的工业环境中都已经出现了它的身影。在1999年和2003年，美国商业周刊和MIT技术评论杂志相继将其评价为21世纪最具影响力的20项技术以及改变世界的10大新技术。
    作为一种针对应用而开发的技术，在项目中选择无线传感器网络必须考虑到实用性。构建一个典型的无线传感器网络，必须要考虑以下四个重要的因素：网络选择，拓扑结构，功耗以及兼容性。
无线网络的选择
    无线技术是无线传感器网络中最关键的一个部分。在无线传感器网络的典型应用中，通常采集节点被放置在相距较远的位置，甚至有时处于室外的采集节点无法连接到电网，所以在挑选无线网络时，带宽、传输距离以及功耗是三个主要考虑因素。
    在无线传感器网络技术诞生之初，已有的无线协议很难满足低功耗，低花费，高容错性的要求。此时ZigBee技术应运而生。发展近10年来，ZigBee已被证明是最适合用于无线传感器网络的无线技术：它拥有250kbps的带宽，传输距离可达1km以上。并且功耗更小，采用普通AA电池就能够支持设备在高达数年的时间内连续工作。
    下图列出了蜂窝网络(Cellular)、蓝牙、Wi-FI以及ZigBee等无线协议的性能比较，ZigBee协议以其低功耗，长距离传输能力胜出，适合用于长达数年无人值守的监控应用。

图 1，ZigBee与蜂窝网络(Cellular)、蓝牙、Wi-FI等无线协议的比较
网络拓扑
    对于节点数目动辄超过数十个的无线传感器网络而言，选择合适的网络结构不仅能够拓展网络的传输距离还能够保证信号传输的稳定性。
    星形是最简单的网络拓扑结构，每一个节点都拥有一条直接通向网关的通道，然而其传输距离有限。采用树形拓扑能够解决这个问题，添加路由节点后，远处的节点上的数据能够通过路由节点传输到网关。然而树形拓扑仍然存在可靠性的问题，一旦路由节点产生问题，所有由这个节点通向网关的通路将被切断。所以，对于可靠性要求很高的无线网络，建议选择网状拓扑(mesh topology)结构。

 

图 2，网络拓扑结构：星型，树型以及网状拓扑
    以美国国家仪器公司(National Instruments,　以下简称NI)的无线传感器网络为例。NI的无线传感器网络中每一个节点都能够被配置成路由节点。根据应用的需要，工程师可以选择树形拓扑结构或者网状拓扑结构。如下图所示，在网状拓扑下，节点4拥有两条通往网关的通道，一旦节点1发生故障而损坏，数据也能够通过节点2传回网关，避免数据的丢失。

图 3，网状拓扑下的NI无线传感器网络
系统功耗
    无线传感器网络通常被放置在室外，无法进行长距离的布线，这就牵涉到两个问题，一是信号的传输，二是设备的供电。信号传输问题可以通过选择无线网络解决；而针对设备供电问题，则必须考虑外部电源，例如电池或小型发电设备。由于电池所能供应的电量有限，为了满足设备长时间使用的要求，必须严格控制无线传感器网络节点的能耗。在无线传感器网络节点的硬件结构中，无线收发器以及微处理器是耗能大户。所以用户一方面应选用ZigBee技术保证无线收发器的低功耗，同时，在保证处理器性能的前提下，还应选择带有休眠功能并且工作能耗尽可能低的处理器。
NI 选用了TI MSP430 MCU作为无线传感器网络节点的处理器。它的工作能耗为8mW，而休眠期间能耗仅为0.2 µW，仅相当于一块普通ADC芯片的休眠功率。采用AA电池供电，就能够保证它持续工作三年之久，即使安放在人迹罕至的区域，仍然能够保证长时间坚守岗位。
兼容性
    最后，我们还需要考虑的是系统的兼容性。无线传感器网络能够帮助工程师完成远程数据的采集，然而我们还需要考虑到数据的分析、显示以及通过互联网发布等功能。例如，将无线传感器网络连接到远程服务器，以实现对持续采集获得的海量数据的记录和分析；连接到HMI(人机交互界面)，以实现历史数据和实时数据的显示；此外，在一些工业应用中，更有可能将无线传感器网络连接到多样的工业现场设备，进行协同工作。在这些情况下，无线传感器网络必须具备良好的兼容性，实现与各种现场设备的快速连接。
    常见的无线传感器网络采用的是TinyOS或者MANTIS等特殊操作系统，需要采用nesC (network embedded systems C)开发方式，系统开发工程师必须学习一种新的开发方式，才能在现有的系统中添加无线传感器网络。
    为了帮助工程师减少开发时间，NI采用了统一的开发平台LabVIEW实现对于无线传感器网络，远程数据库以及人机交互界面的开发。在LabVIEW平台下，工程师不仅能够实现对于无线传感器网络的远程配置，并在节点上实现算法；同时，还能够支持所有的NI工业平台，例如：自动化控制器CompactRIO，人机交互界面(HMI)。此外，LabVIEW也支持通过OPC或者各种工业总线连接到第三方设备。为了满足日益增加的数据共享的需求，LabVIEW还支持数据的网络发布功能，利用Web Service，我们可以将数据快速发布到互联网络，来自全球各地的工程师都能够快速访问到网络数据库中的数据。工程师无需针对不同的设备和不同的技术一一学习开发方式，在一个统一的平台下就能够完成一个完整的远程监控系统。

 
图 4， NI无线传感器网络的兼容性
无线传感器网络应用分析
    无线传感器网络在各个领域的应用潜力十分巨大：在大型建筑中，无线传感器网络能够被快速发布到各个楼面以及建筑的内外表面，无需考虑布线问题就能获得分项电量、温湿度、用水量等信息，并传递回控制室，实现建筑能耗的监测。在跨海大桥上，无线传感器网络能够被放置在桥梁两侧或者桥墩底部，捕获压电传感器、加速度传感器、湿度传感器中传来的数据，以推算出桥墩的腐蚀程度以及桥面的变形程度，保证桥梁的安全使用。在监护室，无线传感器网络能够被安置在卧室，卫生间，厨房以及客厅，通过对于光，温度，红外传感器的信号，分辨出老年人的行为以及健康状况。在煤矿、石油钻井、核电厂等危险工作环境中，无线传感器网络还能够代替工作人员对现场进行监控，及时排除险情，确保人员安全。
    下面本文将就NI无线传感器网络在一些热点领域的应用进行具体的分析：
建筑楼宇内部监测：
    一般而言，建筑内部的监测系统需要在建造的同时架设完成，在已经投入使用的建筑内添加此类系统则非常复杂，而无线传感器网络则能够帮助工程师简化架设的流程。加州大学洛杉机分校（UCLA）采用NI无线传感器网络在停车场内架设了一个使用率监控系统。监控系统能够在各个入口和出口处监测是否有车流经过，从而统计停车场不同位置的空车位情况。数据最终通过ZigBee网络传输到网关并汇总到NI CompactRIO处理器中，在处理完毕后，数据还能够被上传到UCLA的交通网数据库中，供授权用户查看信息。

 
图 5，被安置在停车场入口的NI无线传感器网络
绿色能源及环境监测：
    Solix公司是一家知名的生物能源公司。在他们的水田里，设备日以继夜地工作，将藻类转化为乙醇或柴油燃料，为飞机，汽车以及工厂供热系统提供者洁净的能源。为了保证藻类在合适的环境下生长，他们将NI无线传感器网络部署在数十英亩的水田中，实时传回水田的PH值信息，以及时进行调整。
工厂过程监控：
    在现有的工业生产线上，通常也需要实现多种信息的监测。例如，针对饮料生产线，需要实时监测入水口与出水口的水流量信息，以保证水资源的有效使用。NI无线传感器网络无需布线的特性是的工程师能够快速在成型的生产线上架设监测系统，并且在安装系统时无需中断生产线的运作，就能够及时获得产线上的各种数据。

小结
    作为一种新兴技术，无线传感器网络拥有广泛的发展空间。利用无线网络能够实现灵活、可靠、安全的数据采集。相信随着技术的进一步完善，无线传感器网络必将被使用在生活工作的各个方面，实现人与自然的无缝沟通。