无线传感器网络及其应用

寂静天花板

无线传感器网，即WSN（Wireless Sensor Network）。它的构想最初是由美国军方提出的， 美国国防部高级研究所计划署（DARPA）于1978年开始资助卡耐基－梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线传感器网络的雏形。
8 T- z4 Y& Y, w! P" a9 W+ H
WSN是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输。具体的来讲，WSN兼具感测、运算与网络能力，透过传感器侦测周遭环境，如温度、湿度、光照、气体浓度、震动幅度等，并由无线网络将搜集到的信息传送给监控者；监控者解读报表信息后，便可掌握现场状况，进而维护、调整相关系统。由于监控物理环境的重要性从来没有像今天这么突出，无线传感器网络已被视为环境监测、建筑监测、公用事业、工业控制、家庭、船舶和运输系统自动化中的下一个发展方向。
( ?% O5 m5 h. m! u+ Y* o1 v
* |( V2 i9 x! b. ]$ |无线传感器网络的应用一般不需要很大的带宽，但是对功耗要求却很严格，大部分时间必须保持低功耗。由于无线传感节点通常使用存储容量不大的嵌入式处理器，因此对协议栈的大小也有严格限制。

无线传感器网络的典型结构
* K% L# m6 |3 S( e4 a
现代意义的无线传感器网络是一种新型的分布式测控系统，由分布在监测区域内的大量传感器节点组成。得益于无线通信技术和微电子技术的飞速发展，开发低成本、低能耗、多功能的微型无线传感器节点已成现实。
1 Q; Q: K6 X- f3 g6 W- l. W# F0 `
6 q$ s4 N) t: n7 T5 l无线传感器网络系统所包含的三种类型的节点，即传感器节点、汇聚节点和任务管理节点。图中白色的监测区域中已经部署了大量的无线传感器节点，每个节点都可以采集其覆盖区域的现场数据并且路由到汇聚节点并通过一种多跳的方式来路由数据，节点A就是经过了A<->B<->C<->D<->汇聚节点的多跳路由来实现数据转发，其它传感器节点的情况依此类推。汇聚节点是一个类似于网关的特殊节点，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，能够把无线传感器网络桥接到其他的通信网络，比如Internet，从而使终端用户能够方便实时地通过任务管理节点来进行各种操作。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，也可以是仅带有无线通信接口的网关设备。任务管理节点则可以是各种智能终端，比如PC、PDA甚至是智能手机。
% [/ s! ~2 w* N& u' _2 a& z

/ ]/ d/ v; W; B1 R( I1 J4 h如图2所示，每个微型节点都集成了传感、数据处理、通信和电源模块，可以对原始数据按要求进行一些简单的计算处理后再发送出去。大量的智能节点通过先进的网状联网方式，可以灵活紧密地部署在被测对象的内部或周围，把人类感知的触角延伸到物理世界的每个角落。尽管单个节点的能力是微不足道的，但是成百上千节点组成的网络系统能带来强大的规模效应。一个典型的无线传感器节点由四个基本模块组成：传感模块、计算模块、无线通信模块和电源模块。
  t/ Z  q6 z4 E' O& `9 ~

1 E; h1 n* K1 f% T/ V9 j根据不同的应用场合，有的无线传感器节点可能还会有一些附加模块，比如定位系统，连续供电系统以及移动基座等。传感模块包含传感器和ADC，计算模块包含MCU和存储器。由于有的MCU内部集成了ADC，所以ADC在这种情况下也可以划入到计算模块。现场采集到的原始传感信息经过A/D转换后被发送到计算模块进行处理，再通过无线通信模块发送到指定地点。电源模块一般采用电池，可以是碱性电池、锂电池或镍氢电池。为了在执行比较耗能的任务时能够保证持续的电力供应，也可以采用太阳能电池。

  |; T( W# Z* E. ^& q6 E# h无线传感器网络在环境监测系统中的应用
% P8 ]2 o9 ^# N( ~  N
环境监测是一类典型的传感器网络应用，它主要包括矿井安全监控、生态环境监测和智能家居等。

. A' w- B' r3 W! q（1）矿井安全监控

1 l  C5 h3 X  q" j! E矿井利用无线传感器网络实现井下安全监控的系统结构框图如图3所示。传感器节点负责井下多点数据采集，主要包括CO、瓦斯、风速和气压等参数，通过井场监控终端（基站）和地面基站传送给后台监控中心。后台监护人员通过该监测系统可及时、有效、全面的掌握矿井情况，有利于矿井实施指挥调度、安全监测，从而可以有效地防止矿井事故的发生。
; ?5 A* E" e: ~! j0 E
# v' \( k* l: R' O5 f- d7 X, t
矿井无线传感器网络节点根据是否经常移动分为规定数据采集节点和移动数据采集节点两类。相对固定的节点主要安排在巷道的拐弯处或直巷道的固定位置，用于采集巷道瓦斯浓度、转发其他节点的通信数据，保持无线链路的畅通。固定节点则用CAN总线连接起来。而移动节点佩带在工人身上或者安装在运动的矿车设备上，也可以随机安装在瓦斯渗出变化较快的关键位置，用于移动测量环境和生产参数。监控中心主要由CAN总线适配器与PC机组成，用于收集、分析、显示和监测井下各种传感器数据的状态。

% ^/ L% q! I# v" b# q2 U( k5 M1 d7 t8 w0 f（2）生态环境监测

传感器网络在生态环境监测方面的应用非常典型。美国加州大学伯克利分校计算机系Intel实验室和大西洋学院（The College of the Atlantic, COA）联合开展了一个名为“in-situ”的利用传感器网络监控海岛生态环境的项目。该研究组在大鸭岛（Great Duck Island）上部署了由43个传感器节点组成的传感器网络，节点上安装有多种传感器以监测海岛上不同类型的数据。如使用光敏传感器、数字温湿度传感器和压力传感器监测海燕地下巢穴的微观环境，使用低能耗的被动红外传感器监测巢穴的使用情况等。
6 n$ j1 `1 t0 l9 x
$ H& ?0 f! R# A* z  M! M
) v5 D2 I7 Q* o图4 森林资源监控

2 p5 f$ i+ K' Z/ v（3）智能家居
4 P& t  n3 d% g/ E5 e8 a
无线传感器网络还可以应用于家居中，其家用远程环境监控系统的结构框图如图5所示。通过在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连接在一起，用户可以通过远程监控系统完成对家电的远程遥控，例如用户可以在回家之前半小时打开空调，这样回家的时候就可以直接享受适合的室温，从而给用户提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。识别和频段的划分，这样可以帮助扩充更多的表计数。