無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )――放飛你的測量應用

自人類(lèi)踏入信息時(shí)代，自然界的信息通過(guò)傳感器源源而來(lái)。而隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，人們已不滿(mǎn)足于原有單一的、獨立的傳感器系統。很多時(shí)候，我們需要將來(lái)自不同區域的信息聯(lián)合匯總，從而實(shí)現對現場(chǎng)狀況的綜合判斷。
在農場(chǎng)里，我們需要了解各處作物的灌溉情況，土壤空氣質(zhì)量，以確保農作物健康生長(cháng)；在礦區，我們需要知道瓦斯濃度，礦工位置以及地下礦場(chǎng)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(gè)位置受環(huán)境濕度，風(fēng)速的影響以及自身老化程度，以及時(shí)維護建筑的結構健康。通常，在這些情況下，用來(lái)采集數據的傳感器被放置在相距上千米的位置，并且需要在長(cháng)達幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間內進(jìn)行連續數據檢測工作，工作人員無(wú)法經(jīng)常進(jìn)行維護。這時(shí)，長(cháng)距離布線(xiàn)，數據的匯總，傳感器的遠程配置，系統長(cháng)期供電以及信號的安全性等都是工程師需要考慮的問(wèn)題。
而隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network)技術(shù)的發(fā)展，這些瓶頸被一一化解。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，每一個(gè)節點(diǎn)都能夠獨立采集，并將數據匯總。根據應用規模的不同，節點(diǎn)的數目可以達到上萬(wàn)，監測超過(guò)幾十平方公里范圍內的各類(lèi)信號。
那么，究竟什么是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )呢？
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一種由獨立分布的節點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)構成的傳感器網(wǎng)絡(luò )。安放在不同地點(diǎn)的傳感器節點(diǎn)不斷采集著(zhù)外界的物理信息，如溫度、聲音、震動(dòng)等。相互獨立的節點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的每個(gè)節點(diǎn)都能夠實(shí)現采集，數據的簡(jiǎn)單處理，還能接收來(lái)自其他節點(diǎn)的數據，并最終將數據發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。工程師可以從網(wǎng)關(guān)獲取數據，查看歷史數據記錄或進(jìn)行分析。通常，一個(gè)典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的硬件結構包括：傳感器接口、ADC、微處理器、電源以及無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )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(guò)近30年的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用逐漸轉向民用，在森林、河流的環(huán)境監測中、在建筑環(huán)境的智能化應用中，以及一些無(wú)法放置有線(xiàn)傳感器的工業(yè)環(huán)境中都已經(jīng)出現了它的身影。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(jià)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(kāi)發(fā)的技術(shù)，在項目中選擇無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )必須考慮到實(shí)用性。構建一個(gè)典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，必須要考慮以下四個(gè)重要的因素：網(wǎng)絡(luò )選擇，拓撲結構，功耗以及兼容性。
無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的選擇
無(wú)線(xiàn)技術(shù)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中最關(guān)鍵的一個(gè)部分。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的典型應用中，通常采集節點(diǎn)被放置在相距較遠的位置，甚至有時(shí)處于室外的采集節點(diǎn)無(wú)法連接到電網(wǎng)，所以在挑選無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )時(shí)，帶寬、傳輸距離以及功耗是三個(gè)主要考慮因素。
在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)誕生之初，已有的無(wú)線(xiàn)協(xié)議很難滿(mǎn)足低功耗，低花費，高容錯性的要求。此時(shí)ZigBee技術(shù)應運而生。發(fā)展近10年來(lái)，ZigBee已被證明是最適合用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)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年的時(shí)間內連續工作。
下圖列出了蜂窩網(wǎng)絡(luò )(Cellular)、藍牙、Wi-FI以及ZigBee等無(wú)線(xiàn)協(xié)議的性能比較，ZigBee協(xié)議以其低功耗，長(cháng)距離傳輸能力勝出，適合用于長(cháng)達數年無(wú)人值守的監控應用。

圖 1，ZigBee與蜂窩網(wǎng)絡(luò )(Cellular)、藍牙、Wi-FI等無(wú)線(xiàn)協(xié)議的比較
網(wǎng)絡(luò )拓撲
對于節點(diǎn)數目動(dòng)輒超過(guò)數十個(gè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )而言，選擇合適的網(wǎng)絡(luò )結構不僅能夠拓展網(wǎng)絡(luò )的傳輸距離還能夠保證信號傳輸的穩定性。
星形是最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，每一個(gè)節點(diǎn)都擁有一條直接通向網(wǎng)關(guān)的通道，然而其傳輸距離有限。采用樹(shù)形拓撲能夠解決這個(gè)問(wèn)題，添加路由節點(diǎn)后，遠處的節點(diǎn)上的數據能夠通過(guò)路由節點(diǎn)傳輸到網(wǎng)關(guān)。然而樹(shù)形拓撲仍然存在可靠性的問(wèn)題，一旦路由節點(diǎn)產(chǎn)生問(wèn)題，所有由這個(gè)節點(diǎn)通向網(wǎng)關(guān)的通路將被切斷。所以，對于可靠性要求很高的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，建議選擇網(wǎng)狀拓撲(mesh topology)結構。

圖 2，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構：星型，樹(shù)型以及網(wǎng)狀拓撲
以美國國家儀器公司(National Instruments,　以下簡(jiǎn)稱(chēng)NI)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )為例。NI的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中每一個(gè)節點(diǎn)都能夠被配置成路由節點(diǎn)。根據應用的需要，工程師可以選擇樹(shù)形拓撲結構或者網(wǎng)狀拓撲結構。如下圖所示，在網(wǎng)狀拓撲下，節點(diǎn)4擁有兩條通往網(wǎng)關(guān)的通道，一旦節點(diǎn)1發(fā)生故障而損壞，數據也能夠通過(guò)節點(diǎn)2傳回網(wǎng)關(guān)，避免數據的丟失。

圖 3，網(wǎng)狀拓撲下的NI無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )
系統功耗
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通常被放置在室外，無(wú)法進(jìn)行長(cháng)距離的布線(xiàn)，這就牽涉到兩個(gè)問(wèn)題，一是信號的傳輸，二是設備的供電。信號傳輸問(wèn)題可以通過(guò)選擇無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )解決；而針對設備供電問(wèn)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(mǎn)足設備長(cháng)時(shí)間使用的要求，必須嚴格控制無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的能耗。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的硬件結構中，無(wú)線(xiàn)收發(fā)器以及微處理器是耗能大戶(hù)。所以用戶(hù)一方面應選用ZigBee技術(shù)保證無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的低功耗，同時(shí)，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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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，就能夠保證它持續工作三年之久，即使安放在人跡罕至的區域，仍然能夠保證長(cháng)時(shí)間堅守崗位。