無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )起飛在即

“無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Networks, WSN)的主要挑戰之一就是潛在應用非常多，目前需要讓更多的工程技術(shù)和管理人員了解這項新興的科技,并能找出相適應的應用?！笨藸査共┛萍?北京)有限公司(Crossbow Technology)董事長(cháng)兼總經(jīng)理John Crawford先生表示。
由于監控物理環(huán)境的重要性從來(lái)沒(méi)有象今天這么突出，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )已被視為環(huán)境監測、建筑監測、公用事業(yè)、工業(yè)控制、家庭、船舶和運輸系統自動(dòng)化中的下一個(gè)發(fā)展方向。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基本元素是傳感器節點(diǎn)?！爸悄軌m埃(Mote)”是用于描述傳感器節點(diǎn)的另一個(gè)術(shù)語(yǔ)，最初是由加州大學(xué)伯克利分校及其合作伙伴Crossbow和英特爾等廠(chǎng)商提出的。每個(gè)Mote含有一個(gè)微型處理器(通常是低功耗MCU)、無(wú)線(xiàn)通訊芯片、各種傳感器、足夠的內存和硬件能力，能夠以較低的功耗執行監視與控制任務(wù)。
象任何有感覺(jué)能力的生物體一樣，WSN最依賴(lài)的是來(lái)自物理世界的傳感數據。傳感數據來(lái)自分布在各處的傳感器，不同形態(tài)的傳感器處于靈活的網(wǎng)絡(luò )架構(通常稱(chēng)為“網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )”)之中，以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)射/接收信號。只要鄰近的mote距離不超過(guò)100米，就不需要有線(xiàn)方式連接網(wǎng)絡(luò )。在一個(gè)工廠(chǎng)中，數百個(gè)mote形成一個(gè)類(lèi)似蜘蛛網(wǎng)的網(wǎng)狀傳感器網(wǎng)絡(luò )，實(shí)際上具有無(wú)數個(gè)可以雙向傳送信息的路徑。WSN具有多級冗余、自組網(wǎng)和自愈能力，意即如果有任意一個(gè)或多個(gè)Mote失效，剩余的許多Mote將重新形成一個(gè)新的通訊網(wǎng)絡(luò )。當這個(gè)或多個(gè)Mote重新正常工作時(shí)，它將自動(dòng)被融入先前的網(wǎng)絡(luò )中。這種特性也為用戶(hù)提供了隨時(shí)添加或減少傳感器網(wǎng)絡(luò )中Mote數目的功能(不需要設置網(wǎng)絡(luò )結構和路由)。
盡管WSN為業(yè)界提供了巨大的想象空間，但由于節點(diǎn)成本、功耗和體積等關(guān)鍵問(wèn)題一直沒(méi)有很好解決，過(guò)去很多年來(lái)，WSN一直限于科研機構和實(shí)驗室。不過(guò)，隨著(zhù)微電機系統(MEMS)、低功耗無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議(Zigbee)和數字電路設計的飛速發(fā)展，上述這些難點(diǎn)正在被解決，WSN已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入商用階段。
Crossbow公司的CEO Mike Horton先生表示，WSN的商用可以劃分三個(gè)階段：2003~2004年，WSN開(kāi)始被試用，以驗證投資回報，這一時(shí)期每個(gè)傳感器節點(diǎn)的成本為100~300美元；2005~2006年，WSN的使用量持續增長(cháng)，重點(diǎn)關(guān)注可靠性和集成度，每個(gè)節點(diǎn)的成本為10~100美元；而2007~2010年為WSN的起飛期，新應用不斷涌現，出貨量高速增長(cháng)，這一時(shí)期為消費者驅動(dòng)，重點(diǎn)關(guān)注成本和尺寸，每個(gè)節點(diǎn)的成本可降至1~10美元甚至可以到1美元以下。根據美國幾個(gè)知名市場(chǎng)公司預測，到2008年，WSN節點(diǎn)出貨量將超過(guò)1億個(gè)，市場(chǎng)銷(xiāo)售總額超過(guò)20億美元。
Mike Horton是WSN領(lǐng)域的傳奇型人物，1995年，當時(shí)年僅22歲的他創(chuàng )辦了Crossbow公司，該公司已經(jīng)得到了來(lái)自思科和英特爾等幾家公司總計超過(guò)2,500萬(wàn)美元的風(fēng)險投資。Crossbow公司是慣性傳感器系統供應商，同時(shí)也是WSN全面解決方案提供商，可以提供全套硬件和軟件平臺及解決方案，包括節點(diǎn)、智能塵埃工具包、處理器/無(wú)線(xiàn)電通信模塊、傳感器和數據獲取板，以及網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò )接口等。截止到2005年底，Crossbow公司的WSN節點(diǎn)出貨量已經(jīng)超過(guò)100萬(wàn)個(gè)，被英特爾和BP等眾多財富100強公司采用，應用領(lǐng)域包括工業(yè)自動(dòng)化、建筑監測、資產(chǎn)追蹤、環(huán)境監測、健康監測和科研教育等。
Crossbow的硬件平臺包括處理器/射頻板。這些電池供電的設備運行于開(kāi)放源碼的TinyOS操作系統上并支持雙向無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )。傳感器/數據采集板直接配合處理器/射頻板。Horton表示，基于性?xún)r(jià)比的考慮，Crossbow公司選用支持Zigbee協(xié)議的Chipcon CC2420通訊芯片與低功耗處理器ATMEL128結合作為Mote的主要器件。為了更多地降低節點(diǎn)的成本、體積和功耗，Crossbow還在和合作伙伴一同開(kāi)發(fā)新一代把處理器和通訊模塊集成在一起的SoC技術(shù)。
支持WSN的通訊協(xié)議包括ZigBee和ISA SP100，其中ZigBee被寄予厚望。Horton指出：“WSN的市場(chǎng)巨大，并不僅僅限制于目前的幾種應用，如照明控制，而且WSN將是ZigBee的主要應用領(lǐng)域。Crossbow將于2006年度在中國推出業(yè)內第一款完整開(kāi)放源代碼的支持Zigbee協(xié)議的WSN軟件開(kāi)發(fā)平臺——MOTEWORKS，它將對中國WSN市場(chǎng)有著(zhù)推波助瀾的深遠影響?！?nbsp;
目前WSN在中國處于啟動(dòng)階段，很多大學(xué)和科研機構都進(jìn)行相關(guān)研究。Crawford表示：“中國和美國市場(chǎng)大約有2~3年的差距，預計2006~2007年，WSN應用在中國開(kāi)始出現，目前中國一家大型國有能源公司正在評估部署WSN的計劃。