無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用探討

　　在農(nóng)場里，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(nóng)作物健康生長;在礦區(qū)，我們需要知道瓦斯?jié)舛?，礦工位置以及地下礦場溫濕度，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位置受環(huán)境濕度，風速的影響以及自身老化程度，以及時維護建筑的結(jié)構(gòu)健康。通常，在這些情況下，用來采集數(shù)據(jù)的傳感器被放置在相距上千米的位置，并且需要在長達幾個月甚至幾年的時間內(nèi)進行連續(xù)數(shù)據(jù)檢測工作，工作人員無法經(jīng)常進行維護。這時，長距離布線，數(shù)據(jù)的匯總，傳感器的遠程配置，系統(tǒng)長期供電以及信號的安全性等都是工程師需要考慮的問題。

　　而隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)技術(shù)的發(fā)展，這些瓶頸被一一化解。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每一個節(jié)點都能夠獨立采集，并將數(shù)據(jù)匯總。根據(jù)應(yīng)用規(guī)模的不同，節(jié)點的數(shù)目可以達到上萬，監(jiān)測超過幾十平方公里范圍內(nèi)的各類信號。

　　那么，究竟什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)呢?

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由獨立分布的節(jié)點以及網(wǎng)關(guān)構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)。安放在不同地點的傳感器節(jié)點不斷采集著外界的物理信息，如溫度、聲音、震動等。相互獨立的節(jié)點之間通過無線網(wǎng)絡(luò)進行通信。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點都能夠?qū)崿F(xiàn)采集，數(shù)據(jù)的簡單處理，還能接收來自其他節(jié)點的數(shù)據(jù)，并最終將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。工程師可以從網(wǎng)關(guān)獲取數(shù)據(jù)，查看歷史數(shù)據(jù)記錄或進行分析。通常，一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)包括：傳感器接口、ADC、微處理器、電源以及無線收發(fā)裝置。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)誕生于上世紀70年代，最早被應(yīng)用于美國軍方資助項目。經(jīng)過近30年的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用逐漸轉(zhuǎn)向民用，在森林、河流的環(huán)境監(jiān)測中、在建筑環(huán)境的智能化應(yīng)用中，以及一些無法放置有線傳感器的工業(yè)環(huán)境中都已經(jīng)出現(xiàn)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(yīng)用而開發(fā)的技術(shù)，在項目中選擇無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須考慮到實用性。構(gòu)建一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，必須要考慮以下四個重要的因素：網(wǎng)絡(luò)選擇，拓撲結(jié)構(gòu)，功耗以及兼容性。

　　無線網(wǎng)絡(luò)的選擇

　　無線技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最關(guān)鍵的一個部分。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用中，通常采集節(jié)點被放置在相距較遠的位置，甚至有時處于室外的采集節(jié)點無法連接到電網(wǎng)，所以在挑選無線網(wǎng)絡(luò)時，帶寬、傳輸距離以及功耗是三個主要考慮因素。

　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)誕生之初，已有的無線協(xié)議很難滿足低功耗，低花費，高容錯性的要求。此時ZigBee技術(shù)應(yīng)運而生。發(fā)展近10年來，ZigBee已被證明是最適合用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線技術(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(shè)備在高達數(shù)年的時間內(nèi)連續(xù)工作。

　　下圖列出了蜂窩網(wǎng)絡(luò)(Cellular)、藍牙、Wi-FI以及ZigBee等無線協(xié)議的性能比較，ZigBee協(xié)議以其低功耗，長距離傳輸能力勝出，適合用于長達數(shù)年無人值守的監(jiān)控應(yīng)用。

　　圖 1，ZigBee與蜂窩網(wǎng)絡(luò)(Cellular)、藍牙、Wi-FI等無線協(xié)議的比較

　　網(wǎng)絡(luò)拓撲

　　對于節(jié)點數(shù)目動輒超過數(shù)十個的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅能夠拓展網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離還能夠保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

　　星形是最簡單的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，每一個節(jié)點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。采用樹形拓撲能夠解決這個問題，添加路由節(jié)點后，遠處的節(jié)點上的數(shù)據(jù)能夠通過路由節(jié)點傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。然而樹形拓撲仍然存在可靠性的問題，一旦路由節(jié)點產(chǎn)生問題，所有由這個節(jié)點通向網(wǎng)關(guān)的通路將被切斷。所以，對于可靠性要求很高的無線網(wǎng)絡(luò)，建議選擇網(wǎng)狀拓撲(mesh topology)結(jié)構(gòu)。

　　圖 2，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)：星型，樹型以及網(wǎng)狀拓撲

　　以美國國家儀器公司(National Instruments,　以下簡稱NI)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為例。NI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每一個節(jié)點都能夠被配置成路由節(jié)點。根據(jù)應(yīng)用的需要，工程師可以選擇樹形拓撲結(jié)構(gòu)或者網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)。如下圖所示，在網(wǎng)狀拓撲下，節(jié)點4擁有兩條通往網(wǎng)關(guān)的通道，一旦節(jié)點1發(fā)生故障而損壞，數(shù)據(jù)也能夠通過節(jié)點2傳回網(wǎng)關(guān)，避免數(shù)據(jù)的丟失。

　　圖 3，網(wǎng)狀拓撲下的NI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　系統(tǒng)功耗

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常被放置在室外，無法進行長距離的布線，這就牽涉到兩個問題，一是信號的傳輸，二是設(shè)備的供電。信號傳輸問題可以通過選擇無線網(wǎng)絡(luò)解決;而針對設(shè)備供電問題，則必須考慮外部電源，例如電池或小型發(fā)電設(shè)備。由于電池所能供應(yīng)的電量有限，為了滿足設(shè)備長時間使用的要求，必須嚴格控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能耗。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)中，無線收發(fā)器以及微處理器是耗能大戶。所以用戶一方面應(yīng)選用ZigBee技術(shù)保證無線收發(fā)器的低功耗，同時，在保證處理器性能的前提下，還應(yīng)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作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的處理器。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(xù)工作三年之久，即使安放在人跡罕至的區(qū)域，仍然能夠保證長時間堅守崗位。

　　兼容性

　　最后，我們還需要考慮的是系統(tǒng)的兼容性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠幫助工程師完成遠程數(shù)據(jù)的采集，然而我們還需要考慮到數(shù)據(jù)的分析、顯示以及通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布等功能。例如，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接到遠程服務(wù)器，以實現(xiàn)對持續(xù)采集獲得的海量數(shù)據(jù)的記錄和分析;連接到HMI(人機交互界面)，以實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的顯示;此外，在一些工業(yè)應(yīng)用中，更有可能將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接到多樣的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備，進行協(xié)同工作。在這些情況下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具備良好的兼容性，實現(xiàn)與各種現(xiàn)場設(shè)備的快速連接。

　　常見的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的是TinyOS或者MANTIS等特殊操作系統(tǒng)，需要采用nesC (network embedded systems C)開發(fā)方式，系統(tǒng)開發(fā)工程師必須學習一種新的開發(fā)方式，才能在現(xiàn)有的系統(tǒng)中添加無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

　　為了幫助工程師減少開發(fā)時間，NI采用了統(tǒng)一的開發(fā)平臺LabVIEW實現(xiàn)對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，遠程數(shù)據(jù)庫以及人機交互界面的開發(fā)。在LabVIEW平臺下，工程師不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠程配置，并在節(jié)點上實現(xiàn)算法;同時，還能夠支持所有的NI工業(yè)平臺，例如：自動化控制器CompactRIO，人機交互界面(HMI)。此外，LabVIEW也支持通過OPC或者各種工業(yè)總線連接到第三方設(shè)備。為了滿足日益增加的數(shù)據(jù)共享的需求，LabVIEW還支持數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，利用Web Service，我們可以將數(shù)據(jù)快速發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，來自全球各地的工程師都能夠快速訪問到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。工程師無需針對不同的設(shè)備和不同的技術(shù)一一學習開發(fā)方式，在一個統(tǒng)一的平臺下就能夠完成一個完整的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

　　圖 4， NI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的兼容性

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用潛力十分巨大：在大型建筑中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠被快速發(fā)布到各個樓面以及建筑的內(nèi)外表面，無需考慮布線問題就能獲得分項電量、溫濕度、用水量等信息，并傳遞回控制室，實現(xiàn)建筑能耗的監(jiān)測。在跨海大橋上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠被放置在橋梁兩側(cè)或者橋墩底部，