無線傳感器網(wǎng)絡——放飛你的測量應用

　　自人類踏入信息時代，自然界的信息通過傳感器源源而來。而隨著技術的發(fā)展，人們已不滿足于原有單一的、獨立的傳感器系統(tǒng)。很多時候，我們需要將來自不同區(qū)域的信息聯(lián)合匯總，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場狀況的綜合判斷。

　　在農場里，我們需要了解各處作物的灌溉情況，土壤空氣質量，以確保農作物健康生長;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構健康。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(Wireless Sensor Network)技術的發(fā)展，這些瓶頸被一一化解。在無線傳感器網(wǎng)絡中，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的各類信號。

　　那么，究竟什么是無線傳感器網(wǎng)絡呢?

　　無線傳感器網(wǎng)絡技術

　　無線傳感器網(wǎng)絡是一種由獨立分布的節(jié)點以及網(wǎng)關構成的傳感器網(wǎng)絡。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)絡進行通信。無線傳感器網(wǎng)絡的每個節(jié)點都能夠實現(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。工程師可以從網(wǎng)關獲取數(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)絡節(jié)點的硬件結構包括：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)過近30年的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡的應用逐漸轉向民用，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技術評論雜志相繼將其評價為21世紀最具影響力的20項技術以及改變世界的10大新技術。

　　作為一種針對應用而開發(fā)的技術，在項目中選擇無線傳感器網(wǎng)絡必須考慮到實用性。構建一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡，必須要考慮以下四個重要的因素：網(wǎng)絡選擇，拓撲結構，功耗以及兼容性。

　　無線網(wǎng)絡的選擇

　　無線技術是無線傳感器網(wǎng)絡中最關鍵的一個部分。在無線傳感器網(wǎng)絡的典型應用中，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)絡技術誕生之初，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技術應運而生。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)絡的無線技術：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(shù)年的時間內連續(xù)工作。

　　下圖列出了蜂窩網(wǎng)絡(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)控應用。

　　網(wǎng)絡拓撲

　　對于節(jié)點數(shù)目動輒超過數(shù)十個的無線傳感器網(wǎng)絡而言，選擇合適的網(wǎng)絡結構不僅能夠拓展網(wǎng)絡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)絡拓撲結構，每一個節(jié)點都擁有一條直接通向網(wǎng)關的通道，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。然而樹形拓撲仍然存在可靠性的問題，一旦路由節(jié)點產生問題，所有由這個節(jié)點通向網(wǎng)關的通路將被切斷。所以，對于可靠性要求很高的無線網(wǎng)絡，建議選擇網(wǎng)狀拓撲(mesh topology)結構。