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NI技術市場工程師 方慧敏 自人類踏入信息時代，自然界的信息通過傳感器源源而來。而隨著技術的發展，人們已不滿足于原有單一的、獨立的傳感器系統。很多時候，我們需要將來自不同區域的信息聯合匯總，從而實現對現場狀況的綜合判斷。 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，我們需要知道瓦斯濃度，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，用來采集數據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數據檢測工作，工作人員無法經常進行維護。這時，長距離布線，數據的匯總，傳感器的遠程配置，系統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絡(Wireless Sensor Network)技術的發展，這些瓶頸被一一化解。在無線傳感器網絡中，每一個節點都能夠獨立采集，并將數據匯總。根據應用規模的不同，節點的數目可以達到上萬，監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絡呢？ 無線傳感器網絡技術 無線傳感器網絡是一種由獨立分布的節點以及網關構成的傳感器網絡。安放在不同地點的傳感器節點不斷采集著外界的物理信息，如溫度、聲音、震動等。相互獨立的節點之間通過無線網絡進行通信。無線傳感器網絡的每個節點都能夠實現采集，數據的簡單處理，還能接收來自其他節點的數據，并最終將數據發送到網關。工程師可以從網關獲取數據，查看歷史數據記錄或進行分析。通常，一個典型的無線傳感器網絡節點的硬件結構包括：傳感器接口、ADC、微處理器、電源以及無線收發裝置。 無線傳感器網絡誕生于上世紀70年代，最早被應用于美國軍方資助項目。經過近30年的發展，無線傳感器網絡的應用逐漸轉向民用，在森林、河流的環境監測中、在建筑環境的智能化應用中，以及一些無法放置有線傳感器的工業環境中都已經出現了它的身影。在1999年和2003年，美國商業周刊和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的技術，在項目中選擇無線傳感器網絡必須考慮到實用性。構建一個典型的無線傳感器網絡，必須要考慮以下四個重要的因素：網絡選擇，拓撲結構，功耗以及兼容性。 無線網絡的選擇 無線技術是無線傳感器網絡中最關鍵的一個部分。在無線傳感器網絡的典型應用中，通常采集節點被放置在相距較遠的位置，甚至有時處于室外的采集節點無法連接到電網，所以在挑選無線網絡時，帶寬、傳輸距離以及功耗是三個主要考慮因素。 在無線傳感器網絡技術誕生之初，已有的無線協議很難滿足低功耗，低花費，高容錯性的要求。此時ZigBee技術應運而生。發展近10年來，ZigBee已被證明是最適合用于無線傳感器網絡的無線技術：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年的時間內連續工作。 下圖列出了蜂窩網絡(Cellular)、藍牙、Wi-FI以及ZigBee等無線協議的性能比較，ZigBee協議以其低功耗，長距離傳輸能力勝出，適合用于長達數年無人值守的監控應用。 
圖 1，ZigBee與蜂窩網絡(Cellular)、藍牙、Wi-FI等無線協議的比較 網絡拓撲 對于節點數目動輒超過數十個的無線傳感器網絡而言，選擇合適的網絡結構不僅能夠拓展網絡的傳輸距離還能夠保證信號傳輸的穩定性。 星形是最簡單的網絡拓撲結構，每一個節點都擁有一條直接通向網關的通道，然而其傳輸距離有限。采用樹形拓撲能夠解決這個問題，添加路由節點后，遠處的節點上的數據能夠通過路由節點傳輸到網關。然而樹形拓撲仍然存在可靠性的問題，一旦路由節點產生問題，所有由這個節點通向網關的通路將被切斷。所以，對于可靠性要求很高的無線網絡，建議選擇網狀拓撲(mesh topology)結構。
圖 2，網絡拓撲結構：星型，樹型以及網狀拓撲 以美國國家儀器公司(National Instruments, 以下簡稱NI)的無線傳感器網絡為例。NI的無線傳感器網絡中每一個節點都能夠被配置成路由節點。根據應用的需要，工程師可以選擇樹形拓撲結構或者網狀拓撲結構。如下圖所示，在網狀拓撲下，節點4擁有兩條通往網關的通道，一旦節點1發生故障而損壞，數據也能夠通過節點2傳回網關，避免數據的丟失。
圖 3，網狀拓撲下的NI無線傳感器網絡 系統功耗 無線傳感器網絡通常被放置在室外，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，二是設備的供電。信號傳輸問題可以通過選擇無線網絡解決；而針對設備供電問題，則必須考慮外部電源，例如電池或小型發電設備。由于電池所能供應的電量有限，為了滿足設備長時間使用的要求，必須嚴格控制無線傳感器網絡節點的能耗。在無線傳感器網絡節點的硬件結構中，無線收發器以及微處理器是耗能大戶。所以用戶一方面應選用ZigBee技術保證無線收發器的低功耗，同時，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作為無線傳感器網絡節點的處理器。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，仍然能夠保證長時間堅守崗位。 兼容性 最后，我們還需要考慮的是系統的兼容性。無線傳感器網絡能夠幫助工程師完成遠程數據的采集，然而我們還需要考慮到數據的分析、顯示以及通過互聯網發布等功能。例如，將無線傳感器網絡連接到遠程服務器，以實現對持續采集獲得的海量數據的記錄和分析；連接到HMI(人機交互界面)，以實現歷史數據和實時數據的顯示；此外，在一些工業應用中，更有可能將無線傳感器網絡連接到多樣的工業現場設備，進行協同工作。在這些情況下，無線傳感器網絡必須具備良好的兼容性，實現與各種現場設備的快速連接。 常見的無線傳感器網絡采用的是TinyOS或者MANTIS等特殊操作系統，需要采用nesC (network embedded systems C)開發方式，系統開發工程師必須學習一種新的開發方式，才能在現有的系統中添加無線傳感器網絡。 為了幫助工程師減少開發時間，NI采用了統一的開發平臺LabVIEW實現對于無線傳感器網絡，遠程數據庫以及人機交互界面的開發。在LabVIEW平臺下，工程師不僅能夠實現對于無線傳感器網絡的遠程配置，并在節點上實現算法；同時，還能夠支持所有的NI工業平臺，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或者各種工業總線連接到第三方設備。為了滿足日益增加的數據共享的需求，LabVIEW還支持數據的網絡發布功能，利用Web Service，我們可以將數據快速發布到互聯網絡，來自全球各地的工程師都能夠快速訪問到網絡數據庫中的數據。工程師無需針對不同的設備和不同的技術一一學習開發方式，在一個統一的平臺下就能夠完成一個完整的遠程監控系統。
圖 4， NI無線傳感器網絡的兼容性 無線傳感器網絡應用分析 無線傳感器網絡在各個領域的應用潛力十分巨大：在大型建筑中，無線傳感器網絡能夠被快速發布到各個樓面以及建筑的內外表面，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，實現建筑能耗的監測。在跨海大橋上，無線傳感器網絡能夠被放置在橋梁兩側或者橋墩底部，捕獲壓電傳感器、加速度傳感器、濕度傳感器中傳來的數據，以推算出橋墩的腐蝕程度以及橋面的變形程度，保證橋梁的安全使用。在監護室，無線傳感器網絡能夠被安置在臥室，衛生間，廚房以及客廳，通過對于光，溫度，紅外傳感器的信號，分辨出老年人的行為以及健康狀況。在煤礦、石油鉆井、核電廠等危險工作環境中，無線傳感器網絡還能夠代替工作人員對現場進行監控，及時排除險情，確保人員安全。 下面本文將就NI無線傳感器網絡在一些熱點領域的應用進行具體的分析： 建筑樓宇內部監測： 一般而言，建筑內部的監測系統需要在建造的同時架設完成，在已經投入使用的建筑內添加此類系統則非常復雜，而無線傳感器網絡則能夠幫助工程師簡化架設的流程。加州大學洛杉機分校（UCLA）采用NI無線傳感器網絡在停車場內架設了一個使用率監控系統。監控系統能夠在各個入口和出口處監測是否有車流經過，從而統計停車場不同位置的空車位情況。數據最終通過ZigBee網絡傳輸到網關并匯總到NI CompactRIO處理器中，在處理完畢后，數據還能夠被上傳到UCLA的交通網數據庫中，供授權用戶查看信息。
圖 5，被安置在停車場入口的NI無線傳感器網絡 綠色能源及環境監測： Solix公司是一家知名的生物能源公司。在他們的水田里，設備日以繼夜地工作，將藻類轉化為乙醇或柴油燃料，為飛機，汽車以及工廠供熱系統提供者潔凈的能源。為了保證藻類在合適的環境下生長，他們將NI無線傳感器網絡部署在數十英畝的水田中，實時傳回水田的PH值信息，以及時進行調整。 工廠過程監控： 在現有的工業生產線上，通常也需要實現多種信息的監測。例如，針對飲料生產線，需要實時監測入水口與出水口的水流量信息，以保證水資源的有效使用。NI無線傳感器網絡無需布線的特性是的工程師能夠快速在成型的生產線上架設監測系統，并且在安裝系統時無需中斷生產線的運作，就能夠及時獲得產線上的各種數據。 小結 作為一種新興技術，無線傳感器網絡擁有廣泛的發展空間。利用無線網絡能夠實現靈活、可靠、安全的數據采集。相信隨著技術的進一步完善，無線傳感器網絡必將被使用在生活工作的各個方面，實現人與自然的無縫溝通。 需要了解更多關于無線傳感器網絡的信息，請訪問：ni.com/wsn/zhs NI公司供稿 |
