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無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)——放飛你的測(cè)量應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2010-12-23 10:49    發(fā)布者:嵌入式公社
關(guān)鍵詞: 無(wú)線(xiàn)傳感
NI技術(shù)市場(chǎng)工程師 方慧敏

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)。而隨著技術(shù)的發(fā)展,人們已不滿(mǎn)足于原有單一的、獨(dú)立的傳感器系統(tǒng)。很多時(shí)候,我們需要將來(lái)自不同區(qū)域的信息聯(lián)合匯總,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀況的綜合判斷。

在農(nóng)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(nóng)作物健康生長(zhǎng);在礦區(qū),我們需要知道瓦斯?jié)舛龋V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(hù)建筑的結(jié)構(gòu)健康。通常,在這些情況下,用來(lái)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(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)檢測(cè)工作,工作人員無(wú)法經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)。這時(shí),長(zhǎng)距離布線(xiàn),數(shù)據(jù)的匯總,傳感器的遠(yuǎn)程配置,系統(tǒng)長(zhǎng)期供電以及信號(hào)的安全性等都是工程師需要考慮的問(wèn)題。

而隨著無(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(jié)點(diǎn)都能夠獨(dú)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(diǎn)的數(shù)目可以達(dá)到上萬(wàn),監(jiān)測(cè)超過(guò)幾十平方公里范圍內(nèi)的各類(lèi)信號(hào)。

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(dú)立分布的節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)。安放在不同地點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)不斷采集著外界的物理信息,如溫度、聲音、震動(dòng)等。相互獨(dú)立的節(jié)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(jié)點(diǎn)都能夠?qū)崿F(xiàn)采集,數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單處理,還能接收來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)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(jìn)行分析。通常,一個(gè)典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)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(jì)70年代,最早被應(yīng)用于美國(guó)軍方資助項(xiàng)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(yīng)用逐漸轉(zhuǎn)向民用,在森林、河流的環(huán)境監(jiān)測(cè)中、在建筑環(huán)境的智能化應(yīng)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(xiàn)了它的身影。在1999年和2003年,美國(guó)商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評(píng)論雜志相繼將其評(píng)價(jià)為21世紀(jì)最具影響力的20項(xiàng)技術(shù)以及改變世界的10大新技術(shù)。

作為一種針對(duì)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的技術(shù),在項(xiàng)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(gòu)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?fù)浣Y(jié)構(gòu),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(yīng)用中,通常采集節(jié)點(diǎn)被放置在相距較遠(yuǎn)的位置,甚至有時(shí)處于室外的采集節(jié)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(fèi),高容錯(cuò)性的要求。此時(shí)ZigBee技術(shù)應(yīng)運(yùn)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(dá)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(dá)數(shù)年的時(shí)間內(nèi)連續(xù)工作。

下圖列出了蜂窩網(wǎng)絡(luò)(Cellular)、藍(lán)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(zhǎng)距離傳輸能力勝出,適合用于長(zhǎng)達(dá)數(shù)年無(wú)人值守的監(jiān)控應(yīng)用。


圖 1,ZigBee與蜂窩網(wǎng)絡(luò)(Cellular)、藍(lán)牙、Wi-FI等無(wú)線(xiàn)協(xié)議的比較

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>

對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)目動(dòng)輒超過(guò)數(shù)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(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(hào)傳輸?shù)姆(wěn)定性。
星形是最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),每一個(gè)節(jié)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?fù)淠軌蚪鉀Q這個(gè)問(wèn)題,添加路由節(jié)點(diǎn)后,遠(yuǎn)處的節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)能夠通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。然而樹(shù)形拓?fù)淙匀淮嬖诳煽啃缘膯?wèn)題,一旦路由節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生問(wèn)題,所有由這個(gè)節(jié)點(diǎn)通向網(wǎng)關(guān)的通路將被切斷。所以,對(duì)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?fù)?mesh topology)結(jié)構(gòu)。


圖 2,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):星型,樹(shù)型以及網(wǎng)狀拓?fù)?br />
以美國(guó)國(guó)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(jié)點(diǎn)都能夠被配置成路由節(jié)點(diǎn)。根據(jù)應(yīng)用的需要,工程師可以選擇樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如下圖所示,在網(wǎng)狀拓?fù)湎拢?jié)點(diǎn)4擁有兩條通往網(wǎng)關(guān)的通道,一旦節(jié)點(diǎn)1發(fā)生故障而損壞,數(shù)據(jù)也能夠通過(guò)節(jié)點(diǎn)2傳回網(wǎng)關(guān),避免數(shù)據(jù)的丟失。


圖 3,網(wǎng)狀拓?fù)湎碌腘I無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)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(zhǎng)距離的布線(xiàn),這就牽涉到兩個(gè)問(wèn)題,一是信號(hào)的傳輸,二是設(shè)備的供電。信號(hào)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(duì)設(shè)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(shè)備。由于電池所能供應(yīng)的電量有限,為了滿(mǎn)足設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間使用的要求,必須嚴(yán)格控制無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)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(yīng)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(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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(dāng)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(zhǎng)時(shí)間堅(jiān)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠幫助工程師完成遠(yuǎn)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(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布等功能。例如,將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器,以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)交互界面),以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)連接到多樣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,進(jìn)行協(xié)同工作。在這些情況下,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具備良好的兼容性,實(shí)現(xiàn)與各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的快速連接。

常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的是TinyOS或者M(jìn)ANTIS等特殊操作系統(tǒng),需要采用nesC (network embedded systems C)開(kāi)發(fā)方式,系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工程師必須學(xué)習(xí)一種新的開(kāi)發(fā)方式,才能在現(xiàn)有的系統(tǒng)中添加無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。

為了幫助工程師減少開(kāi)發(fā)時(shí)間,NI采用了統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW實(shí)現(xiàn)對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò),遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)以及人機(jī)交互界面的開(kāi)發(fā)。在LabVIEW平臺(tái)下,工程師不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程配置,并在節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)算法;同時(shí),還能夠支持所有的NI工業(yè)平臺(tái),例如:自動(dòng)化控制器CompactRIO,人機(jī)交互界面(HMI)。此外,LabVIEW也支持通過(guò)OPC或者各種工業(yè)總線(xiàn)連接到第三方設(shè)備。為了滿(mǎn)足日益增加的數(shù)據(jù)共享的需求,LabVIEW還支持?jǐn)?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(lái)自全球各地的工程師都能夠快速訪(fǎng)問(wèn)到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。工程師無(wú)需針對(duì)不同的設(shè)備和不同的技術(shù)一一學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)方式,在一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)下就能夠完成一個(gè)完整的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。


圖 4, NI無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的兼容性

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力十分巨大:在大型建筑中,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠被快速發(fā)布到各個(gè)樓面以及建筑的內(nèi)外表面,無(wú)需考慮布線(xiàn)問(wèn)題就能獲得分項(xiàng)電量、溫濕度、用水量等信息,并傳遞回控制室,實(shí)現(xiàn)建筑能耗的監(jiān)測(cè)。在跨海大橋上,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠被放置在橋梁兩側(cè)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(lái)的數(shù)據(jù),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(jiān)護(hù)室,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠被安置在臥室,衛(wèi)生間,廚房以及客廳,通過(guò)對(duì)于光,溫度,紅外傳感器的信號(hào),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(chǎng)等危險(xiǎn)工作環(huán)境中,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)還能夠代替工作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控,及時(shí)排除險(xiǎn)情,確保人員安全。

下面本文將就NI無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在一些熱點(diǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行具體的分析:

建筑樓宇內(nèi)部監(jiān)測(cè):

一般而言,建筑內(nèi)部的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要在建造的同時(shí)架設(shè)完成,在已經(jīng)投入使用的建筑內(nèi)添加此類(lèi)系統(tǒng)則非常復(fù)雜,而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)則能夠幫助工程師簡(jiǎn)化架設(shè)的流程。加州大學(xué)洛杉機(jī)分校(UCLA)采用NI無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在停車(chē)場(chǎng)內(nèi)架設(shè)了一個(gè)使用率監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)能夠在各個(gè)入口和出口處監(jiān)測(cè)是否有車(chē)流經(jīng)過(guò),從而統(tǒng)計(jì)停車(chē)場(chǎng)不同位置的空車(chē)位情況。數(shù)據(jù)最終通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)并匯總到NI CompactRIO處理器中,在處理完畢后,數(shù)據(jù)還能夠被上傳到UCLA的交通網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中,供授權(quán)用戶(hù)查看信息。


圖 5,被安置在停車(chē)場(chǎng)入口的NI無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)

綠色能源及環(huán)境監(jiān)測(cè):

Solix公司是一家知名的生物能源公司。在他們的水田里,設(shè)備日以繼夜地工作,將藻類(lèi)轉(zhuǎn)化為乙醇或柴油燃料,為飛機(jī),汽車(chē)以及工廠(chǎng)供熱系統(tǒng)提供者潔凈的能源。為了保證藻類(lèi)在合適的環(huán)境下生長(zhǎng),他們將NI無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在數(shù)十英畝的水田中,實(shí)時(shí)傳回水田的PH值信息,以及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

工廠(chǎng)過(guò)程監(jiān)控:

在現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)上,通常也需要實(shí)現(xiàn)多種信息的監(jiān)測(cè)。例如,針對(duì)飲料生產(chǎn)線(xiàn),需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)需布線(xiàn)的特性是的工程師能夠快速在成型的生產(chǎn)線(xiàn)上架設(shè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并且在安裝系統(tǒng)時(shí)無(wú)需中斷生產(chǎn)線(xiàn)的運(yùn)作,就能夠及時(shí)獲得產(chǎn)線(xiàn)上的各種數(shù)據(jù)。

小結(jié)

作為一種新興技術(shù),無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)擁有廣泛的發(fā)展空間。利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)靈活、可靠、安全的數(shù)據(jù)采集。相信隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)必將被使用在生活工作的各個(gè)方面,實(shí)現(xiàn)人與自然的無(wú)縫溝通。

需要了解更多關(guān)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息,請(qǐng)?jiān)L問(wèn):ni.com/wsn/zhs

NI公司供稿
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