無線傳感器網絡的數(shù)據(jù)采集技術應用探討

　　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)舛龋V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(jié)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(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)點之間通過無線網絡進行通信。無線傳感器網絡的每個節(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)送到網關。工程師可以從網關獲取數(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(fā)展，無線傳感器網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(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，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(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。

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

　　網絡拓撲

　　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?shù)姆€(wěn)定性。

　　星形是最簡單的網絡拓撲結構，每一個節(jié)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(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(jié)點都能夠被配置成路由節(jié)點。根據(jù)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(jié)點4擁有兩條通往網關的通道，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傳回網關，避免數(shù)據(jù)的丟失。

　　圖 3，網狀拓撲下的NI無線傳感器網絡

　　系統(tǒng)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(fā)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(jié)點的能耗。在無線傳感器網絡節(jié)點的硬件結構中，無線收發(fā)器以及微處理器是耗能大戶。所以用戶一方面應選用ZigBee技術保證無線收發(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(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。無線傳感器網絡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)網發(fā)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(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)應用中，更有可能將無線傳感器網絡連接到多樣的工業(yè)現(xiàn)場設備，進行協(xié)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(xiàn)與各種現(xiàn)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(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絡。

　　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)對于無線傳感器網絡，遠程數(shù)據(jù)庫以及人機交互界面的開發(fā)。在LabVIEW平臺下，工程師不僅能夠實現(xiàn)對于無線傳感器網絡的遠程配置，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)的網絡發(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)網絡，來自全球各地的工程師都能夠快速訪問到網絡數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。工程師無需針對不同的設備和不同的技術一一學習開發(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(fā)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(xiàn)建筑能耗的監(jiān)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，