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無線傳感器網(wǎng),即WSN(Wireless Sensor Network)。它的構想最初是由美國軍方提出的, 美國國防部高級研究所計劃署(DARPA)于1978年開始資助卡耐基-梅隆大學進行分布式傳感器網(wǎng)絡的研究,這被看成是無線傳感器網(wǎng)絡的雛形。 @# V; `$ a9 ~0 m2 A: R$ ]$ F
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WSN是由大量傳感器節(jié)點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng),它能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸。具體的來講,WSN兼具感測、運算與網(wǎng)絡能力,透過傳感器偵測周遭環(huán)境,如溫度、濕度、光照、氣體濃度、震動幅度等,并由無線網(wǎng)絡將搜集到的信息傳送給監(jiān)控者;監(jiān)控者解讀報表信息后,便可掌握現(xiàn)場狀況,進而維護、調整相關系統(tǒng)。由于監(jiān)控物理環(huán)境的重要性從來沒有像今天這么突出,無線傳感器網(wǎng)絡已被視為環(huán)境監(jiān)測、建筑監(jiān)測、公用事業(yè)、工業(yè)控制、家庭、船舶和運輸系統(tǒng)自動化中的下一個發(fā)展方向。: h- }4 Z, ]2 H' H+ A3 s$ D& q6 j1 c
7 Q( k# V W( t無線傳感器網(wǎng)絡的應用一般不需要很大的帶寬,但是對功耗要求卻很嚴格,大部分時間必須保持低功耗。由于無線傳感節(jié)點通常使用存儲容量不大的嵌入式處理器,因此對協(xié)議棧的大小也有嚴格限制。& o s; P9 K0 G, B. F. F
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無線傳感器網(wǎng)絡的典型結構2 q; L+ p$ p, n/ L3 a/ V K
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現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡是一種新型的分布式測控系統(tǒng),由分布在監(jiān)測區(qū)域內的大量傳感器節(jié)點組成。得益于無線通信技術和微電子技術的飛速發(fā)展,開發(fā)低成本、低能耗、多功能的微型無線傳感器節(jié)點已成現(xiàn)實。
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- d, R- ~; q/ A無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)所包含的三種類型的節(jié)點,即傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和任務管理節(jié)點。圖中白色的監(jiān)測區(qū)域中已經(jīng)部署了大量的無線傳感器節(jié)點,每個節(jié)點都可以采集其覆蓋區(qū)域的現(xiàn)場數(shù)據(jù)并且路由到匯聚節(jié)點并通過一種多跳的方式來路由數(shù)據(jù),節(jié)點A就是經(jīng)過了A<->B<->C<->D<->匯聚節(jié)點的多跳路由來實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉發(fā),其它傳感器節(jié)點的情況依此類推。匯聚節(jié)點是一個類似于網(wǎng)關的特殊節(jié)點,它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強,能夠把無線傳感器網(wǎng)絡橋接到其他的通信網(wǎng)絡,比如Internet,從而使終端用戶能夠方便實時地通過任務管理節(jié)點來進行各種操作。匯聚節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點,也可以是僅帶有無線通信接口的網(wǎng)關設備。任務管理節(jié)點則可以是各種智能終端,比如PC、PDA甚至是智能手機。
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' t$ ^% G0 z* i# u- O' ^- z如圖2所示,每個微型節(jié)點都集成了傳感、數(shù)據(jù)處理、通信和電源模塊,可以對原始數(shù)據(jù)按要求進行一些簡單的計算處理后再發(fā)送出去。大量的智能節(jié)點通過先進的網(wǎng)狀聯(lián)網(wǎng)方式,可以靈活緊密地部署在被測對象的內部或周圍,把人類感知的觸角延伸到物理世界的每個角落。盡管單個節(jié)點的能力是微不足道的,但是成百上千節(jié)點組成的網(wǎng)絡系統(tǒng)能帶來強大的規(guī)模效應。一個典型的無線傳感器節(jié)點由四個基本模塊組成:傳感模塊、計算模塊、無線通信模塊和電源模塊。
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根據(jù)不同的應用場合,有的無線傳感器節(jié)點可能還會有一些附加模塊,比如定位系統(tǒng),連續(xù)供電系統(tǒng)以及移動基座等。傳感模塊包含傳感器和ADC,計算模塊包含MCU和存儲器。由于有的MCU內部集成了ADC,所以ADC在這種情況下也可以劃入到計算模塊。現(xiàn)場采集到的原始傳感信息經(jīng)過A/D轉換后被發(fā)送到計算模塊進行處理,再通過無線通信模塊發(fā)送到指定地點。電源模塊一般采用電池,可以是堿性電池、鋰電池或鎳氫電池。為了在執(zhí)行比較耗能的任務時能夠保證持續(xù)的電力供應,也可以采用太陽能電池。* P! `! |- b) c/ c/ x' ?
0 }( J- `- K* \" Y: i8 [2 d無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用# T4 K: _- U) Y6 f3 X" J
2 M' k/ _7 M6 t) [ V環(huán)境監(jiān)測是一類典型的傳感器網(wǎng)絡應用,它主要包括礦井安全監(jiān)控、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和智能家居等。
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(1)礦井安全監(jiān)控
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/ u+ Q" F- L; N- W+ U. E) B- T礦井利用無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)井下安全監(jiān)控的系統(tǒng)結構框圖如圖3所示。傳感器節(jié)點負責井下多點數(shù)據(jù)采集,主要包括CO、瓦斯、風速和氣壓等參數(shù),通過井場監(jiān)控終端(基站)和地面基站傳送給后臺監(jiān)控中心。后臺監(jiān)護人員通過該監(jiān)測系統(tǒng)可及時、有效、全面的掌握礦井情況,有利于礦井實施指揮調度、安全監(jiān)測,從而可以有效地防止礦井事故的發(fā)生。7 S! @0 a, ^; u# G, Z/ V. x1 n
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礦井無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點根據(jù)是否經(jīng)常移動分為規(guī)定數(shù)據(jù)采集節(jié)點和移動數(shù)據(jù)采集節(jié)點兩類。相對固定的節(jié)點主要安排在巷道的拐彎處或直巷道的固定位置,用于采集巷道瓦斯?jié)舛取⑥D發(fā)其他節(jié)點的通信數(shù)據(jù),保持無線鏈路的暢通。固定節(jié)點則用CAN總線連接起來。而移動節(jié)點佩帶在工人身上或者安裝在運動的礦車設備上,也可以隨機安裝在瓦斯?jié)B出變化較快的關鍵位置,用于移動測量環(huán)境和生產(chǎn)參數(shù)。監(jiān)控中心主要由CAN總線適配器與PC機組成,用于收集、分析、顯示和監(jiān)測井下各種傳感器數(shù)據(jù)的狀態(tài)。' N+ k( [' L8 }- e% Z
# w8 }0 D/ i3 @0 ]" Y% g(2)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測" e2 `. w' P# y7 F$ B* l
6 Q2 v. |9 l- b傳感器網(wǎng)絡在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面的應用非常典型。美國加州大學伯克利分校計算機系Intel實驗室和大西洋學院(The College of the Atlantic, COA)聯(lián)合開展了一個名為“in-situ”的利用傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控海島生態(tài)環(huán)境的項目。該研究組在大鴨島(Great Duck Island)上部署了由43個傳感器節(jié)點組成的傳感器網(wǎng)絡,節(jié)點上安裝有多種傳感器以監(jiān)測海島上不同類型的數(shù)據(jù)。如使用光敏傳感器、數(shù)字溫濕度傳感器和壓力傳感器監(jiān)測海燕地下巢穴的微觀環(huán)境,使用低能耗的被動紅外傳感器監(jiān)測巢穴的使用情況等。$ n& u# a# g8 a
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圖4 森林資源監(jiān)控
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(3)智能家居
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無線傳感器網(wǎng)絡還可以應用于家居中,其家用遠程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的結構框圖如圖5所示。通過在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點,通過無線網(wǎng)絡與Internet連接在一起,用戶可以通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)完成對家電的遠程遙控,例如用戶可以在回家之前半小時打開空調,這樣回家的時候就可以直接享受適合的室溫,從而給用戶提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環(huán)境。識別和頻段的劃分,這樣可以幫助擴充更多的表計數(shù)。
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