无线传感器网络——放飞你的测量应用

2011-06-23 10:37:20来源: 互联网

    自人类踏入信息时代,自然界的信息通过传感器源源而来。而随着技术的发展,人们已不满足于原有单一的、独立的传感器系统。很多时候,我们需要将来自不同区域的信息联合汇总,从而实现对现场状况的综合判断。
    在农场里,我们需要了解各处作物的灌溉情况,土壤空气质量,以确保农作物健康生长;在矿区,我们需要知道瓦斯浓度,矿工位置以及地下矿场温湿度,粉尘浓度以保证工人人身安全;在大型建筑中,我们又需要了解建筑各个位置受环境湿度,风速的影响以及自身老化程度,以及时维护建筑的结构健康。通常,在这些情况下,用来采集数据的传感器被放置在相距上千米的位置,并且需要在长达几个月甚至几年的时间内进行连续数据检测工作,工作人员无法经常进行维护。这时,长距离布线,数据的汇总,传感器的远程配置,系统长期供电以及信号的安全性等都是工程师需要考虑的问题。
    而随着无线传感器网络(Wireless Sensor Network)技术的发展,这些瓶颈被一一化解。在无线传感器网络中,每一个节点都能够独立采集,并将数据汇总。根据应用规模的不同,节点的数目可以达到上万,监测超过几十平方公里范围内的各类信号。
    那么,究竟什么是无线传感器网络呢?
无线传感器网络技术
    无线传感器网络是一种由独立分布的节点以及网关构成的传感器网络。安放在不同地点的传感器节点不断采集着外界的物理信息,如温度、声音、震动等。相互独立的节点之间通过无线网络进行通信。无线传感器网络的每个节点都能够实现采集,数据的简单处理,还能接收来自其他节点的数据,并最终将数据发送到网关。工程师可以从网关获取数据,查看历史数据记录或进行分析。通常,一个典型的无线传感器网络节点的硬件结构包括:传感器接口、ADC、微处理器、电源以及无线收发装置。
    无线传感器网络诞生于上世纪70年代,最早被应用于美国军方资助项目。经过近30年的发展,无线传感器网络的应用逐渐转向民用,在森林、河流的环境监测中、在建筑环境的智能化应用中,以及一些无法放置有线传感器的工业环境中都已经出现了它的身影。在1999年和2003年,美国商业周刊和MIT技术评论杂志相继将其评价为21世纪最具影响力的20项技术以及改变世界的10大新技术。
    作为一种针对应用而开发的技术,在项目中选择无线传感器网络必须考虑到实用性。构建一个典型的无线传感器网络,必须要考虑以下四个重要的因素:网络选择,拓扑结构,功耗以及兼容性。
无线网络的选择
    无线技术是无线传感器网络中最关键的一个部分。在无线传感器网络的典型应用中,通常采集节点被放置在相距较远的位置,甚至有时处于室外的采集节点无法连接到电网,所以在挑选无线网络时,带宽、传输距离以及功耗是三个主要考虑因素。
    在无线传感器网络技术诞生之初,已有的无线协议很难满足低功耗,低花费,高容错性的要求。此时ZigBee技术应运而生。发展近10年来,ZigBee已被证明是最适合用于无线传感器网络的无线技术:它拥有250kbps的带宽,传输距离可达1km以上。并且功耗更小,采用普通AA电池就能够支持设备在高达数年的时间内连续工作。
    下图列出了蜂窝网络(Cellular)、蓝牙、Wi-FI以及ZigBee等无线协议的性能比较,ZigBee协议以其低功耗,长距离传输能力胜出,适合用于长达数年无人值守的监控应用。


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图 1,ZigBee与蜂窝网络(Cellular)、蓝牙、Wi-FI等无线协议的比较
网络拓扑
    对于节点数目动辄超过数十个的无线传感器网络而言,选择合适的网络结构不仅能够拓展网络的传输距离还能够保证信号传输的稳定性。
    星形是最简单的网络拓扑结构,每一个节点都拥有一条直接通向网关的通道,然而其传输距离有限。采用树形拓扑能够解决这个问题,添加路由节点后,远处的节点上的数据能够通过路由节点传输到网关。然而树形拓扑仍然存在可靠性的问题,一旦路由节点产生问题,所有由这个节点通向网关的通路将被切断。所以,对于可靠性要求很高的无线网络,建议选择网状拓扑(mesh topology)结构。

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图 2,网络拓扑结构:星型,树型以及网状拓扑
    以美国国家仪器公司(National Instruments, 以下简称NI)的无线传感器网络为例。NI的无线传感器网络中每一个节点都能够被配置成路由节点。根据应用的需要,工程师可以选择树形拓扑结构或者网状拓扑结构。如下图所示,在网状拓扑下,节点4拥有两条通往网关的通道,一旦节点1发生故障而损坏,数据也能够通过节点2传回网关,避免数据的丢失。

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图 3,网状拓扑下的NI无线传感器网络
系统功耗
    无线传感器网络通常被放置在室外,无法进行长距离的布线,这就牵涉到两个问题,一是信号的传输,二是设备的供电。信号传输问题可以通过选择无线网络解决;而针对设备供电问题,则必须考虑外部电源,例如电池或小型发电设备。由于电池所能供应的电量有限,为了满足设备长时间使用的要求,必须严格控制无线传感器网络节点的能耗。在无线传感器网络节点的硬件结构中,无线收发器以及微处理器是耗能大户。所以用户一方面应选用ZigBee技术保证无线收发器的低功耗,同时,在保证处理器性能的前提下,还应选择带有休眠功能并且工作能耗尽可能低的处理器。
NI 选用了TI MSP430 MCU作为无线传感器网络节点的处理器。它的工作能耗为8mW,而休眠期间能耗仅为0.2 µW,仅相当于一块普通ADC芯片的休眠功率。采用AA电池供电,就能够保证它持续工作三年之久,即使安放在人迹罕至的区域,仍然能够保证长时间坚守岗位。

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关键字:无线传感器  测量应用

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2011/0623/article_2773.html
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