如何使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)是由本地傳感器、通信媒介以及中央通用數(shù)據(jù)處理設(shè)施一起組成的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立在這個(gè)概念之上，只是允許傳感器從所綁定的媒介上解放出來。這樣的做法給傳感器的安裝定位方面提供了很大的自由度和靈活度，并賦予網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)控功能進(jìn)行精細(xì)調(diào)整的能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是無線技術(shù)、微型化以及電池技術(shù)進(jìn)步發(fā)展的必然結(jié)果。

這項(xiàng)技術(shù)也推動(dòng)了消費(fèi)者級別的傳感器和設(shè)備的擴(kuò)散，這些傳感器和設(shè)備是通常所說的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)正在捕獲公眾的想象力。本文將重點(diǎn)關(guān)注于WSN的基礎(chǔ)知識以及如何使用它們。工程師們已經(jīng)了解如何通過無線局域網(wǎng)（WLAN）來提高效率和減少時(shí)間浪費(fèi)的。通過利用現(xiàn)有的無線（以及有線）基礎(chǔ)設(shè)施來構(gòu)建廣泛的傳感器網(wǎng)絡(luò)，并將其擴(kuò)展到幾乎所有生活領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展這一概念。

節(jié)省耗電

無線傳感器一般都是體積小、獨(dú)立的、耗電低、并且具備一定處理能力的單元設(shè)備。 這種技術(shù)的關(guān)鍵概念是無線通訊能力，它可以與中央處理器進(jìn)行通訊，也可以作為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的一部分使用其他設(shè)備來擴(kuò)展通訊范圍。無線傳感器在很大程度上依賴節(jié)電算法，借此可以長時(shí)間保持工作狀態(tài)。電池技術(shù)的進(jìn)步、電池容量的不斷增大、以及延長休眠時(shí)間的能力，這使得電池的工作壽命預(yù)期可以達(dá)到數(shù)年之久。

諸如藍(lán)牙和Zigbee這些技術(shù)，大多數(shù)移動(dòng)設(shè)備都已經(jīng)具備了這些功能，因?yàn)楣?jié)電算法是所有經(jīng)過Wi-Fi認(rèn)證的設(shè)備所需要的特性，也包括滿足IEEE 802.15.4-2015標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 用于低速率無線個(gè)人局域網(wǎng)的無線標(biāo)準(zhǔn)）的設(shè)備。其概念很簡單，即如果沒有動(dòng)作或者需要報(bào)告的事件，傳感器就會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。如果有事件發(fā)生或到了預(yù)先設(shè)定的時(shí)間，傳感器會(huì)醒來、評估當(dāng)時(shí)的狀況、匯報(bào)其狀態(tài)、然后再進(jìn)入睡眠。這個(gè)周期也可以通過輪詢算法來啟動(dòng)，輪詢算法依次處理每個(gè)傳感器。也可以調(diào)節(jié)工作周期來對傳感器進(jìn)行開關(guān)操作，有效地將電耗降低一半。關(guān)鍵的一點(diǎn)是這些傳感器從設(shè)計(jì)之初就是要作為低耗電節(jié)點(diǎn)來工作的。

更多小型傳感器

新一代無線傳感器最顯著的特征之一是它們的尺寸小。人們采用可以召喚出獨(dú)特形象的名字來稱呼這些傳感器：“智能塵?！薄ⅰ艾F(xiàn)貨商業(yè)微塵”、或者簡單的稱之為“微塵”。它們的尺寸小到納米級，大到肉眼可見。前者指的是生物學(xué)傳感器或小的無源傳感器，可以做到嵌入式和非嵌入式；后者指的是更大一些的傳感器，例如征收過路費(fèi)的標(biāo)簽、門禁卡、以及類似的傳感器。其想法是部署一套由具備多種不同計(jì)算能力的小型的、耗電低的、低速率的分布式傳感器組成的基礎(chǔ)設(shè)施，最后形成更大的、分辨率更高的、近乎有機(jī)的網(wǎng)絡(luò)。

數(shù)據(jù)處理還是通過傳統(tǒng)的固定的中央數(shù)據(jù)處理設(shè)施完成，該設(shè)施從網(wǎng)絡(luò)上接收數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行大規(guī)模的處理工作。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理本身也在考慮之中，從某種意義上說相當(dāng)于“分布式處理器”。最終實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)與大量各種各這樣可以自主運(yùn)行的傳感器通訊的分布式網(wǎng)絡(luò)，而這些傳感器之間也互相通訊。要確保無縫的互操作性，這需要一套通用的、開放的通訊以及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)用無線傳感器技術(shù)

很多應(yīng)用都可以使用無線傳感器。一個(gè)常見的應(yīng)用是安全系統(tǒng)。無線訪問控制及區(qū)域監(jiān)控已經(jīng)利用無線技術(shù)廣泛地實(shí)現(xiàn)了。另一個(gè)應(yīng)用是國家電網(wǎng)，或者更為我們熟知的是全國氣象站網(wǎng)絡(luò)。這些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)共同特征是，它們具有與現(xiàn)存的通訊基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行通訊的能力。然而，許多系統(tǒng)都是高度專業(yè)化的，而且采用了企業(yè)專有的通訊方案，大大地增加了成本和復(fù)雜性，因此才有了對標(biāo)準(zhǔn)化方式的需求。

人們設(shè)想未來的傳感器網(wǎng)絡(luò)會(huì)通過大型網(wǎng)狀架構(gòu)來進(jìn)行通訊，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有將來自于其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳播出去的功能，最終到達(dá)的目的地是聚合器，不相關(guān)的數(shù)據(jù)會(huì)在此聚合器內(nèi)部進(jìn)行處理。傳感器會(huì)以龐大的數(shù)量部署在高密度的網(wǎng)絡(luò)上。它們會(huì)利用短距離的、耗電低的節(jié)點(diǎn)之間的無線鏈接進(jìn)行互相聯(lián)網(wǎng)，而現(xiàn)有的通訊基礎(chǔ)設(shè)施，特別是WLAN以及互聯(lián)網(wǎng)連接會(huì)被用于長距離的通訊。

WSN會(huì)使得居家、工廠、處理廠、輪船、飛機(jī)等無數(shù)個(gè)應(yīng)用場合在感知和控制方面更加便利。有了無處不在的傳感器網(wǎng)絡(luò)，生產(chǎn)的每個(gè)方面都能被監(jiān)控到，例如，可以使得一座建筑對其結(jié)構(gòu)上的弱點(diǎn)進(jìn)行報(bào)告，或者在一套處理工藝中定位異常點(diǎn)，而這些異常點(diǎn)會(huì)被固定安裝的傳統(tǒng)傳感器忽視掉。

在一套工業(yè)流程中，無線傳感器可以被嵌入到過程介質(zhì)流當(dāng)中，從而可以持續(xù)監(jiān)控成千上萬個(gè)點(diǎn)。監(jiān)控幾個(gè)不同參數(shù)的智能傳感器也可以像一些微型實(shí)驗(yàn)室一樣工作，將數(shù)據(jù)發(fā)送回SCADA系統(tǒng)來執(zhí)行需要的動(dòng)作。甚至是人體都可以使用這種技術(shù)進(jìn)行感知化，而且可以進(jìn)一步將此技術(shù)用于血液生化或者人體復(fù)雜的電活動(dòng)，將這些數(shù)據(jù)與患者的醫(yī)生進(jìn)行溝通，并對潛在的有害情況提供警報(bào)。使用WSN的應(yīng)用場合不計(jì)其數(shù)。

最后，提醒一句：由于我們目睹了移動(dòng)設(shè)備的爆炸式增長，我們很容易變得依賴它們而喪失了自我思考的能力。WSN并不會(huì)取代關(guān)鍵的、分析性的思考和行動(dòng)。（作者：Daniel E. Capano）
編輯：hfy