無線傳感器網絡——放飛你的測量應用

　　自人類踏入信息時代，自然界的信息通過傳感器源源而來。而隨著技術的發展，人們已不滿足于原有單一的、獨立的傳感器系統。很多時候，我們需要將來自不同區域的信息聯合匯總，從而實現對現場狀況的綜合判斷。

　　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，我們需要知道瓦斯濃度，礦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，用來采集數據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數據檢測工作，工作人員無法經常進行維護。這時，長距離布線，數據的匯總，傳感器的遠程配置，系統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)技術的發展，這些瓶頸被一一化解。在無線傳感器網絡中，每一個節點都能夠獨立采集，并將數據匯總。根據應用規模的不同，節點的數目可以達到上萬，監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。相互獨立的節點之間通過無線網絡進行通信。無線傳感器網絡的每個節點都能夠實現采集，數據的簡單處理，還能接收來自其他節點的數據，并最終將數據發送到網關。工程師可以從網關獲取數據，查看歷史數據記錄或進行分析。通常，一個典型的無線傳感器網絡節點的硬件結構包括：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年的發展，無線傳感器網絡的應用逐漸轉向民用，在森林、河流的環境監測中、在建筑環境的智能化應用中，以及一些無法放置有線傳感器的工業環境中都已經出現了它的身影。在1999年和2003年，美國商業周刊和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，通常采集節點被放置在相距較遠的位置，甚至有時處于室外的采集節點無法連接到電網，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年的時間內連續工作。

　　下圖列出了蜂窩網絡(Cellular)、藍牙、Wi-FI以及ZigBee等無線協議的性能比較，ZigBee協議以其低功耗，長距離傳輸能力勝出，適合用于長達數年無人值守的監控應用。

　　網絡拓撲

　　對于節點數目動輒超過數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的穩定性。

　　星形是最簡單的網絡拓撲結構，每一個節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，添加路由節點后，遠處的節點上的數據能夠通過路由節點傳輸到網關。然而樹形拓撲仍然存在可靠性的問題，一旦路由節點產生問題，所有由這個節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。