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如何應用無線傳感器網絡在國民經濟中

無線自組網是一個由幾十到上百個節點組成的、采用無線通信方式的、動態組網的多跳的移動性對等網絡。其目的是通過動態路由和移動管理技術傳輸具有服務質量要求的多媒體信息流,通常節點具有持續的能量供給。
　　傳感器網絡是集成了監測、控制以及無線通信的網絡系統,節點數目更為龐大,節點分布更為密集;由于環境影響和能量耗盡,節點更容易出現故障;環境干擾和節點故障亦造成網絡拓撲結構的變化;通常情況下大多數傳感器節點是固定不動的。另外,傳感器節點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限。傳統無線網絡的設計目標是提供高服務質量和高效帶寬利用,其次才考慮節約能源;因而傳感器網絡的首要設計目標是能源的高效利用,這也是傳感器網絡和傳統網絡最重要的區別之一。
　　無線傳感器網絡的研究采用系統發展模式,融合了現代先進的微電子技術、微細加工技術、系統芯片(SoC)設計技術、納米材料與技術、現代信息通信技術、計算機網絡技術等,廣泛應用于軍事、工業、醫療、環境、家庭等領域,必將成為未來信息傳輸中不可缺少的一部分。
1、WSN的結構：
　　無線傳感器網絡是由大量的傳感器節點構成的基于任務的平臺,其必不可少的3要素是傳感器、感知對象和觀察者。
　　傳感器對感知對象進行感知,然后將感知結果發送給觀察者,如圖1所示。
　　從功能實現角度分析,無線傳感器網絡由嵌入式設備、傳感器和網絡構成。嵌入式設備作為分布式監控和通信的載體;傳感器測試大千世界的信息,轉換為可操作信號;網絡作為所有設備構成的系統,相互協作,完成復雜的任務。
　　無線傳感器網絡是指在環境中布置的傳感器節點以無線通信的方式構成網絡。通信結構如圖2所示。無線傳感器網絡系統通常包括傳感器節點、匯聚節點和管理節點。大量傳感器節點隨機部署在監測傳感區域內部或附近,能夠通過自組織方式構成網絡。
　　傳感器節點監測的數據沿著其他傳感器節點逐跳地進行傳輸,在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理,經過多跳后路由到匯聚節點,最后通過互聯網或衛星到達管理節點。用戶通過管理節點作為控制中心,對傳感器網絡進行配置和管理,發布監測任務以及收集監測數據供用戶瀏覽和處理。
2、WSN在國民經濟中的應用：
　　無線傳感器網絡的快速布置、自組織性和容錯能力使其不會因為某些節點在惡意攻擊中的損壞而導致整個系統的崩潰,快速布置、自組織和容錯能力等特性使他們非常適合應用于惡劣的戰場環境中,包括監控我軍兵力,裝備和物資,監視沖突區,偵察敵方地形和布防、定位攻擊目標,評估損失,偵察和探測核、生物和化學攻擊[5]等軍事用途,受到了軍事發達國家的普遍重視。同時,無線傳感器網絡在工農業、生物醫療、環境監測、搶險救災等很多民用領域也都擁有十分廣闊的應用前景。特別適用于那些設備成本較低,傳輸數據量較少,使用電池供電并且要求工作時間較長的應用場合。
　　2.1 空氣質量監測站的應用：
　　由于人們生活水平的提高,環境保護意識的加強,對環境信息的監測越來越受到當今社會的重視。空氣質量監測是環境監測的一個重要組成部分,監測項目也由原來簡單的SO2、NOx的監測增加了很多,如CO、O3以及空氣中有毒有害的有機物等。但是,空氣質量監測站的設計一直受到設計成本昂貴、維護復雜、數據的實時性差以及監測范圍的擴大等因素的困擾。
　　無線傳感器節點成本低、功耗小,適用于多個區域的多點檢測,正適合于空氣質量監測站的設計實施,由于監測點一般遠離監控中心,針對傳感器網絡無線傳輸距離短的缺點,利用現有的通用分組無線電業務(GPRS)網絡,發揮其覆蓋面廣的優點,使之遠距離數據傳輸成為可能[7]。
　　空氣質量監測站由無線傳感器節點、空氣質量傳感器(檢測SO2,NOx等)以及A/D轉換、網關節點、GPRS模塊、微處理器等組成。監測區域所部署的傳感器節點監測每點的數據,然后數據沿著其他傳感器節點逐級進行傳輸,在傳輸過程中監測的數據可能被多個節點處理,經過多跳后匯集到網關節點,再由網關節點將數據傳輸到控制中心。
　　應用于環境監測的傳感器網絡,具有部署簡單、便宜、無需派人現場維護的優點。在環境方面的應用包括:監測大面積的海洋、森林、氣象和地理研究;監測牲畜、家禽的環境狀況;監控動物棲息地等。
　　2.2 遠程家庭監護系統：
　　隨著社會老齡化的加劇,解決長期慢性病的監護成為重要的社會問題。一些突發性疾病和家庭保健,如心血管疾病、老人的日常護理、孕婦、胎兒、嬰兒、幼兒的保健也需要長期的家庭監護。由于中國醫療資源緊缺,基于公用網絡的家庭醫療監護,建立小區醫療網絡,可以提高醫療服務水平,減輕病人負擔。
　　在人體身上安裝特殊用途的傳感器節點,如心率和血壓監測設備,利用傳感器網絡,醫生就可以隨時了解被監護者的情況,進行病情的及時處理[8]。還可以利用傳感器網絡長時間地收集人的生理數據,這些數據在研制新藥品的過程中是非常有用的,而安裝在被監測對象身上的微型傳感器也不會給人的正常生活帶來太多的不便。此外,在藥物管理等諸多方面,它也有新穎而獨特的應用。人工視網膜是一項生物醫學的應用項目。在SSIM計劃中,替代視網膜的芯片由100個微型傳感器組成,并植入人眼,目的是使得失明者或者視力極差者能夠回復到一個可以接受的視力水平。傳感器的無線通信滿足反饋控制的需要,有利于人們對圖像的識別和確認。
傳感器網絡為遠程醫療提供了更加方便、快捷的技術手段。無線傳感器網絡可以長時間地收集生理數據,遠程監控人體狀況并提供診斷。還可用于醫院的藥品管理,將傳感節點按藥品種類分別放置,計算機系統可辨認所開的藥品。
　　2.3 礦井瓦斯監測系統：
　　安全問題一直是困擾中國煤礦生產的重大問題,瓦斯爆炸事件給人民的生命財產造成巨大的損失。礦井瓦斯主要是在開采過程中溢出的,因此礦井工作面瓦斯含量最大,由于工作面工作條件十分惡劣,至今沒有設置瓦斯監測裝置。只是在回風巷設置了固定式瓦斯探頭。將無線傳感器網絡技術用于煤礦安全生產中,使礦井人員攜帶或機載的移動式瓦斯傳感器,將工作面的瓦斯值傳輸到工作面端頭的瓦斯監控系統中,從而實現瓦斯源頭的實時監測,及時避免事故的發生[9]。
　　瓦斯監測系統由移動式瓦斯傳感器、礦井瓦斯監控分站、地面中心3部分組成。其中,移動式瓦斯傳感器采集瓦斯信號,經過微弱信號放大電路,A/D轉換后由單片機存儲管理其數據。
　　傳感器采用定時輸出、無線電發送方式。監控分站包括電力負荷控制和電子監控電路。監控分站的核心是嵌入式電路,該電路外接2.4 GHz的傳輸模塊,實現無線信號的搜集與處理。當瓦斯超限時能夠發出控制信號,該控制信號控制聲光報警器發出報警信號,也可以控制工作面的供電系統,實施斷電。該電路還能實現電力負荷的監測功能。
　　遍布整個礦井的網絡監控站的信息可以傳到地面中心。地面中心的主要任務是實時顯示各個監控點的瓦斯信息,供礦井調度實施生產指揮與調度。
　　無線傳感器網絡的應用解決了原有井下固定瓦斯監測帶來的安全隱患,提高煤礦開采作業的安全等級。系統組網簡單、維護方便、成本低廉且移動平臺功率控制好,屬于本質安全型的監測平臺,適合于中小煤礦安裝。通過監測分站的內建通用異步接收發送器,還可將數據傳輸至地面監控中心存儲管理,提高了煤礦安全生產水平。
　　2.4 大棚環境監控系統：
　　目前大棚養殖已成為中國一些農村的重要產業,是當地農民的主要經濟來源,隨著大棚養殖逐漸的大規模化和集團化,無人值守的大規模大棚自動監控系統具有較高的實際應用價值。大棚環境監控系統總體架構如圖3所示。由上海市計算技術研究所構造的花卉大棚無線傳感器網絡監控系統,利用無線收發設備傳輸數據,無需專門架線,系統結構簡單,節省了人力物力,通過監測管理中心可實現對大棚溫濕度的控制、二氧化碳含量測量、光照度信息采集和圖像監控等功能,實現真正意義上的無人值守,與普通無線技術相比,還具有低功耗、低成本和網絡容量大等特點,該系統由中心控制單元和大棚監控節點組成。
　　該系統為實現大規模大棚監控的信息化、自動化、提高工作效率具有很高的實際應用價值。
　　2.5 微軟數據中心溫度追蹤系統：
　　微軟全球基礎服務部門(負責監管微軟在線服務平臺)現采用一套無線傳感器網絡來提高公司數據中心的可視性,減少因過于冷卻大型IT設備機房所浪費的電能。這套系統由微軟研發部門Data Center Genome開發,于2006年首次測試,現已應用于微軟全球各地的數據中心[10]。
　　微軟數據中心服務屬于微軟全球基礎服務,負責設計、建造和管理公司的許多數據中心。當時,微軟業務發展非常迅速,全球越來越多用戶都使用公司的網絡服務如Hotmail和IM。為此,微軟不得不在全球建立必要基礎設施,如服務器數據中心,支持不斷增加的用戶流量。這不僅需要上千的服務器,還需要足夠的電能來保證機房以保持適當溫度。每個數據中心的空調系統都必須確保機房內任何一個服務器支架的溫度不會超過特定值。因為無法清楚機房內任一點的溫度,絕大多數的機房只能最大化地使用空調。
　　利用這套無線傳感器網絡系統,微軟發現熱廢氣滲漏到冷通道,影響服務器的冷卻能力問題,為此,工作人員在支架下裝金屬片來防止熱氣滲漏。當某個支架上熱模式發生顯著的變化,公司可以及時了解到。例如,一天內網民過多使用IM或其他服務會導致一些服務器溫度的升高,現在,微軟通過調整服務器工作量,在特定時間內激活或關掉一些服務器,有效地解決了這個問題。因此能夠更好的監控服務器的容量和功能,對數據中心進行優化。
3、結束語：
　　無線傳感器網絡的特點決定了在其他領域的應用有不少的機會。比如城市車輛監測和跟蹤系統;還有中國西氣東輸及輸油管道監控系統,可以實時地監控管道的情況,控制中心可以第一時間了解管道的破損或惡意破壞情況系統。此外,在災難拯救、倉庫管理、博物館、工廠自動化生產線等眾多領域,無線傳感器網絡都將會起到至關重要的作用。無線傳感器網絡是一種新型的信息獲取和處理技術,在很多領域它有著傳統網絡不可比擬的優勢,隨著許多相關問題的不斷解決,它將逐漸深入到人類生活的各個領域,并對未來社會進步發揮巨大的作用。

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