无线传感网络(WSN)技术

  WSN,改变世界的新技术

  传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化,正经历着一个从传统传感器(Dumb Sensor)→智能传感器(Smart Sensor)→嵌入式Web传感器(Embedded Web Sensor)的内涵不断丰富的发展过程。

  随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系统(SOC, System on Chip)、无线通信低功耗嵌入式技术的飞速发展, 无线传感网络(Wireless Sensor Networks, WSN)技术应运而生,并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。这成为当前所有领域内的新热点。

  无线传感器网络是一种跨学科技术,就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。基于 MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为:军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、 保健、家居、工业、商业等领域。

  WSN将是全球未来四大技术产业之一,将掀起新的产业浪潮。

  1999年美国商业周刊将其列为21世纪最具影响的21项技术之一;2003年,美国麻省理工学院技术评论在预测未来技术发展的报告中将其列为 改变世界十大新技术之一。美国总统科技顾问委员会在“面向21世纪的联邦能源与发展规划”中指出,工业无线技术的广泛应用将使工业生产效率提高10%,并 使排放污染降低25%.

  WSN,发展历程及规划

  早在上世纪70年代,就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形,我们把它归之为第一代传感器网络。

  随着相关学科的的不断发展和进步,传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力,并通过与传感控制器的相联,组成了有信息综合和处理 能力的传感器网络,这是第二代传感器网络。

  从上世纪末开始,现场总线技术开始应用于传感器网络,人们用其组建智能化传感器网络,大量多功能传感器被运用,并使用无线技术连接,无线传感器 网络逐渐形成。无线传感器网络是新一代的传感器网络,具有非常广泛的应用前景,其发展和应用,将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如 美国,非常重视无线传感器网络的发展。

  美国交通部1995年提出了“国家智能交通系统项目规划”,预计到2025年全面投入使用。该计划试图有效集成先进的信息技术、数据通信技术、 传感器技术、控制技术及计算机处理技术并运用于整个地面交通管理,建立一个大范围全方位的实时高效的综合交通运输管理系统。这种新型系统将有效地使用传感 器网络进行交通管理。

  美国陆军2001年就提出了“灵巧传感器网络通信”计划,在2001-2005财政年度期间批准实施。其基本思想是:在战场上布设大量的传感器 以收集和传输信息,并对相关原始数据进行过滤,然后再把那些重要的信息传送到各数据融合中心,将大量的信息集成为一幅战场全景图。当参战人员需要时可分发 给他们,使其对战场态势的感知能力大大提高。

  2002年5月,美国Sandia国家实验室与美国能源部合作,共同研究能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击,并及时采取防范 对策的系统。它属于美国能源部恐怖对策项目的重要一环。该系统集检测有毒气体的化学传感器和网络技术于一体。

  美国自然科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划,在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心,联合周边的加州大学伯克利分 校、南加州大学等,展开“嵌入式智能传感器”的研究项目。

  英特尔公司在2002年10月24日发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。计划宣称,英特尔将致力于微型传感器网络在预防医学、环 境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。

  我国在国家“十一五”规划和《国家中长期科技发展纲要》中将“传感器网络及信息处理”列入其中,国家863、973计划中也将WSN列为支持项 目。

  前景广阔,任重道远

  研究发现,无线传感器网络与传统无线网络的设计目标和标准具有明显不同的要求,后者注重在移动的环境中通过优化路由和充分利用带宽为用户提供质 量较高的服务,而前者常常工作在人无法接近的恶劣环境中,无法更换能源和重复利用网络节点,因此高效能、低成本、自组织等问题是无线传感器网络首先要解决 的。

  由于WSN目前处于研发与不断完善的阶段,功能有限,其应用范围只能局限在数据监控和采集方面,尚不能在用在控制和安全的场合,大规模商业应用 还有待时日。目前应用水平也只能是有线的补充。当然,由于用户的需要、技术的发展,WSN的前景光明。

  据有关专家统计,要克服用了无线就不能要求用电缆供电而必须用电池以及成本高的难点,大概还需要5~10年的时间。根据现场总线的经验,只要没 有多标准,制造厂商和研发部门不刻意去炒作,坚持以最少的投入实现最大的生产效益,这样WSN才能获得健康而较快地发展。

  目前,已有艾默生霍尼韦尔两家大公司推出了WSN产品,前者符合无线HART7.1版本标准;后者采用了ISA100标准。但大多数只限于温 度、压力、流量及物位耗电量小的变送器。国内川仪和重庆邮电大学合作也生产出无线系列变送器及执行器样机,而WIA-PA在鞍钢冷轧机测量轴承温度使用成 功。

  一项工业界企业调查表明,40%的受访企业计划采用无线解决方案,监控机器品质。调研公司ONWorld预计到2011年,世界市场无线传感器 网络(WSN)系统与服务将飞升至约46亿美元,比现在增长5亿美元。无线传感器网络才刚刚开始发展,国内企业应该抓住商机,加大投入力度,推动整个行业 的发展。

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