传感器网络技术

14.9　传感器网络技术

14.9.1　概述

1.无线传感器网络的概念和特点

无线传感器网络（Wireless Sensor Network）诞生于20世纪90年代末，是一种全新的信息获取与处理技术。无线传感器网络是由随机分布的集成微型电源、敏感元件、嵌入式处理器、存贮器、通信部件和软件（包括嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统等）的一簇同类或异类传感器节点与网关节点构成的网络。每个传感器节点都可以对周围环境数据进行采集、简单计算以及与其他节点及外界进行通信。由大量的这些智能节点组成的传感器网络具有很强的自组织能力。传感器网络的多节点特性使众多的传感器可以通过协同工作进行高质量的测量，并构成一个容错性优良的无线数据采集系统。

经过近几年的发展，无线传感器网络的一些产品开始走向应用。当前已有若干无线传感器网络系统研究平台成功的开发出来，比如美国加州大学伯克利分校开发的TinyOS/Mica平台、Smart Dust平台和PicoRadio平台，以及英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司和荷兰飞利浦半导体公司等20余家企业联盟共同开发的Zigbee平台。同时，国际电子电气工程师学会（IEEE）也正在加紧开发IEEEP1451.5无线传感器接口标准，并建立了一些演示系统。加州大学伯克利分校最新设计的微型无线传感器节点Spec，尺寸达到2.5mm×2.5mm，在一块CMOS芯片上就集成了处理器、存储器和RF等模块。Spec由美国国家半导体公司用0.35微米工艺制造，它的设计者Jason Hill认为:“Spec的尺寸已经足够小，进一步的微型化暂时没有必要了，只有很少的应用场合才需要这么小的节点”。

无线传感器网络除了具有Ad Hoc网络的移动性、断接性、电源能力局限等共同特征以外，还具有以下几个方面鲜明的特点:（1）通信能力有限；（2）电源能量有限；（3）计算能力有限；（4）高强壮性和容错性；（5）强网络动态性；（6）系统实时性要求。

2.无线传感器网络的性能评价

无线传感器网络的性能评价非常重要。下面介绍几个评价无线传感器网络性能的标准，这些标准还没有达到实用的程度，需要进一步地模型化和量化。

（1）能源有效性　无线传感器网络的能源有效性是指该网络在有限的能源条件下能够处理的请求数量。能源有效性是无线传感器网络的重要性能指标。

（2）生命周期　无线传感器网络的生命周期是指从网络启动到不能为观察者提供需要的信息为止所持续的时间。

（3）时间延迟　无线传感器网络的延迟时间是指当观察者发出请求到其接收到回答信息所需要的时间。

（4）感知精度　传感器网络的感知精度是指观察者接收到的感知信息的精度。传感器的精度、信息处理方法、网络通信协议等都对感知精度有所影响。感知精度、时间延迟和能量消耗之间具有密切的关系。

（5）可扩展性　传感器网络可扩展性表现在传感器数量、网络覆盖区域、生命周期、时间延迟、感知精度等方面的可扩展极限。给定可扩展性级别，传感器网络必须提供支持该可扩展性级别的机制和方法。

（6）容错性　由于环境或其他原因，物理地维护或替换失效传感器常常是十分困难或不可能的。这样，传感器网络的软硬件必须具有很强的容错性，以保证系统具有高强壮性。

14.9.2　传感器网络的体系结构

1.网络结构

图14-45　传感器网络体系结构

传感器网络结构如图14-45所示，传感器网络系统通常包括传感器节点（Sensor Node）、网关节点（Sink Node）和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域（Sensor Field）内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐个跳动地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳路由后到网关节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。

网关节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。网关节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能力供给更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。

2.传感器节点结构

传感器节点由传感器模块、数据处理模块、无线通信模块和能量供应模块四个部分组成，如图14-46所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；数据处理模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行必需的能量，通常采用微型电池。

图14-46　传感器节点结构

14.9.3　典型传感器网络节点实例

图14-47　Mica2节点硬件原型

目前，实用化的传感器网络节点并不多，其开发原型往往都是美国国家支持项目的附属产品，国内出现的传感器节点很多也是模仿国外的Mote节点开发的。下面简要介绍国外典型的部分传感器节点原型。

1.节点硬件结构

Mica系列节点是由美国加州大学伯克利分校研制的用于传感器网络研究的演示平台的试验节点。由于该平台的软硬件设计都是公开的，所以成为研究传感器网络最主要的试验平台。Mica系列节点包括WeC、Renee、Mica、Mica2、Mica2dot，和Spec等，其中Mica2和Mica2dot节点已经由Crossbow公司（1995年成立，专业从事无线传感器产业的公司）包装生产。下面重点介绍具有代表性的Mica2节点（如图14-47所示）。

Mica2使用的微处理器是Atmel公司的Atmega128L，该处理器具有非常丰富的内部资源和接口，其特点如下:

（1）片内含128KB FLASH，能够编程10000次以上，特别适合反复烧写程序的应用环境。

（2）片内含4KB的SRAM和4KB的EEPROM。

（3）处理器内部采用增强RISC核心，指令集丰富，运算快。采用哈佛结构单级流水线操作，取指令和执行指令在单周期内完成。

（4）片内提供两个8位定时器、两个16位的扩展定时器；提供两个8位的脉冲宽度调制器（PWM），6个2～16位分辨率可编程的PWM。

（5）片内提供两个通用同异步串行接口控制器（带2级缓冲）。

（6）片内提供一个串行外围接口（SPI）控制器。

（7）片内提供硬件I²C串行总线通信方式。

图14-48　MTS310CA传感器板

（8）含8个通道10位采样精度的ADC控制器。

（9）提供各种在线编程方法。支持JTAG编程，支持SPI编程，支持自编程。

Crossbow公司是目前传感器网络研究领域主要的平台提供商，有丰富的与Mica兼容的产品。这里我们介绍一款典型的传感器板MTS310CA，如图14-48所示。

板内^[1]的主要资源如下:

◆光敏电阻Clairex CL9P4L；◆温敏电阻ERT-J1VR103J（松下）；◆双轴加速度计ADI ADXL 202；◆磁场传感器Honeywell HMC1002；◆麦克风；◆音调探测器；◆4.5KHz扬声器。

2.操作系统

为了减轻传感器网络的应用开发的难度，提高使用人员的开发效率，传感器网络需要一个专门的操作系统的支持。加州大学伯克利分校的研究人员通过比较、分析与实践，针对传感器网络的特点，设计了TinyOS操作系统。

在任务调度管理方面，由于单个传感器节点硬件资源有限，无法采用传统的进程调度管理方式。TinyOS采用比一般线程更为简单的轻量级线程技术和两层调度（Two-Level Scheduling）方式，可以有效使用传感器节点的有限资源。

在通信协议方面，TinyOS采用关键协议是主动消息通信协议，主动消息通信是一种基于事件驱动的高性能并行通信方式，以前主要用于计算机并行计算领域。在一个基于事件驱动的操作系统中，单个的执行上下文可以被不同的执行逻辑共享。TinyOS是一个基于事件驱动的深度嵌入式操作系统，所以TinyOS中的系统模块可以快速响应基于主动消息协议的通信层传来的通信事件，有效提高了CPU的使用率。

另外，在节能方面，TinyOS的事件驱动机制作用相对出色。在TinyOS的调度下，所有与通信事件相关的任务在事件产生后可以迅速处理，处理完毕后立即进入睡眠状态，等待下一个事件激活CPU。

14.9.4　传感器网络的应用

1.军事应用

传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合在军事上的应用。通过飞机或炮弹直接将传感器节点播撒到敌方阵地内部，就能够非常隐敝而且近距离准确地收集战场信息，迅速获取有利于作战的信息。传感器网络是由大量的随机分布的节点组成，即使一部分节点被敌方破坏，剩下的节点依然能够自组织地形成网络。

传感器网络已经成为军事C⁴ISR（Command，Control，Communication，Computing，Intelligence，Surveillance and Reconnaissance）系统必不可少的一部分。美国国防部预先研究计划署很早就启动了SensIT（Sensor Information Technology）计划。该计划的目的就是将多种类型的传感器、可重编程的通用处理器和无线通信技术组合起来，建立一个廉价的、无处不在的网络系统，用以监测光学、声学、震动、磁场、温度、污染、压力、湿度、加速度等物理量。

2.环境观测和预报系统

随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。传感器网络在环境研究方面可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表监测等，可用于行星探测、气象和地理研究、洪水监测等，还可以通过跟踪鸟类、小型动物和昆虫进行种群复杂度的研究等。

传感器网络还有一个重要应用就是生态多样性的描述，能够进行动物栖息地生态监测。美国加州大学伯克利分校Intel实验室和大西洋学院联合在大鸭岛（Great Duck Island）上部署了一个多层次的传感器网络系统，用来监测岛上海燕的生活习性。

3.医疗护理

传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。人工视网膜是一项生物医学的应用项目。在美国“智能感知与集成微系统SSIM（Smart Sensors and Integrated Microsystems）”计划中，替代视网膜的芯片由100个微型的传感器组成，并置入人眼，目的是使失明者或者视力极差者能够恢复到一个可以接受的视力水平。

4.建筑物状态监控

建筑物健康状态监控是利用传感器网络来监控建筑物的安全状态。由于建筑物不断修补，可能会存在一些安全隐患。美国加州大学伯克利分校的研究人员采用传感器网络，让大楼、桥梁和其他建筑物能够自身感觉并且意识到它们本身的状况。使得安装了传感器网络的智能建筑自动告诉管理部门它们的状态信息，并且能够自动按照优先级来进行一系列自我修复工作（参见9.3.4节）。

习题与思考题

14-1　简述传感器新技术的发展趋势。

14-2　举例说明什么是集成传感器？

14-3　举例说明什么是MEMS传感器？

14-4　简要说明什么是智能传感器？

14-5　传感器智能化设计一般包括哪些内容？

14-6　简要说明机器人力觉、触觉传感器的作用？

14-7　什么是临场感机器人技术？

14-8　举例说明如何实现触觉再现？

14-9　什么是传感器信息融合技术？它包括哪三级信息融合？

14-10　什么是智能结构？

14-11　什么是智能超分子体系？主要应用领域有哪些？

14-12　什么是LB膜？一般如何制备LB膜？

14-13　简要说明超导传感器的工作原理。

14-14　什么是无线传感器网络？

【注释】

[1]该传感器板的原理图设计是公开的，有兴趣读者可直接从http://www.tinyos.net/scoop/special/hardware/处获得。