現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)及其應(yīng)用

黃明陽(yáng)

摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)和集成化技術(shù)的快速普及，單個(gè)或少數(shù)傳感器的應(yīng)用已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)和智能控制技術(shù)的發(fā)展，而各種智能傳感器的大量使用導(dǎo)致在分布式控制系統(tǒng)中對(duì)各個(gè)傳感器在信息交換層面提出更高的要求。因此，由分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)收到人們?cè)絹?lái)越大的重視，這項(xiàng)技術(shù)是基于通信工程、模電數(shù)電、微機(jī)電系統(tǒng)等綜合技術(shù)，具有收集并處理各個(gè)傳感器信息和監(jiān)控整個(gè)外界環(huán)境等各項(xiàng)功能，具有完全自主運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。本文從網(wǎng)絡(luò)傳感器的概念和原理講起，介紹并總結(jié)了網(wǎng)絡(luò)傳感器的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳感器的應(yīng)用和未來(lái)新型網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)的發(fā)展方向做出了展望。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)傳感器；信息交換；通信協(xié)議

中圖分類號(hào)：TP391.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）07-0031-02

1 網(wǎng)絡(luò)傳感器的原理及結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)傳感器的概念和結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，測(cè)控裝置中的微處理器（MCU）監(jiān)控各個(gè)傳感器所采集的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理后與上位機(jī)完成通信。網(wǎng)絡(luò)傳感器的硬件組成一般包括五部分，分別是傳感器、信息處理器、儲(chǔ)存器、收發(fā)器及電源。此系統(tǒng)的效率依賴于MCU，若MCU發(fā)生故障，則微機(jī)處理系統(tǒng)不能收到系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。從而影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。將一種通用的數(shù)據(jù)采集模塊與傳統(tǒng)的傳感器相連，可以滿足各種系統(tǒng)的使用，從而構(gòu)成了適合于監(jiān)測(cè)用的不同形式的網(wǎng)絡(luò)傳感器。網(wǎng)絡(luò)傳感器即傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要硬件由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)調(diào)理、微處理器及數(shù)據(jù)通信模塊等實(shí)現(xiàn)，而軟件部分則包括數(shù)據(jù)處理和相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)控制軟件組成，底層的敏感元件既有傳統(tǒng)傳感器，如電阻傳感器、光敏傳感器、溫度傳感器、壓敏傳感器等，也有各類新型的智能傳感器。總而言之，大量的各類傳感器以自組織和多跳形式組成了網(wǎng)絡(luò)傳感器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和軟件的協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的各類信息，并報(bào)告用戶。

網(wǎng)絡(luò)傳感器一般分為有線和無(wú)線兩大類。有線網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)主要體現(xiàn)在傳感器的傳統(tǒng)應(yīng)用與拓展和總線技術(shù)相結(jié)合的方面，所有信號(hào)均通過(guò)有線傳播；而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)則是一種通過(guò)無(wú)線通信傳遞信息的傳感器技術(shù)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)傳感器的功能

網(wǎng)絡(luò)傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能眾多，但其重要功能包含以下三點(diǎn)：

（1）網(wǎng)絡(luò)傳感器可以實(shí)施遠(yuǎn)程采集信息數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分類儲(chǔ)存和應(yīng)用。例如在某地采集的數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸系統(tǒng)傳送到遠(yuǎn)處的各個(gè)用戶中心，或者先將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來(lái)以便后續(xù)調(diào)用。

（2）傳感器網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)用戶可以在遠(yuǎn)程對(duì)同一目標(biāo)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。例如，一個(gè)項(xiàng)目各個(gè)部門可以同時(shí)在相距遙遠(yuǎn)的各地測(cè)量、監(jiān)控同一生產(chǎn)過(guò)程，不必親臨現(xiàn)場(chǎng)便可實(shí)時(shí)收集各方面的數(shù)據(jù)，通過(guò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析，大大提高了工作效率。

（3）不同任務(wù)的傳感器、儀器儀表與計(jì)算機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)后，可憑借智能化軟、硬件，靈活調(diào)用各種計(jì)算機(jī)、儀器儀表和傳感器各自的資源特性和潛力，區(qū)別不同時(shí)空條件對(duì)象的類別特征，測(cè)出臨界值并做不同的特征響應(yīng)，完成各種形式、各種要求的任務(wù)。

2 網(wǎng)絡(luò)傳感器的信息交換體系

由于計(jì)算機(jī)和相關(guān)硬件只能識(shí)別數(shù)字信號(hào)，所以網(wǎng)絡(luò)傳感器的運(yùn)行需要傳感器的信號(hào)數(shù)字化，即將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并與網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)和儀器儀表進(jìn)行信息交換。而傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息交換體系涉及協(xié)議、總線、器件標(biāo)準(zhǔn)總線、復(fù)合傳輸、隱藏和數(shù)據(jù)鏈接控制等。

協(xié)議是傳感器為保證各分布式系統(tǒng)之間進(jìn)行信息交換而制定的一套規(guī)則或協(xié)定，在選擇一套體系的協(xié)議時(shí)必須考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)體系的功能和使用的硬件、軟件和所處環(huán)境等情況?？偩€是網(wǎng)絡(luò)傳感器上各分布式系統(tǒng)之間進(jìn)行信息交換，并與外部設(shè)備進(jìn)行信息交換的電路設(shè)備，總線的輸入輸出接口一般分為串行和并行兩種形式，并行在傳感器網(wǎng)絡(luò)中不經(jīng)常使用。器件標(biāo)準(zhǔn)總線是指把控制元件（傳感器、執(zhí)行器）連接起來(lái)的電路元件。復(fù)合傳輸是指若干個(gè)信息源結(jié)合起來(lái)通過(guò)同一通道進(jìn)行傳輸，傳輸?shù)接脩魰r(shí)再進(jìn)行信息分離工作，可以在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)傳感器的工作效率。隱藏是在限定時(shí)間內(nèi)確保最高優(yōu)先級(jí)的信息進(jìn)入進(jìn)行傳送，從而使一個(gè)確定性系統(tǒng)可以預(yù)見信號(hào)的未來(lái)行動(dòng)。數(shù)據(jù)鏈接控制是將用戶所有通信要求組裝成以幀為單位的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行的傳送執(zhí)行協(xié)議。

3 網(wǎng)絡(luò)傳感器測(cè)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)傳感器的布局結(jié)構(gòu)形式多種多樣，既有使全部互連形式的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也有多個(gè)傳感器和一臺(tái)計(jì)算機(jī)或單片機(jī)組成的智能傳感器，還有多個(gè)傳感器計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)站和一臺(tái)服務(wù)器組成的樹狀結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)。而各種結(jié)構(gòu)的傳感器布局形式的總線連接方式可以使星狀、樹狀、網(wǎng)狀，如圖2所示，而其中的節(jié)點(diǎn)包括終端傳感器節(jié)點(diǎn)、帶有路由器功能的節(jié)點(diǎn)和帶有協(xié)調(diào)器或匯總功能的節(jié)點(diǎn)。

從廣義上看，多傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以組成個(gè)人網(wǎng)、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)甚至連上互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全球的互通互聯(lián)。在局域網(wǎng)內(nèi)，一個(gè)部門或公司可以在遠(yuǎn)程對(duì)其生產(chǎn)線的各方面狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)的監(jiān)控。而當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)后，則可以將人類目前使用的這一最大網(wǎng)絡(luò)延伸到更多的人類活動(dòng)領(lǐng)域。例如，我國(guó)居民可以實(shí)時(shí)獲得世界各地的天氣情況，還沒(méi)出門的居民在家里就可以獲得城市交通狀況。而隨著經(jīng)濟(jì)全球化和制造全球化的普及，更多企業(yè)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳感器在世界各地監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況和企業(yè)商品庫(kù)存等動(dòng)態(tài)事物，從而極大地提高現(xiàn)代企業(yè)的信息化水平。

4 網(wǎng)絡(luò)傳感器的通信協(xié)議

隨著通信技術(shù)的日新月異，網(wǎng)絡(luò)傳感器的通信協(xié)議有很多種類，如IEEE協(xié)議、藍(lán)牙協(xié)議、ZigBee協(xié)議、CAN協(xié)議、Lon Talk協(xié)議等?，F(xiàn)介紹兩種廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)傳感器通信協(xié)議。

（1）IEEE協(xié)議。IEEE標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議因其低速度、低功耗、高質(zhì)量和低成本而被認(rèn)為是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器和無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)的理想實(shí)現(xiàn)技術(shù)，它基于開放系統(tǒng)的互聯(lián)模型。在眾多型號(hào)中，IEEE 802.11最為通用，IEEE 802.11采用2.4GHz和5GHz這兩個(gè)頻段。其中2.4GHz的頻段為世界上絕大多數(shù)國(guó)家采用。5GHz頻段在一些國(guó)家和地區(qū)的使用情況比較復(fù)雜，加上高載波頻率所帶來(lái)了負(fù)面效果，使得802.11a的普及受到了限制，雖然它是協(xié)議組的第一個(gè)版本。

（2）藍(lán)牙協(xié)議。藍(lán)牙是一種低成本、低功耗的短距離無(wú)線通信技術(shù)，由許多組件和抽象層組成。藍(lán)牙技術(shù)具有不同的通信方式，如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信方式和較為復(fù)雜的散射網(wǎng)方式。藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范的目的是使符合該規(guī)范的各種應(yīng)用之間能夠?qū)崿F(xiàn)互操作?；ゲ僮鞯倪h(yuǎn)端設(shè)備需要使用相同的協(xié)議棧，不同的應(yīng)用需要不同的協(xié)議棧。但是，所有的應(yīng)用都要使用藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。數(shù)據(jù)傳輸可隨時(shí)在主設(shè)備和其他設(shè)備之間進(jìn)行（應(yīng)用極少的廣播模式除外）。主設(shè)備可選擇要訪問(wèn)的從設(shè)備；通常來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)傳感器的主機(jī)與底層各個(gè)傳感器通過(guò)藍(lán)牙協(xié)議相連，主機(jī)不斷請(qǐng)求訪問(wèn)傳感器單元，從而使傳感器可以不斷地向主機(jī)傳送采集的數(shù)據(jù)。而藍(lán)牙協(xié)議一般由藍(lán)牙無(wú)線層、基帶層、鏈路管理層、鏈路邏輯控制和適配協(xié)議層和服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議組成。

5 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器

隨著電子技術(shù)和無(wú)線通信的飛速發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器因其低成本、高靈活度的特點(diǎn)逐漸成為學(xué)術(shù)界、工業(yè)界研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器（WSN）涉及嵌入式計(jì)算、分布式處理、無(wú)線通信和傳感器等技術(shù)，是一種全新的信息獲取技術(shù)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器一般由特定分布的集成傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線通信模塊及其節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的方式組成。

WSN的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，包括傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)（互聯(lián)網(wǎng)或物聯(lián)網(wǎng)）、用戶終端（手機(jī)或電腦）等。WSN具有靈活度大、監(jiān)測(cè)精度高、抗毀性強(qiáng)、覆蓋區(qū)域大等特點(diǎn)，它借助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的各種類型的傳感器，通過(guò)自組織方式協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或?qū)ο蟮男畔?，并?duì)其進(jìn)行處理，隨后通過(guò)自組多跳的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將獲取的信息發(fā)送給終端用戶，實(shí)現(xiàn)了自然界、信息界和人類社會(huì)的有效連通，大大提高了人們的生產(chǎn)生活效率。

6 網(wǎng)絡(luò)傳感器的未來(lái)發(fā)展

傳感器應(yīng)用至今，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次迭代，已經(jīng)進(jìn)化到現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)化模式。網(wǎng)絡(luò)傳感器作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，具有監(jiān)測(cè)精度高、覆蓋區(qū)域廣、可遠(yuǎn)程測(cè)量、快速部署和低成本等特點(diǎn)，所以現(xiàn)如今基于網(wǎng)絡(luò)傳感器的各項(xiàng)高新技術(shù)應(yīng)用層出不窮。網(wǎng)絡(luò)傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事偵查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理、空間探測(cè)、無(wú)人駕駛和智能家居等眾多領(lǐng)域。作為一個(gè)新興領(lǐng)域，至今網(wǎng)絡(luò)傳感器在信息傳遞、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、能量?jī)?yōu)化、降低成本等方面已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。

而未來(lái)網(wǎng)絡(luò)傳感器的發(fā)展方向必定向以下三個(gè)方向發(fā)展：一是智能化，傳感器網(wǎng)絡(luò)將直接接入我們的生活，通過(guò)手機(jī)和電腦我們可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，使傳感器融入生活；二是集成化，以后的傳感器將直接集成在我們的各種終端上，例如手機(jī)，電視，電腦等各種家用電器；三是可移動(dòng)化，隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模覆蓋，未來(lái)的傳感器接入網(wǎng)絡(luò)后，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)化工作。隨著各項(xiàng)技術(shù)的日新月異，未來(lái)傳感器多種傳感功能與數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、雙向通信等的集成，可全部或部分實(shí)現(xiàn)信號(hào)探測(cè)、變換處理、邏輯判斷、功能計(jì)算、雙向通訊，以及內(nèi)部自檢、自校、自補(bǔ)償、自診斷等功能，展現(xiàn)出其低成本、高精度的信息采集、可數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信、編程自動(dòng)化和功能多樣化等特點(diǎn)。

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