現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下構(gòu)建智能計(jì)量的應(yīng)用

劉璞君

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是未來建筑智能計(jì)量發(fā)展趨勢所向。無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)能夠解決過去物理路由傳輸?shù)膯栴}，克服高溫危險(xiǎn)區(qū)線路建設(shè)困難。并通過消除構(gòu)建后定期維護(hù)來降低大量線路的成本。還有是，無線測計(jì)量網(wǎng)絡(luò)具有自組織性和修復(fù)性，高度移動(dòng)的能力，計(jì)量節(jié)點(diǎn)易于構(gòu)建。筆者憑多年的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析，并就無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在計(jì)量學(xué)中的應(yīng)用展開探討。

關(guān)鍵詞：智能計(jì)量；無線網(wǎng)絡(luò)；傳感器

一、引言

伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)取代了過去的有線通信，成為生活中不可或缺的一部分。早在1993年，日本日立公司就提出流量計(jì)量系統(tǒng)的構(gòu)思，但由于線路配置和測量設(shè)備的設(shè)置限制，計(jì)量網(wǎng)絡(luò)只能以一定的高成本監(jiān)測儀器存在。直到2000年，加利福尼亞大學(xué)伯克利分?；跓o線傳輸提出了一個(gè)無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)，以解決有線傳輸問題。由于應(yīng)用范圍廣泛，學(xué)術(shù)界和行業(yè)都在投資這一領(lǐng)域，使無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展。在無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)量設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)是兩個(gè)核心。整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)量節(jié)點(diǎn)的通信能力，組件可以承載各種計(jì)量設(shè)備，測量溫度，濕度，亮度，加速度，壓力，聲音等組成，計(jì)量節(jié)點(diǎn)具有自適應(yīng)能力，組織網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)代表網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)將計(jì)量設(shè)備收集回信息到主控方。目前由于mems和納米技術(shù)的進(jìn)步，測量設(shè)備的精密化，可以使計(jì)量設(shè)備組件大量散布在環(huán)境中，組合成一張無線計(jì)量網(wǎng)。

二、無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)技術(shù)介紹

無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)最初由加州大學(xué)柏克萊分校的智能粉塵計(jì)劃提出，并由美國國防部贊助，應(yīng)用于軍事相關(guān)的情報(bào)匯集。這計(jì)劃主要是發(fā)展一套微小的計(jì)量節(jié)點(diǎn)，大小如粉塵一般，可懸浮在空中，負(fù)責(zé)監(jiān)視敵軍和匯集情報(bào)。而后加州大學(xué)洛杉磯分校、麻省理工學(xué)院陸續(xù)研發(fā)不同的計(jì)量節(jié)點(diǎn)，以擴(kuò)展無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，例如生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測、儀器的測定等。無線計(jì)量設(shè)備網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可分為軟件和硬件兩大主軸。軟件包含通訊協(xié)議、計(jì)量節(jié)點(diǎn)所使用的操作系統(tǒng)、定位功能所需的算法、網(wǎng)絡(luò)的安全和管理等；硬件則有計(jì)量節(jié)點(diǎn)硬件、微計(jì)量設(shè)備電路模組等。自無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)概念提出后，各研究團(tuán)隊(duì)都開發(fā)各自的平臺(tái)，種類繁多，其中以加州大學(xué)柏克萊分校研發(fā)的Mofe最具代表性。這些平臺(tái)彼此不相容，加上成本過于昂貴，造成無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展近乎被壟斷，相關(guān)研究和應(yīng)用無法普及化。無線計(jì)量設(shè)備網(wǎng)絡(luò)主要由眾多的計(jì)量設(shè)備節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含4大單元：計(jì)量單元、處理單元、無線傳輸單元及電源供應(yīng)單元。

1.計(jì)量單元。由種類繁多的微計(jì)量設(shè)備所構(gòu)成，負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)和信息的量測，如溫度、濕度、光度、加速度、壓力、聲音、煙、紅外線、化學(xué)物品等，并把匯集到的類比信號傳送到信號轉(zhuǎn)換元件，轉(zhuǎn)換成數(shù)位信號。

2.處理單元。類似個(gè)人電腦中的中央處理機(jī)，負(fù)責(zé)執(zhí)行程序代碼、協(xié)調(diào)并控制不同的單元，或接收命令啟動(dòng)計(jì)量單元匯集環(huán)境信息，并在經(jīng)過處理后，透過傳輸單元把數(shù)據(jù)發(fā)送回去。這單元包含小型儲(chǔ)存單元，以儲(chǔ)存匯集到的環(huán)境信息。

3.無線傳輸單元。主要對計(jì)量節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間作通信，并將計(jì)量設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，可根據(jù)環(huán)境要求選擇不同的傳輸頻帶，包括紅外線，無線電波等。

4.電源供應(yīng)單元。主要用來提供計(jì)量設(shè)備節(jié)點(diǎn)硬件動(dòng)作所需的能源，一般可選擇標(biāo)準(zhǔn)的鋰電池，或可從環(huán)境中獲取能量的太陽能電池。在平臺(tái)規(guī)劃中，依在計(jì)量網(wǎng)絡(luò)中所扮演的角色，節(jié)點(diǎn)分為基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)與進(jìn)階節(jié)點(diǎn)。針對這兩種不同的功能需求，分別設(shè)計(jì)合適的硬件規(guī)格，并設(shè)置網(wǎng)關(guān)扮演無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和主控端的媒介。

4.1 基層節(jié)點(diǎn)是無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)的底層，計(jì)算能力最低，能耗最低，測量和通信能力最大，分布最廣，負(fù)責(zé)測量各種環(huán)境，數(shù)據(jù)收集返回。在硬件設(shè)計(jì)中，微處理器選用silicon Lab C8051F411，供助于脈沖可以讓基站在全速運(yùn)行時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，其余時(shí)間處于備機(jī)狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能。

4.2進(jìn)階節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)中的中間硬件，負(fù)責(zé)建立、維護(hù)路由和管理網(wǎng)絡(luò)，可下令允許新節(jié)點(diǎn)加入或要求節(jié)點(diǎn)離開網(wǎng)絡(luò)。相較于基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)階節(jié)點(diǎn)須有較高的運(yùn)算能力，且耗能較多，因此在硬件設(shè)計(jì)上，選用由德州儀器設(shè)計(jì)、運(yùn)算能力較強(qiáng)且低耗能的設(shè)置。

4.3網(wǎng)關(guān)是做為無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)和使用者之間溝通的橋梁，整合不同RF通訊協(xié)議，可利用USB界面輕易地和個(gè)人電腦連接，且大部分工作由電腦完成，硬件本身進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)傳遞。因電源直接由電腦提供，所以不需和節(jié)點(diǎn)一樣考慮耗能問題。

無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)以Zig Bee為主要無線通訊協(xié)議。Zi邸ee針對無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)需求，制定低消耗功率、低速率（250Kbs）、短距離（50—100 m）、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡單的通訊協(xié)議，并可支持星形、網(wǎng)形、樹形等網(wǎng)絡(luò)拓樸。

三、無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

縱觀無線計(jì)量設(shè)備網(wǎng)絡(luò)技術(shù)除平臺(tái)開發(fā)外，可作遠(yuǎn)距離醫(yī)療診斷應(yīng)用，智能家居和環(huán)境安全應(yīng)用，生態(tài)監(jiān)測和預(yù)警應(yīng)用，滑坡監(jiān)測，微觀氣候監(jiān)測和智能建筑應(yīng)用智能數(shù)字生活空間，獨(dú)立家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)應(yīng)用等。無線測量網(wǎng)絡(luò)可以解決過去物理線路傳輸面的問題，克服諸如高溫危險(xiǎn)區(qū)設(shè)置線路困難，并且落成后節(jié)省維護(hù)，并降低了大量線路的成本，估計(jì)可以減少約80%。還有無線測光網(wǎng)絡(luò)具有自組織，修復(fù)網(wǎng)絡(luò)，高度移動(dòng)的能力，計(jì)量節(jié)點(diǎn)易于構(gòu)建。在測量領(lǐng)域，我們所要求的無線傳輸必須高度可靠，并且能抵抗各種電磁干擾。使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測量的優(yōu)點(diǎn)，具體如下：

1.成本低。每一個(gè)傳感器的價(jià)格都不高，而且每一個(gè)傳感器都是智能的，能完成信息的收集和處理工作，也能夠完成相互之間的通信而無需再進(jìn)行額外的投入。

2.低功耗。在設(shè)計(jì)時(shí)就是以低功耗為目的，頻繁地去給無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)去更換電池是不現(xiàn)實(shí)的。

3.監(jiān)測更準(zhǔn)確。計(jì)量節(jié)點(diǎn)密度越高，其監(jiān)測結(jié)果就會(huì)越準(zhǔn)確，而由于計(jì)量節(jié)點(diǎn)成本不高，在實(shí)際使用時(shí)進(jìn)行高密度的部署并不會(huì)帶來成本的大幅上升，因此可以通過高密度部署計(jì)量節(jié)點(diǎn)換來更準(zhǔn)確的監(jiān)測結(jié)果。

4.監(jiān)測更可靠。無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)還有一個(gè)巨大的優(yōu)勢，就是它的網(wǎng)絡(luò)是自組織的，也正是因?yàn)樗亲越M織的，所以它還具有自我修復(fù)能力，這些都無需人工干預(yù)，當(dāng)有一個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞時(shí)，無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)會(huì)很快修復(fù)好，并不會(huì)對計(jì)量結(jié)果帶來很大的影響。

5.實(shí)時(shí)性好。無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)對目標(biāo)狀態(tài)改變的發(fā)現(xiàn)是非常及時(shí)的，而且它并不依賴于一個(gè)節(jié)點(diǎn)去發(fā)現(xiàn)這種狀態(tài)的改變，所以會(huì)具備較高的及時(shí)性。

四、總結(jié)

我國擁有電子相關(guān)制造業(yè)的優(yōu)勢，加上學(xué)術(shù)界具備軟件、硬件和人機(jī)界面研發(fā)能力，若能凝聚產(chǎn)學(xué)界的力量，制定共同平臺(tái)規(guī)范，并依據(jù)這規(guī)范量身打造無線計(jì)量設(shè)備硬件和優(yōu)良的無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，必可為無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)奠定發(fā)展的良好基礎(chǔ)。我國提出無線計(jì)量設(shè)備網(wǎng)絡(luò)技術(shù)前瞻研究項(xiàng)目計(jì)劃，想建立一套完整的無線計(jì)量設(shè)備網(wǎng)絡(luò)共同平臺(tái)和研發(fā)跨領(lǐng)域的整合應(yīng)用服務(wù)，結(jié)合產(chǎn)學(xué)界力量，并本著學(xué)術(shù)資源共享的原則，把這些硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)和軟件程序開放給各界自由使用。結(jié)合我國電子產(chǎn)業(yè)的豐富資源和學(xué)術(shù)界的優(yōu)異研發(fā)能力，共同打造無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，并以平臺(tái)為基礎(chǔ)，做實(shí)地應(yīng)用示范，必能使無線計(jì)量網(wǎng)絡(luò)普及化。這個(gè)新興技術(shù)發(fā)展?jié)摿o窮，可應(yīng)用在軍事、環(huán)境、健康、居住環(huán)境等領(lǐng)域，若能結(jié)合無線計(jì)量技術(shù)與創(chuàng)新想法，嘗試各種應(yīng)用，有可能對未來生活產(chǎn)生革命性的影響。

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