原创无线传感器网络：感知模拟的另一只眼

 2010-8-11 10:14  2476 5 5 分类: 测试测量

摘自EEFOCUS网站“幸福阶梯”的博客

有人说“未来世界是数字的”，意思就是任何模拟的事物最终都能在数字域下被表示，分析并最终处理。

这并非空穴来风，而是在科技的基础上得来的。我们已经有了精准度很高的ADC,DAC模块，需要的只是如何将模拟的信号导入系统当中。像语音通信时的麦克一样，我们还需要其他某种技术将个人的动作，某个场景转化成可判断，可监控的数字……

说道这里，感知模拟世界，你肯定首先想到的是MEMS。没错，在Iphone的引领下，这项最早面向军工，沉寂很久的感应技术终于在消费电子领域寻得第二春。但是除了主动去感知，我们还需要了解某些“被感知”事物的动向，于是就有了我们今天的话题----无线传感器网络。

他没有MEMS的大红大紫，也没有摄像系统来的迅捷直观。有些人认为他是鸡肋项目，不屑一顾；有些人却认为他前途无限，一掷千金……

那么究竟这项技术值不值得关注？有没有发展前景，本专题与非网和你一起探讨。

基本原理

无线传感器网络（WSN）将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。它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的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。

不同种类的传感器将探测到的相应的物理量，经过模拟/数字转换后，送到处理单元。处理单元负责处理本节点和其他节点传来的数据，而传输单元则按照相应的无线传输协议与其他节点交换数据。其中能量产生装置通常是由太阳能、热电效应和振动发电等构成，从而实现长期供电的目的。

图示：传感器节点的基本组成

主要应用领域

在准备专题资料的过程中，笔者联系到了西安成峰科技有限公司陈建峰。在他很早前撰写的一篇《无线传感器网络应用实例荟萃》中将无线传感器网络应用分成了8块。首先提到的就是军事领域。

军事领域：美国军方成功案例--狙击手定位系统（左图）检测区域俯瞰图（右图）
模型图：红色为狙击手的位置，绿色为节点位置

农业领域，通过无人值守，监视农作物灌溉情况、土壤空气变更、牲畜和家禽的环境状况以及大面积的地表检测。

农业领域：左图--农业生态环境监测实例结构图，右图--Digital Sun公司自动洒水系统的原理模型

工业领域，采用无线传感器网络，让大楼、桥梁、文物场所、矿井等主动开口，向负责人员汇报自身现状，是否有倾斜，是否能够抵抗洪峰，是否到了该维修保养的时间段。在7月26日，河南栾川县大桥垮塌事件之后，笔者一直都在和朋友探讨----如果事发的汤营大桥安装了此类无线传感器网络，那些消失在洪峰中的37条生命是不是就可以挽留住啦？

左图--基于无线传感器网络的桥梁结构监测系统示意图，该系统可用于监测桥梁、高架桥、高速公路等道路环境。
右图--应用在秦兵马俑的无线传感器网络，主要监控温度、湿度、压力、加速度、光照等参数。

左图：北京邮电大学开展的煤矿瓦斯报警和矿工定位无线传感器网络系统的研究，一个节点上包括了温湿度传感器、瓦斯传感器、粉尘传感器等。传感器网络经防爆处理和技术优化后，可用于危险工作环境，在煤矿工作的员工及其周围环境将可以得到随时监控。
右图：成峰公司正在与陕西天和集团共同研发矿工井下区段定位系统。各个工作地点放置一定数量的传感器节点，通过接收矿工随身携带的节点所发射的具有唯一识别码的无线信号进行人员定位。同时各个传感器节点还可以进行温度、湿度、光、声音、风速等参量的实时检测，并将结果传输至基站，进而传至管理中心。

医疗电子，如在病人身上安置体温采集、呼吸、血压等测量传感器，医生可以远程了解病人的情况。当然，消费者肯定需要这包含多种传感器的设备越小越好。

图示：远程医疗监控~PS,该技术应该很容易就能移植到囚犯身上，这样狱警们就可以很容易的判断当前该犯人是否有异常，是否有非法举动。

典型特点：

能量有限：能量是限制传感节点能力、寿命的最主要的约束性条件，现有的传感节点都是通过标准的AAA或AA电池进行供电，并且不能重新充电。
计算能力有限：传感节点CPU一般只具有8bit、4MHz～8MHz的处理能力。
存储能力有限：传感节点一般包括三种形式的存储器即RAM、程序存储器、工作存储器。RAM用于存放工作时的临时数据，一般不超过2k字节。程序存储器用于存储操作系统、应用程序以及安全函数等，工作存储器用于存放获取的传感信息，这两种存储器一般也只有几十k字节。
通信范围有限：为了节约信号传输时的能量消耗，传感节点的RF模块的传输能量一般为10mW到 100mW之间，传输的范围也局限于100米到1公里之内。
防篡改性：传感节点是一种价格低廉、结构松散、开放的网络设备，攻击者一旦获取传感节点就很容易获得和修改存储在传感节点中的密钥信息以及程序代码等。

无线传感网络（WSN）不等于物联网（IOT）

虽然物联网概念现在越炒越热，但是WSN和物联网并无渊源。首先，真正意义上的物联网的出现还需要假以时日，其次，从网络架构和协议上看，物联网与WSN完全不同，这是根本的区别，第三，从目标特征上看，物联网探测的一定是已知物品，而WSN探测和判断的更多是未知的人或物。 但这并不妨碍WSN和IOT在技术层面上的共享。比如说，RFID技术是物联网的核心技术。

WSN与无线局域网的区别

尽管都是无线通信网络，但WSN与无线局域网还是有很大的区别。WSN是由部署在监视区域的WSN节点，通过无线通信的方法自组织成网，没有固定的网络基础设施，也没有中心节点，整个网络不仅有数据的处理和传输，而且还有感知自然界的数据采集功能，甚至还有执行功能。

与摄像监控系统的区别

在机场，繁忙的十字路口我们常见的监控系统都是由摄像头充当节点的网络系统。与后者相比，WSN具有成本、体积、电源等方面的优势。但是其计算、存储和通信能力还较弱，更适合安置在对纪实信号处理能力要求还不是很高的场合，如桥梁，文物保护区，矿井等。

设计难点

目前无线传感器网络想普及面临的最大问题都是围绕安全展开的。如对节点的控制，信号传输的控制等等。深圳无线龙科技公司邱工总结道：安全是一个好的传感网络设计中的关键问题。“没有足够的保护机密性、私有性、完整性以及防御DOS和其它攻击的措施，传感网络就不能得到广泛的应用，它只能在有限的、受控的环境中得到实施，这会严重影响传感网络的应用前景。”

图示：无线传感器网络相关部分技术书籍

对节点的攻击：

未来的传感器网络一般有成百上千个传感节点，很难对每个节点进行监控和保护，因而每个节点都是一个潜在的攻击点，都能被攻击者进行物理和逻辑攻击。另外，传感器通常部署在无人维护的环境当中，这更加方便了攻击者捕获传感节点。当捕获了传感节点后，攻击者就可以通过编程接口，修改或获取传感节点中的信息或代码。