『壹』 感測器網路的作用
感測器網路主要包括三個方面:感應、通訊、計算(硬體、軟體、演算法)。其中的關鍵技術主要有無線資料庫技術,比如使用在無線感測器網路的查詢,和用於和其它感測器通訊的網路技術,特別是多次跳躍路由協議。例如摩托羅拉使用在家庭控制系統中的ZigBee無線協議。
感測器網路與感測器
感測器網路與感測器是什麼關系呢?它究竟是一種感測器呢還是一種網路呢?在回答這個問題之前,我們先來看一下感測器網路中感測節點的系統組成吧。如圖1所示,一般可以將感測節點分解為感測模塊、微處理器最小系統、無線通信模塊、電源模塊和增強功能模塊5個組成部分,其中增強功能模塊為可選配置。
圖1 感測器網路中感測節點的系統組成
可以把感測模塊和電源模塊看作傳統的感測器,如果再加上微處理器最小系統就可對應於智能感測器,而無線通信模塊是為了實現無線通信功能而比傳統感測器新增加的功能模塊。增強功能模塊是可選配置,例如時間同步系統、衛星定位系統、用於移動的機械繫統等。
從感測節點的系統組成上看,感測器網路可以看作是多個增加了無線通信模塊的智能感測器組成的自組織網路。而從功能上看,感測器和感測器網路大致相同,都是用來感知監測環境信息的,不過顯然感測器網路具備更高的可靠性。
感測器網路的發展
感測器網路是怎樣發展起來的呢?
最早的感測器網路可以追溯到上世紀70年代美軍在越戰中使用的「熱帶樹」感測器。為了遏制北越在胡志明小道的後勤補給,美軍在這條小道上沿途投放了上萬個「熱帶樹」感測器,這是一種振動和聲響感測器,當北越車隊經過時感測器探測到振動和聲響即向指揮中心發送感知信號,美軍收到信號後即組織轟炸,有資料顯示越戰期間美軍依靠「熱帶樹」的幫助總共炸壞了4萬多輛北越運輸卡車。
「熱帶樹」感測器之間沒有通信能力,所以實際上還稱不上網路的概念。20世紀80年代以來,美國軍方陸續與高校開展感測器網路方面的研究合作,旨在建立能夠用於軍事用途的自組織的無線感測器網路,這期間在硬體、軟體、標准化和產品化等方面取得了一系列的重大進展。
2000年,美國加州大學伯克利分校發布了感測器節點專用操作系統TinyOS,後續又推出專用程序設計語言nesC。2001年,伯克利分校又推出Mica系列感測器節點產品。TinyOS和Mica取得了巨大的成功,直到今天它們仍然得到了廣泛的應用。
2001年,ZigBee聯盟成立,並對無線感測器網路的通信協議進行了全面的標准化,後續多家公司發布了多款符合ZigBee協議標準的晶元和產品。
感測器網路未來的發展趨勢
感測器網路未來的發展趨勢又如何呢?
感測器網路技術誕生至今也不過幾十年的時間,最近更是得到了美國之外歐洲、中國和日韓等國的重視和關注,目前其發展前沿也在不斷延伸。總體說來,大致可以將其發展趨勢劃分為兩大類:其一是設計用於完成特殊任務的無線感測器網路,例如無線多媒體感測器網路和無線感測執行網路。其二是設計用於特殊應用環境下工作的無線感測器網路,例如水下環境和地下環境。
無線多媒體感測器網路(WMSN, Wireless Multimedia Sensor Network)在感測器節點上藉助多媒體感測單元將音頻、視頻、圖像等多媒體信息傳送到管理節點,能夠實現對復雜多變環境的監測。
無線感測執行網路(WSAN, Wireless Sensor and Actor Network)在WSN的基礎上加入了執行節點(Actor),執行節點根據收集到的監測信息做出決策並執行相關操作,從而在對環境監測的基礎上進一步實現對環境的控制。
水聲無線感測器網路(UW-ASN, Underwater Acoustic Sensor Network)採用水聲無線通信技術實現水下感測器節點之間的通信連接,能夠完成海洋采樣、環境監測、水下開采、輔助航行等任務。