功能
借助于節(jié)點中內(nèi)置的傳感器測量周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號,從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等物質(zhì)現(xiàn)象。
以互聯(lián)網(wǎng)為代表的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是二十世紀(jì)計算機(jī)科學(xué)的一項偉大成果,它給我們的生活帶來了深刻的變化,然而在,網(wǎng)絡(luò)功能再強(qiáng)大,網(wǎng)絡(luò)世界再豐富,也終究是虛擬的,它與我們所生活的現(xiàn)實世界還是相隔的,在網(wǎng)絡(luò)世界中,很難感知現(xiàn)實世界,很多事情還是不可能的,時代呼喚著新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。傳感網(wǎng)絡(luò)正是在這樣的背景下應(yīng)運而生的全新網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它綜合了傳感器、低功耗、通訊以及微機(jī)電等等技術(shù),可以預(yù)見,在不久的將來,傳感網(wǎng)絡(luò)將給我們的生活方式帶來革命性的變化。
《中國傳感器數(shù)據(jù)庫》,匯集國內(nèi)外最先進(jìn)的傳感器、變送器、執(zhí)行器 - 儀器儀表及各類工控儀表的數(shù)據(jù)信息資料和企業(yè)產(chǎn)品資料。公司主辦的《傳感器設(shè)計應(yīng)用》刊物,匯集國內(nèi)外高科技產(chǎn)品信息和設(shè)計應(yīng)用案例。
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無線起源
起源
無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是典型的具有交叉學(xué)科性質(zhì)的軍民兩用戰(zhàn)略高技術(shù),可以廣泛應(yīng)用于國防軍事、國家安全、環(huán)境科學(xué)、交通管理、災(zāi)害預(yù)測、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、城市信息化建設(shè)等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)是由許許多多功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點組成,每一個傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器)、數(shù)據(jù)處理和控制模塊(微處理器、存儲器)、通信模塊(無線收發(fā)器)和供電模塊(電池、DC/AC能量轉(zhuǎn)換器)等組成。微電子機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展為傳感器的微型化提供了可能,微處理技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了傳感器的智能化,通過MEMS技術(shù)和射頻(RF)通信技術(shù)的融合促進(jìn)了無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)的誕生。傳統(tǒng)的傳感器正逐步實現(xiàn)微型化、智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化,正經(jīng)歷著一個從傳統(tǒng)傳感器(Dumb Sensor)→智能傳感器(Smart Sensor)→嵌入式Web傳感器(Embedded Web Sensor)的內(nèi)涵不斷豐富的發(fā)展過程。
分類
國際上比較有代表性和影響力的無線傳感網(wǎng)絡(luò)實用和研發(fā)項目有遙控戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)(Remote Battlefield Sensor System,簡稱 REMBASS --倫巴斯)、網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)(NCW)及靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)(SSW))、智能塵(smart dust)、Intel?Mote、Smart -Its項目、SensIT、SeaWeb、行為習(xí)性監(jiān)控(Habitat Monitoring)項目、英國國家網(wǎng)格等。尤其是最新試制成功的低成本美軍“狼群”地面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志著電子戰(zhàn)領(lǐng)域技戰(zhàn)術(shù)的最新突破。俄亥俄州正在開發(fā)“沙地直線”(A Line in the Sand)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這個系統(tǒng)能夠散射電子絆網(wǎng)(tripwires)到任何地方,以偵測運動的高金屬含量目標(biāo)。民用方面,美日等發(fā)達(dá)國家在對該技術(shù)不斷研發(fā)的基礎(chǔ)上在多領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用。
轉(zhuǎn)折點
英特爾與加利福尼亞州大學(xué)伯克利分校正領(lǐng)導(dǎo)著微塵技術(shù)的研究工作。他們成功創(chuàng)建了瓶蓋大小的全功能傳感器,可以執(zhí)行計算、檢測與通信等功能。2002年,英特爾研究實驗室研究人員將處方藥瓶大小的32個傳感器連進(jìn)互聯(lián)網(wǎng),以讀出緬因州“大鴨島”上的氣候,評價一種海燕巢的條件。而2003年第二季度,他們換用150個安有D型微型電池的第二代傳感器,來評估這些鳥巢的條件。他們的目的是讓世界各國研究人員實現(xiàn)無入侵式及無破壞式的、對敏感野生動物及其棲居地的監(jiān)測。該公司開發(fā)出了用于家庭護(hù)理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。根據(jù)演示,試制系統(tǒng)通過在鞋、家具,以及家用電器中嵌入半導(dǎo)體傳感器,幫助老年人、阿爾茨海默氏病患者,以及殘障人士的家庭生活。該系統(tǒng)利用無線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng),可高效傳遞必要的信息,從而方便病人接受護(hù)理,還可以減輕護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)。該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是英特爾公司在阿爾茨海默氏病患者家庭的合作下,歷時一年研究完成的,2004年下半年開始試用。
日立制作所與YRP泛在網(wǎng)絡(luò)化研究所2004年11月24日宣布開發(fā)出了全球體積最小的傳感器網(wǎng)絡(luò)終端。該終端為安裝電池的有源無線終端,可以搭載溫度、亮度、紅外線、加速度等各種傳感器。設(shè)想應(yīng)用于大樓與家庭的無線傳感器以及安全管理方面。
三菱電機(jī)日前開發(fā)成功了一種設(shè)想用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的小型低耗電無線模塊。能夠使用特定小功率無線構(gòu)筑對等(Ad-hoc)網(wǎng)絡(luò)。是取代利用專線構(gòu)筑的家用安全網(wǎng)絡(luò),計劃2005年~2006年達(dá)到實用水平。具體而言,與紅外線傳感器配合,檢測是否有人、與加速度傳感器配合,檢測窗玻璃和家具的振動、與磁傳感器配合,檢測門的開關(guān),等等。
在舊金山,200個聯(lián)網(wǎng)微塵已被部署在金門大橋。這些微塵用于確定大橋從一邊到另一邊的擺動距離—可以精確到在強(qiáng)風(fēng)中為幾英尺。當(dāng)微塵檢測出移動距離時,它將把該信息通過微型計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳遞出去。信息最后到達(dá)一臺更強(qiáng)大的計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。任何與當(dāng)前天氣情況不吻合的異常讀數(shù)都可能預(yù)示著大橋存在隱患。
驕傲
我國現(xiàn)代意義的無線傳感網(wǎng)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國家同步啟動,1999年首次正式出現(xiàn)于中國科學(xué)院《知識創(chuàng)新工程試點領(lǐng)域方向研究》的信息與自動化領(lǐng)域研究報告中,作為該領(lǐng)域提出的五個重大項目之一。隨著知識創(chuàng)新工程試點工作的深入,2001年中科院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心,引領(lǐng)院內(nèi)的相關(guān)工作,并通過該中心在無線傳感網(wǎng)的方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項目和方向性項目,參加單位包括上海微系統(tǒng)所、聲學(xué)所、微電子所、半導(dǎo)體所、電子所、軟件所、中科大等十余個校所,初步建立傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究平臺,在無線智能傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器節(jié)點、簇點和應(yīng)用系統(tǒng)等方面取得很大的進(jìn)展,2004年9月相關(guān)成果在北京進(jìn)行了大規(guī)模外場演示,部分成果已在實際工程系統(tǒng)中使用。國內(nèi)的許多高校也掀起了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱潮。清華大學(xué)、中國科技大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、天津大學(xué)、南開大學(xué)、北京郵電大學(xué)、東北大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西南交通大學(xué)、沈陽理工大學(xué)和上海交通大學(xué)等單位紛紛開展了有關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的基礎(chǔ)研究工作。一些企業(yè)如中興通訊公司等單位也加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的行列。
應(yīng)用
傳感網(wǎng)[1]在民用方面,涉及城市公共安全、公共衛(wèi)生、安全生產(chǎn)、智能交通、智能家居、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域。國內(nèi)從事傳感網(wǎng)應(yīng)用的大企業(yè)為數(shù)不多,小企業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的勢頭。北京鼎天軟件有限公司,主要從事城市公共安全應(yīng)急指揮系統(tǒng)建設(shè),已經(jīng)承擔(dān)揚州電子政務(wù)和揚州應(yīng)急指揮系統(tǒng)。上海電器科學(xué)研究院主要從事智能交通方面的工程,已經(jīng)承擔(dān)上海市內(nèi)、外環(huán)智能交通工程。嘉興中科無線傳感網(wǎng)科技有限公司在數(shù)字航道、城市應(yīng)急系統(tǒng)、機(jī)場監(jiān)控等方面有較好的技術(shù)背景,相關(guān)項目工程正在進(jìn)行中。沈陽東軟、北大青鳥、億陽信通等企業(yè)也在傳感網(wǎng)應(yīng)用方面有所涉足,主要在電子政務(wù)方面,正在向公共安全應(yīng)急指揮系統(tǒng)進(jìn)發(fā)。
特點
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以看成是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡(luò)和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點,各節(jié)點通過協(xié)議自組成一個分布式網(wǎng)絡(luò),再將采集來的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化后經(jīng)無線電波傳輸給信息處理中心。
因為節(jié)點的數(shù)量巨大,而且還處在隨時變化的環(huán)境中,這就使它有著不同于普通傳感器網(wǎng)絡(luò)的獨特“個性”。
首先是無中心和自組網(wǎng)特性。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中,所有節(jié)點的地位都是平等的,沒有預(yù)先指定的中心,各節(jié)點通過分布式算法來相互協(xié)調(diào),在無人值守的情況下,節(jié)點就能自動組織起一個測量網(wǎng)絡(luò)。而正因為沒有中心,網(wǎng)絡(luò)便不會因為單個節(jié)點的脫離而受到損害。
其次是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化性。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點是處于不斷變化的環(huán)境中,它的狀態(tài)也在相應(yīng)地發(fā)生變化,加之無線通信信道的不穩(wěn)定性,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟虼艘苍诓粩嗟卣{(diào)整變化,而這種變化方式是無人能準(zhǔn)確預(yù)測出來的。
第三是傳輸能力的有限性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過無線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,雖然省去了布線的煩惱,但是相對于有線網(wǎng)絡(luò),低帶寬則成為它的天生缺陷。同時,信號之間還存在相互干擾,信號自身也在不斷地衰減,諸如此類。不過因為單個節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不算大,這個缺點還是能忍受的。
第四是能量的限制。為了測量真實世界的具體值,各個節(jié)點會密集地分布于待測區(qū)域內(nèi),人工補(bǔ)充能量的方法已經(jīng)不再適用。每個節(jié)點都要儲備可供長期使用的能量,或者自己從外汲取能量(太陽能)。
第五是安全性的問題。無線信道、有限的能量,分布式控制都使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易受到攻擊。被動竊聽、主動入侵、拒絕服務(wù)則是這些攻擊的常見方式。因此,安全性在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中至關(guān)重要。
與物聯(lián)網(wǎng)
通過感知識別技術(shù),讓物品“開口說話、發(fā)布信息”,是融合物理世界和信息世界的重要一環(huán),是物聯(lián)網(wǎng)區(qū)別于其他網(wǎng)絡(luò)的最獨特的部分。物聯(lián)網(wǎng)的“觸手”是位于感知識別層的大量信息生成設(shè)備,包括RFID、傳感網(wǎng)、定位系統(tǒng)等。在《物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論》一書中,作者認(rèn)為傳感網(wǎng)所感知的數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)海量信息的重要來源之一。且中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟認(rèn)為,傳感網(wǎng)的飛速發(fā)展對于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的進(jìn)步,實現(xiàn)物聯(lián)化具有重要的意義。
自2009年8月溫總理提出“感知中國”以來,物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一,寫入“政府工作報告”, 傳感網(wǎng)-物聯(lián)網(wǎng)百度指數(shù)
物聯(lián)網(wǎng)在中國受到了全社會極大的關(guān)注,其受關(guān)注程度是在美國、歐盟、以及其他各國家不可比擬的。
有許多人把傳感網(wǎng)的含義擴(kuò)大為包括物聯(lián)網(wǎng),這樣的說法有一定道理,溫總理“感知中國”的講話起始于對傳感網(wǎng)的關(guān)注,但目前看來,人們更趨向于用物聯(lián)網(wǎng)這個詞(見右邊百度指數(shù)圖),物聯(lián)網(wǎng)的范圍大于傳感網(wǎng),于是在很多場合出現(xiàn)了“物聯(lián)網(wǎng)(傳感網(wǎng))”的提法,而且這似乎成了“官方”的提法。
從圖中可以看出,物聯(lián)網(wǎng)和M2M的使用頻率比傳感網(wǎng)要高,英文的Google趨勢圖也顯示了同樣的結(jié)果。 這大概也是物聯(lián)網(wǎng),而不是傳感網(wǎng)被寫入政府工作報告原因吧。
物聯(lián)網(wǎng)四大技術(shù)與應(yīng)用
在《物聯(lián)網(wǎng):技術(shù)、應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)和商業(yè)模式》一書中,作者把傳感網(wǎng)列為物聯(lián)網(wǎng)的4大技術(shù)和應(yīng)用之一,得到業(yè)界一部分人的認(rèn)同。
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