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如何应用无线传感器网络在国民经济中

无线自组网是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流,通常节点具有持续的能量供给。
　　传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统,节点数目更为庞大,节点分布更为密集;由于环境影响和能量耗尽,节点更容易出现故障;环境干扰和节点故障亦造成网络拓扑结构的变化;通常情况下大多数传感器节点是固定不动的。另外,传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用,其次才考虑节约能源;因而传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用,这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。
　　无线传感器网络的研究采用系统发展模式,融合了现代先进的微电子技术、微细加工技术、系统芯片(SoC)设计技术、纳米材料与技术、现代信息通信技术、计算机网络技术等,广泛应用于军事、工业、医疗、环境、家庭等领域,必将成为未来信息传输中不可缺少的一部分。
1、WSN的结构：
　　无线传感器网络是由大量的传感器节点构成的基于任务的平台,其必不可少的3要素是传感器、感知对象和观察者。
　　传感器对感知对象进行感知,然后将感知结果发送给观察者,如图1所示。
　　从功能实现角度分析,无线传感器网络由嵌入式设备、传感器和网络构成。嵌入式设备作为分布式监控和通信的载体;传感器测试大千世界的信息,转换为可操作信号;网络作为所有设备构成的系统,相互协作,完成复杂的任务。
　　无线传感器网络是指在环境中布置的传感器节点以无线通信的方式构成网络。通信结构如图2所示。无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测传感区域内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。
　　传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点作为控制中心,对传感器网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据供用户浏览和处理。
2、WSN在国民经济中的应用：
　　无线传感器网络的快速布置、自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃,快速布置、自组织和容错能力等特性使他们非常适合应用于恶劣的战场环境中,包括监控我军兵力,装备和物资,监视冲突区,侦察敌方地形和布防、定位攻击目标,评估损失,侦察和探测核、生物和化学攻击[5]等军事用途,受到了军事发达国家的普遍重视。同时,无线传感器网络在工农业、生物医疗、环境监测、抢险救灾等很多民用领域也都拥有十分广阔的应用前景。特别适用于那些设备成本较低,传输数据量较少,使用电池供电并且要求工作时间较长的应用场合。
　　2.1 空气质量监测站的应用：
　　由于人们生活水平的提高,环境保护意识的加强,对环境信息的监测越来越受到当今社会的重视。空气质量监测是环境监测的一个重要组成部分,监测项目也由原来简单的SO2、NOx的监测增加了很多,如CO、O3以及空气中有毒有害的有机物等。但是,空气质量监测站的设计一直受到设计成本昂贵、维护复杂、数据的实时性差以及监测范围的扩大等因素的困扰。
　　无线传感器节点成本低、功耗小,适用于多个区域的多点检测,正适合于空气质量监测站的设计实施,由于监测点一般远离监控中心,针对传感器网络无线传输距离短的缺点,利用现有的通用分组无线电业务(GPRS)网络,发挥其覆盖面广的优点,使之远距离数据传输成为可能[7]。
　　空气质量监测站由无线传感器节点、空气质量传感器(检测SO2,NOx等)以及A/D转换、网关节点、GPRS模块、微处理器等组成。监测区域所部署的传感器节点监测每点的数据,然后数据沿着其他传感器节点逐级进行传输,在传输过程中监测的数据可能被多个节点处理,经过多跳后汇集到网关节点,再由网关节点将数据传输到控制中心。
　　应用于环境监测的传感器网络,具有部署简单、便宜、无需派人现场维护的优点。在环境方面的应用包括:监测大面积的海洋、森林、气象和地理研究;监测牲畜、家禽的环境状况;监控动物栖息地等。
　　2.2 远程家庭监护系统：
　　随着社会老龄化的加剧,解决长期慢性病的监护成为重要的社会问题。一些突发性疾病和家庭保健,如心血管疾病、老人的日常护理、孕妇、胎儿、婴儿、幼儿的保健也需要长期的家庭监护。由于中国医疗资源紧缺,基于公用网络的家庭医疗监护,建立小区医疗网络,可以提高医疗服务水平,减轻病人负担。
　　在人体身上安装特殊用途的传感器节点,如心率和血压监测设备,利用传感器网络,医生就可以随时了解被监护者的情况,进行病情的及时处理[8]。还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据,这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的,而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不便。此外,在药物管理等诸多方面,它也有新颖而独特的应用。人工视网膜是一项生物医学的应用项目。在SSIM计划中,替代视网膜的芯片由100个微型传感器组成,并植入人眼,目的是使得失明者或者视力极差者能够回复到一个可以接受的视力水平。传感器的无线通信满足反馈控制的需要,有利于人们对图像的识别和确认。
传感器网络为远程医疗提供了更加方便、快捷的技术手段。无线传感器网络可以长时间地收集生理数据,远程监控人体状况并提供诊断。还可用于医院的药品管理,将传感节点按药品种类分别放置,计算机系统可辨认所开的药品。
　　2.3 矿井瓦斯监测系统：
　　安全问题一直是困扰中国煤矿生产的重大问题,瓦斯爆炸事件给人民的生命财产造成巨大的损失。矿井瓦斯主要是在开采过程中溢出的,因此矿井工作面瓦斯含量最大,由于工作面工作条件十分恶劣,至今没有设置瓦斯监测装置。只是在回风巷设置了固定式瓦斯探头。将无线传感器网络技术用于煤矿安全生产中,使矿井人员携带或机载的移动式瓦斯传感器,将工作面的瓦斯值传输到工作面端头的瓦斯监控系统中,从而实现瓦斯源头的实时监测,及时避免事故的发生[9]。
　　瓦斯监测系统由移动式瓦斯传感器、矿井瓦斯监控分站、地面中心3部分组成。其中,移动式瓦斯传感器采集瓦斯信号,经过微弱信号放大电路,A/D转换后由单片机存储管理其数据。
　　传感器采用定时输出、无线电发送方式。监控分站包括电力负荷控制和电子监控电路。监控分站的核心是嵌入式电路,该电路外接2.4 GHz的传输模块,实现无线信号的搜集与处理。当瓦斯超限时能够发出控制信号,该控制信号控制声光报警器发出报警信号,也可以控制工作面的供电系统,实施断电。该电路还能实现电力负荷的监测功能。
　　遍布整个矿井的网络监控站的信息可以传到地面中心。地面中心的主要任务是实时显示各个监控点的瓦斯信息,供矿井调度实施生产指挥与调度。
　　无线传感器网络的应用解决了原有井下固定瓦斯监测带来的安全隐患,提高煤矿开采作业的安全等级。系统组网简单、维护方便、成本低廉且移动平台功率控制好,属于本质安全型的监测平台,适合于中小煤矿安装。通过监测分站的内建通用异步接收发送器,还可将数据传输至地面监控中心存储管理,提高了煤矿安全生产水平。
　　2.4 大棚环境监控系统：
　　目前大棚养殖已成为中国一些农村的重要产业,是当地农民的主要经济来源,随着大棚养殖逐渐的大规模化和集团化,无人值守的大规模大棚自动监控系统具有较高的实际应用价值。大棚环境监控系统总体架构如图3所示。由上海市计算技术研究所构造的花卉大棚无线传感器网络监控系统,利用无线收发设备传输数据,无需专门架线,系统结构简单,节省了人力物力,通过监测管理中心可实现对大棚温湿度的控制、二氧化碳含量测量、光照度信息采集和图像监控等功能,实现真正意义上的无人值守,与普通无线技术相比,还具有低功耗、低成本和网络容量大等特点,该系统由中心控制单元和大棚监控节点组成。
　　该系统为实现大规模大棚监控的信息化、自动化、提高工作效率具有很高的实际应用价值。
　　2.5 微软数据中心温度追踪系统：
　　微软全球基础服务部门(负责监管微软在线服务平台)现采用一套无线传感器网络来提高公司数据中心的可视性,减少因过于冷却大型IT设备机房所浪费的电能。这套系统由微软研发部门Data Center Genome开发,于2006年首次测试,现已应用于微软全球各地的数据中心[10]。
　　微软数据中心服务属于微软全球基础服务,负责设计、建造和管理公司的许多数据中心。当时,微软业务发展非常迅速,全球越来越多用户都使用公司的网络服务如Hotmail和IM。为此,微软不得不在全球建立必要基础设施,如服务器数据中心,支持不断增加的用户流量。这不仅需要上千的服务器,还需要足够的电能来保证机房以保持适当温度。每个数据中心的空调系统都必须确保机房内任何一个服务器支架的温度不会超过特定值。因为无法清楚机房内任一点的温度,绝大多数的机房只能最大化地使用空调。
　　利用这套无线传感器网络系统,微软发现热废气渗漏到冷通道,影响服务器的冷却能力问题,为此,工作人员在支架下装金属片来防止热气渗漏。当某个支架上热模式发生显著的变化,公司可以及时了解到。例如,一天内网民过多使用IM或其他服务会导致一些服务器温度的升高,现在,微软通过调整服务器工作量,在特定时间内激活或关掉一些服务器,有效地解决了这个问题。因此能够更好的监控服务器的容量和功能,对数据中心进行优化。
3、结束语：
　　无线传感器网络的特点决定了在其他领域的应用有不少的机会。比如城市车辆监测和跟踪系统;还有中国西气东输及输油管道监控系统,可以实时地监控管道的情况,控制中心可以第一时间了解管道的破损或恶意破坏情况系统。此外,在灾难拯救、仓库管理、博物馆、工厂自动化生产线等众多领域,无线传感器网络都将会起到至关重要的作用。无线传感器网络是一种新型的信息获取和处理技术,在很多领域它有着传统网络不可比拟的优势,随着许多相关问题的不断解决,它将逐渐深入到人类生活的各个领域,并对未来社会进步发挥巨大的作用。

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