如何使用无线传感器网络

传感器网络是由本地传感器、通信媒介以及中央通用数据处理设施一起组成的。无线传感器网络建立在这个概念之上，只是允许传感器从所绑定的媒介上解放出来。这样的做法给传感器的安装定位方面提供了很大的自由度和灵活度，并赋予网络对监控功能进行精细调整的能力。无线传感器网络（WSN）是无线技术、微型化以及电池技术进步发展的必然结果。

这项技术也推动了消费者级别的传感器和设备的扩散，这些传感器和设备是通常所说的物联网（IoT）的基础，物联网正在捕获公众的想象力。本文将重点关注于WSN的基础知识以及如何使用它们。工程师们已经了解如何通过无线局域网（WLAN）来提高效率和减少时间浪费的。通过利用现有的无线（以及有线）基础设施来构建广泛的传感器网络，并将其扩展到几乎所有生活领域，无线传感器网络（WSN）将会进一步扩展这一概念。

节省耗电

无线传感器一般都是体积小、独立的、耗电低、并且具备一定处理能力的单元设备。 这种技术的关键概念是无线通讯能力，它可以与中央处理器进行通讯，也可以作为网状结构的一部分使用其他设备来扩展通讯范围。无线传感器在很大程度上依赖节电算法，借此可以长时间保持工作状态。电池技术的进步、电池容量的不断增大、以及延长休眠时间的能力，这使得电池的工作寿命预期可以达到数年之久。

诸如蓝牙和Zigbee这些技术，大多数移动设备都已经具备了这些功能，因为节电算法是所有经过Wi-Fi认证的设备所需要的特性，也包括满足IEEE 802.15.4-2015标准（IEEE 用于低速率无线个人局域网的无线标准）的设备。其概念很简单，即如果没有动作或者需要报告的事件，传感器就会进入睡眠状态。如果有事件发生或到了预先设定的时间，传感器会醒来、评估当时的状况、汇报其状态、然后再进入睡眠。这个周期也可以通过轮询算法来启动，轮询算法依次处理每个传感器。也可以调节工作周期来对传感器进行开关操作，有效地将电耗降低一半。关键的一点是这些传感器从设计之初就是要作为低耗电节点来工作的。

更多小型传感器

新一代无线传感器最显著的特征之一是它们的尺寸小。人们采用可以召唤出独特形象的名字来称呼这些传感器：“智能尘埃”、“现货商业微尘”、或者简单的称之为“微尘”。它们的尺寸小到纳米级，大到肉眼可见。前者指的是生物学传感器或小的无源传感器，可以做到嵌入式和非嵌入式；后者指的是更大一些的传感器，例如征收过路费的标签、门禁卡、以及类似的传感器。其想法是部署一套由具备多种不同计算能力的小型的、耗电低的、低速率的分布式传感器组成的基础设施，最后形成更大的、分辨率更高的、近乎有机的网络。

数据处理还是通过传统的固定的中央数据处理设施完成，该设施从网络上接收数据，然后进行大规模的处理工作。网络内部的数据处理本身也在考虑之中，从某种意义上说相当于“分布式处理器”。最终实现的是一个与大量各种各这样可以自主运行的传感器通讯的分布式网络，而这些传感器之间也互相通讯。要确保无缝的互操作性，这需要一套通用的、开放的通讯以及数据标准。

应用无线传感器技术

很多应用都可以使用无线传感器。一个常见的应用是安全系统。无线访问控制及区域监控已经利用无线技术广泛地实现了。另一个应用是国家电网，或者更为我们熟知的是全国气象站网络。这些已经实现的传感器网络的一个共同特征是，它们具有与现存的通讯基础设施进行通讯的能力。然而，许多系统都是高度专业化的，而且采用了企业专有的通讯方案，大大地增加了成本和复杂性，因此才有了对标准化方式的需求。

人们设想未来的传感器网络会通过大型网状架构来进行通讯，其中每个节点都有将来自于其他节点的数据传播出去的功能，最终到达的目的地是聚合器，不相关的数据会在此聚合器内部进行处理。传感器会以庞大的数量部署在高密度的网络上。它们会利用短距离的、耗电低的节点之间的无线链接进行互相联网，而现有的通讯基础设施，特别是WLAN以及互联网连接会被用于长距离的通讯。

WSN会使得居家、工厂、处理厂、轮船、飞机等无数个应用场合在感知和控制方面更加便利。有了无处不在的传感器网络，生产的每个方面都能被监控到，例如，可以使得一座建筑对其结构上的弱点进行报告，或者在一套处理工艺中定位异常点，而这些异常点会被固定安装的传统传感器忽视掉。

在一套工业流程中，无线传感器可以被嵌入到过程介质流当中，从而可以持续监控成千上万个点。监控几个不同参数的智能传感器也可以像一些微型实验室一样工作，将数据发送回SCADA系统来执行需要的动作。甚至是人体都可以使用这种技术进行感知化，而且可以进一步将此技术用于血液生化或者人体复杂的电活动，将这些数据与患者的医生进行沟通，并对潜在的有害情况提供警报。使用WSN的应用场合不计其数。

最后，提醒一句：由于我们目睹了移动设备的爆炸式增长，我们很容易变得依赖它们而丧失了自我思考的能力。WSN并不会取代关键的、分析性的思考和行动。（作者：Daniel E. Capano）
编辑：hfy