無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由在空間上相互離散的眾多傳感器相互協(xié)作組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通常被用來監(jiān)測(cè)在不同地點(diǎn)的物理或者環(huán)境參量，例如光，溫度，濕度，聲音，振動(dòng)，壓力，運(yùn)動(dòng)或者污染等等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展起初是源于軍隊(duì)?wèi)?yīng)用的需要，例如戰(zhàn)區(qū)戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)控。然而，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在被更廣泛的用于民用以及工業(yè)領(lǐng)域，包括自然和人居環(huán)境監(jiān)控，醫(yī)療監(jiān)護(hù)，家用電器自動(dòng)化，交通控制，氣象監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都配有無線電發(fā)射和接收裝置，能夠和網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。此外，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的微控制器，能量源(通常是電池)。單個(gè)的傳感器節(jié)點(diǎn)的形狀有很多種，有可能像個(gè)鞋盒子，也有可能像一顆谷粒。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本也差別很大，從數(shù)百萬美元到幾分錢，都有可能，這取決于網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和復(fù)雜程度。 傳感器的尺寸和費(fèi)用預(yù)算的限制也會(huì)導(dǎo)致傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的局限，例如存儲(chǔ)空間、計(jì)算性能、網(wǎng)絡(luò)速度以及帶寬。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常會(huì)組成一個(gè)無線自組織網(wǎng)絡(luò)，即每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都支持多跳路由算法(每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能作為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)中繼站，將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?。
應(yīng)用案例
污水處理廠的水質(zhì)監(jiān)控
一個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)上連接一個(gè)液位傳感器，一個(gè)pH值傳感器，一個(gè)流量計(jì)和一個(gè)電導(dǎo)率傳感器。許多個(gè)這樣的節(jié)點(diǎn)被放置在污水處理池的各個(gè)位置，用來監(jiān)測(cè)每個(gè)處理池中各處的污水處理狀況，通過節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組成的智能網(wǎng)絡(luò)，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)回傳到遠(yuǎn)程控制中心的機(jī)房終端顯示器上。由于無線傳感器擺脫了信號(hào)電纜的束縛，因此可以任意安放在各個(gè)位置，并且可以隨時(shí)對(duì)位置進(jìn)行更換而不影響這個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控，同時(shí)因?yàn)闆]有電纜，也不用擔(dān)心發(fā)生漏電事故。
建筑物強(qiáng)度結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)
在地震中，對(duì)人的生命財(cái)產(chǎn)安全造成最大傷害的就是建筑物的倒塌。而現(xiàn)今大都市中，摩天大樓林立，在汶川大地震中，北京地區(qū)也有震感，華貿(mào)·國貿(mào)等高層寫字樓均有晃動(dòng)，大量人員有不適感，但直至通過廣播，網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)地震發(fā)生后，寫字樓人員方開始撤離。如果震中發(fā)生在北京附近這幾分鐘的遲疑就會(huì)帶來高層寫字樓數(shù)千生命的消逝，而北京至少擁有數(shù)百棟高層寫字樓。
加速度計(jì)依然是監(jiān)測(cè)建筑物的最簡單有效方式。美國加州大學(xué)伯克利分校對(duì)舊金山金門大橋部署過建筑健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其本意是用來檢測(cè)橋體在風(fēng)力作用下的各個(gè)關(guān)鍵受力點(diǎn)的振動(dòng)狀況，整體數(shù)據(jù)建模后就可以分析出橋體受損老化嚴(yán)重的部分從而進(jìn)行有針對(duì)性的修補(bǔ)。
橋體和高層建筑有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是建筑結(jié)構(gòu)及其敏感，因此其前端的測(cè)量點(diǎn)部署很難采用有線方式，否則極易損害建筑結(jié)構(gòu)受力。
而無線技術(shù)，特別是不需供電的低功耗無線技術(shù)，在解決建筑物健康監(jiān)測(cè)前端100米數(shù)據(jù)獲取中具有極其重大的意義。節(jié)點(diǎn)具有無線能力，體積較為小巧，可以很容易的安裝在建筑物的關(guān)鍵受力點(diǎn)上，而不影響建筑物外觀。具有低功耗能力，節(jié)點(diǎn)一經(jīng)部署不需要頻繁更換。省去了復(fù)雜耗時(shí)的布線操作，只要打開節(jié)點(diǎn)開關(guān)，位于建筑物監(jiān)控中心的接受終端就可以實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，與建筑報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)后，一旦探測(cè)到可能威脅到建筑物的震動(dòng)信息，立即發(fā)出報(bào)警通知建筑物內(nèi)人員立即撤離。平時(shí)該系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)還可以用來監(jiān)測(cè)建筑物老化狀況，為建筑物維護(hù)提供輔助決策信息。
橋梁強(qiáng)度結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)
近年來中國連續(xù)發(fā)生的幾起橋梁垮塌事故是人們加強(qiáng)了橋梁健康狀況的重視，相關(guān)部門也意識(shí)到橋梁并不是一個(gè)一次性投入后就可以放任不管的公共交通基礎(chǔ)設(shè)施，它的健康狀況同樣關(guān)乎著人民的生命和國家經(jīng)濟(jì)的安全。利用傳統(tǒng)的傳感器和測(cè)量監(jiān)控設(shè)備對(duì)橋梁健康進(jìn)行監(jiān)測(cè)需要在整個(gè)橋面上鋪設(shè)信號(hào)和供電電纜，不僅浪費(fèi)資源而且鋪設(shè)起來工程復(fù)雜龐大，特別是像杭州灣大橋和港珠澳大橋這種長距離、大跨度的巨型橋梁。而使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測(cè)，就顯得簡單方便的多了，只需要將無線傳感器節(jié)點(diǎn)固定在橋梁的關(guān)鍵受力點(diǎn)處，并沿橋布置，各個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)自動(dòng)組織形成網(wǎng)絡(luò)并且回傳相關(guān)的測(cè)量數(shù)據(jù)。另外，我們還開發(fā)了專門的無線傳感平臺(tái)，可以連接多種傳感器。這樣，即使在建設(shè)橋梁時(shí)預(yù)埋進(jìn)橋體的傳感器也可以通過無線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。不但充分利用了資源，還節(jié)省了技術(shù)升級(jí)所帶來的成本投入。
原油輸油管線溫度壓力監(jiān)測(cè)
隨著世界能源消耗量的增加，各個(gè)國家越來越依賴于從別國進(jìn)口能源，特別是石油和天然氣等基礎(chǔ)能源原料，而石油輸油管線又是其中最為重要的一種。但是世界原油儲(chǔ)藏分布在一些高海拔國家，比如俄羅斯和加拿大。而原油的屬性又決定它必須達(dá)到一定溫度才能被稀釋，具有良好的粘度特性和流動(dòng)性。同時(shí)，又本著節(jié)約能源的目的，我們又要把加熱的溫度控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，因此，就需要對(duì)石油輸油管道的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在確保原油能夠達(dá)到良好流動(dòng)性的同時(shí)降低加熱的能耗。在原有管道沿線布設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是最為經(jīng)濟(jì)合理的方案，這樣可以大大節(jié)省鋪設(shè)信號(hào)和供電電纜的成本。同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)只能傳輸。 同時(shí)在節(jié)點(diǎn)上連接壓力計(jì)又能夠監(jiān)測(cè)輸油管線是否發(fā)生泄漏和偷盜事故，并及時(shí)報(bào)告事故位置。
通過無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儲(chǔ)存罐
通過無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控室外儲(chǔ)存罐內(nèi)液位,并提供電源轉(zhuǎn)換功能
與無線網(wǎng)絡(luò)相連的傳感器監(jiān)控儲(chǔ)存罐內(nèi)的液位.因?yàn)橹挥?20V交流可用,所以無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠轉(zhuǎn)換成可用的線電源.無線網(wǎng)絡(luò)幾點(diǎn)基于可抵御各種天氣環(huán)境的設(shè)計(jì),避免了耗時(shí)的維護(hù)工作.
地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防監(jiān)測(cè)-山體滑坡
香港由于存在大量山地地貌，城市居民人口眾多，要求土地必須保持較高的利用率，因此大量建筑和道路都位于山區(qū)附近。由于地處中國南方，地理位置決定了該地區(qū)降雨量常年偏高，尤其在每年夏季的梅雨季節(jié)，會(huì)出現(xiàn)大量的降水。不穩(wěn)定的山地地貌在受到雨水侵蝕后，容易產(chǎn)生山體滑坡現(xiàn)象，對(duì)居民生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的威脅。
過去數(shù)十年內(nèi)在某些極其危險(xiǎn)地域發(fā)生了多次山地滑坡現(xiàn)象，因此政府部門試圖部署一種靈活穩(wěn)定的系統(tǒng)對(duì)山體滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警。該市政府部門嘗試部署過多套有線方式的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，但是由于監(jiān)測(cè)區(qū)域往往為人跡罕至的山間，缺乏道路，野外布線，電源供給等都受到限制，使得有線系統(tǒng)部署起來非常困難。此外有線方式往往采用就近部署數(shù)據(jù)記錄儀的方式記錄采集數(shù)據(jù)，需要專人定時(shí)前往監(jiān)測(cè)點(diǎn)下載數(shù)據(jù)，系統(tǒng)得不到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，靈活性較差。有關(guān)方面的專家為此專門制定了應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的解決方案。
山體滑坡的監(jiān)測(cè)主要依靠兩種傳感器的作用，液位傳感器以及傾角傳感器。在山體容易發(fā)生危險(xiǎn)的區(qū)域，將會(huì)沿著山勢(shì)走向豎直設(shè)置多個(gè)孔洞，如圖所示。每個(gè)孔洞都會(huì)在最下端部署一個(gè)液位傳感器，在不同深度部署數(shù)個(gè)傾角傳感器。由于該地區(qū)的山體滑坡現(xiàn)象主要是由雨水侵蝕產(chǎn)生的，因此地下水位深度是標(biāo)識(shí)山體滑坡危險(xiǎn)度的第一指標(biāo)。該數(shù)據(jù)由部署在孔洞最下端的液位深度傳感器采集并由無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。
通過傾角傳感器我們可以監(jiān)測(cè)山體的運(yùn)動(dòng)狀況，山體往往由多層土壤或巖石組成，不同層次間由于物理構(gòu)成和侵蝕程度不同，其運(yùn)動(dòng)速度不同。發(fā)生這種現(xiàn)象時(shí)我們部署在不同深度的傾角傳感器將會(huì)返回不同的傾角數(shù)據(jù)，如圖所示。在無線網(wǎng)絡(luò)獲取到各個(gè)傾角傳感器的數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)融合處理，專業(yè)人員就可以依據(jù)此判斷出山體滑坡的趨勢(shì)和強(qiáng)度，并判斷其威脅性大小。山體滑坡在地震之后的災(zāi)區(qū)隨處可見，尤其是交通要道兩側(cè)的山體滑坡對(duì)救援進(jìn)度更是會(huì)造成巨大的威脅，相信無數(shù)人仍然記得在聽到理縣到汶川的生命線在打通后不到一天的時(shí)間就又因山體滑坡而中斷時(shí)那揪心的感覺。
