美航空航天局研制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

    NASA(美國航空航天局)噴氣推進實驗室的Delin發(fā)起并管理傳感器網(wǎng)計劃，這個實驗室位于加利福尼亞的Pasadena，在那里，八位工程師組成的團隊正致力于新一代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用傳感器來檢測環(huán)境變化并把結(jié)果返回報告給外部控制系統(tǒng)，但傳感器網(wǎng)絡(luò)不同，它可以通過網(wǎng)絡(luò)共享數(shù)據(jù)，并使用嵌入式智能芯片來直接對檢測到的變化做出反應(yīng)。                                   

           圖1:這張地圖顯示了在南極洲部署的傳感器群的位置

     目前為止傳感器網(wǎng)只是以監(jiān)控角色進行部署，不過其技術(shù)的核心概念已被證明可靠?，F(xiàn)在科研小組正在進行實驗，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能從單純監(jiān)控擴展到對周圍環(huán)境做出反應(yīng)并進行控制?！爱?dāng)部署能夠自動改變環(huán)境條件的系統(tǒng)時，你必須加倍小心”Delin說，“但是技術(shù)已經(jīng)成熟?！?nbsp; 

      NASA對傳感器網(wǎng)的興趣源自他們本希望在行星上部署這樣一個網(wǎng)絡(luò)，而不是地球。2002-2003年冬天在南極洲進行的一次實驗中，科研人員把傳感器網(wǎng)部署在大于2平方公里的一塊區(qū)域上。這個網(wǎng)絡(luò)每五分鐘測量一次位于橫貫山脈，MacAlpine山地區(qū)的空氣溫度、濕度和土壤以及太陽光。那里刺骨的嚴(yán)寒，干燥的南極氣候和火星上的條件比較相似。

    “火星上的傳感器網(wǎng)絡(luò)可以監(jiān)測任何可能的生命，”Delin說，“在南極洲，微生物可以迅速繁殖然后轉(zhuǎn)入冬眠，這樣一個傳感器網(wǎng)絡(luò)就可以用來跟蹤它們的活動?！钡?，NASA相信通過對監(jiān)控區(qū)域的活動做出反應(yīng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也可以極大的幫助美國政府增強國土安全。      

     NASA/JPL(噴氣推進實驗室)傳感器網(wǎng)計劃始于1997年，當(dāng)時Delin認(rèn)為可以利用為通信和IT市場開發(fā)的現(xiàn)成技術(shù)來創(chuàng)造一個無線網(wǎng)絡(luò)，智能芯片嵌入在這個網(wǎng)絡(luò)中。從此以后，Delin的團隊就有機會在一系列現(xiàn)實環(huán)境條件下測試技術(shù)，包括位于加利福尼亞州圣馬力諾市的亨廷頓植物園，和位于亞利桑那州圖森市的一個水補給池。  

     傳感器網(wǎng)絡(luò)的實施不僅給NASA帶來好處，也給提供測試條件的主人帶來利益。例如，亨廷頓植物園－在那里傳感器網(wǎng)測量光照等級，空氣溫度和濕度以及某些情況下的土壤溫度和水分－植物園員工發(fā)現(xiàn)，兩棵相同的植物需要澆不同的水，因為每棵植物周圍的土壤條件不同。  

     在圖森市西部的一個水補給池中，Delin團隊在一個傳感器網(wǎng)中部署了16個傳感器群，來測量水池表面水流的運動，也監(jiān)視水滲入水底的運動。每個群中的傳感器測量周圍的空氣溫度，相對濕度和光照等級。另外，補給池內(nèi)的傳感器群還配備有一個土壤溫度傳感器(在表層)和兩個土壤濕敏傳感器，一個剛好位于水平面以下，另一個位于半米的深處(1.5英尺)。這些土壤傳感器通過長導(dǎo)線與傳感器群相連，這樣這些群就可以在水面以上并無線通訊。                 圖2:在亞利桑那州圖森市西部的一個水補給池，NASA傳感器網(wǎng)團隊成員Dave Johnson 和 Kevin Delin正在準(zhǔn)備一個傳感器群的地面部署。

   由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署，NASA此計劃的合作者－亞利桑那大學(xué)和圖森供水(城市的供水部門)－現(xiàn)在已經(jīng)有辦法監(jiān)控位于城市20英里以外的水補給池。并且NASA也有辦法測試傳感器網(wǎng)檢測環(huán)境變化的能力－比如流入和流出水池的水－這種變化的發(fā)生速率是可預(yù)測和可測量的。傳感器網(wǎng)絡(luò)的測量結(jié)果也被用作與軌道衛(wèi)星傳回來的數(shù)據(jù)進行核對。(為了檢驗衛(wèi)星觀測的正確性，NASA對陸地的物體進行地面測量，同時進行衛(wèi)星測量，二者的數(shù)據(jù)相比較。)

   在部署每個傳感器網(wǎng)時，Delin團隊安裝12到30個網(wǎng)絡(luò)群，也被稱作節(jié)點。每個群包括一個連接到傳感器的微處理器或微控制器，這取決于實際應(yīng)用；無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；以及網(wǎng)絡(luò)操作軟件(由傳感器網(wǎng)絡(luò)計劃開發(fā)),能夠保證每個群可以在幾百米的傳輸范圍內(nèi)，自動的與其他任何一個群進行通訊。傳感器群外面包有保護殼，由充電電池供電(就像無線電話中使用的電池)，可以持續(xù)的通過太陽能電池板充電。

    傳感器網(wǎng)是一個分布式網(wǎng)絡(luò)，這就意味著每個群收集到的信息和數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中共享，其他的群也可以使用。不同的應(yīng)用場合有不同的具體要求，比如采集什么樣的數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)和共享數(shù)據(jù)的頻率是多少。在部署每個群之前，都要加載操作軟件和每個群唯一的ID。這個網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)就算是在一系列的環(huán)境中和大范圍的區(qū)域內(nèi)，提供一個遍布的，連續(xù)的，嵌入式監(jiān)控現(xiàn)場。

     傳感器群之間的通訊使用標(biāo)準(zhǔn)的無線電元件。它們工作在900MHZ,每個群的廣播范圍可以達(dá)到幾百米，以此通過網(wǎng)絡(luò)來發(fā)布數(shù)據(jù)。如何發(fā)布和何時發(fā)布，這取決于實際應(yīng)用的參數(shù)；例如，我們可以設(shè)定一個群每五分鐘收集和傳輸一次數(shù)據(jù)。另外，特定的入口群可以通過因特網(wǎng)連接讓終端用戶訪問現(xiàn)場，這樣通過利用因特網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C或工程師那里，可以在遠(yuǎn)離現(xiàn)場的地方監(jiān)控傳感器網(wǎng)。我們也可以通過這種連接來控制和調(diào)整一個傳感器網(wǎng)絡(luò)。

    但是部署一個傳感器網(wǎng)的目的不僅僅是采集數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳輸給操作人員，然后操作人員根據(jù)信息做出反應(yīng)。其最終目標(biāo)是對采集的數(shù)據(jù)進行分析并相應(yīng)的做出響應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中嵌入的智能芯片就是要在不與任何終端用戶或控制系統(tǒng)通信的情況下，自己進行操作。

    “傳感器網(wǎng)的原理不只是把數(shù)據(jù)傳輸給終端用戶－傳感器網(wǎng)絡(luò)外部的一臺計算機或一個工程師，”Delin說?！安幌竦湫偷臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在傳感器網(wǎng)中，每個群與網(wǎng)絡(luò)中的所有其他群共享所有的數(shù)據(jù)。如果網(wǎng)絡(luò)檢測到一切正常，它會繼續(xù)監(jiān)視。然而，如果需要采取行動，傳感器網(wǎng)會自己發(fā)出指令。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)可以控制網(wǎng)絡(luò)對某些活動做出響應(yīng)，但是其基本目的還是監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)?！?    例如，在亨廷頓植物園，如果傳感器網(wǎng)檢測到土壤干燥，它會自動打開噴水裝置。如果傳感器群安裝有測量氣壓的傳感器，那么傳感器網(wǎng)會分析光照和氣壓等級，來預(yù)測是否即將下雨，這樣就可能不必使用噴水裝置。

    根據(jù)NASA/JPL，傳感器網(wǎng)的設(shè)計可以把對許多環(huán)境的監(jiān)控和控制擴展到許多領(lǐng)域，包括農(nóng)業(yè)和生態(tài)學(xué)，安全和國土防御，也包括太空探索。

   例如，Delin說，一個傳感器網(wǎng)可以與火警噴水網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)連接。如果一個傳感器群檢測到過熱或煙塵或兩者都有，它可以自動與網(wǎng)絡(luò)中的其他群通訊并確定這是否是一個真實事件并相應(yīng)做出反應(yīng)。通過確定傳感器群周圍的溫度和煙塵，傳感器網(wǎng)可以精確查出火源在哪里，在需要噴水的區(qū)域打開噴水裝置，并確定安全逃離通道。

   Delin相信通過在傳感器群中加入識讀器，來檢測和識別它們廣播范圍內(nèi)或領(lǐng)域內(nèi)的標(biāo)簽，RFID可以給傳感器網(wǎng)帶更多的功能。比如，在一座建筑的周圍安裝傳感器，裝備有主動RFID標(biāo)簽的消防員就可以在合適的距離以外與之進行通訊。一個傳感器網(wǎng)可以很快的部署完，因為每個傳感器群已經(jīng)編好程序，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)，立刻檢測哪些其他的群在它們的鄰域內(nèi)并與它們傳輸和接收數(shù)據(jù)?！跋绬T可以通過傳感器網(wǎng)來確定它們在建筑中的什么位置，”Delin說。

   網(wǎng)絡(luò)中的每個群通過一種分布式的結(jié)構(gòu)來共享所有數(shù)據(jù)，因此即使有一個群出現(xiàn)故障，傳感器網(wǎng)也可以正常工作。傳感器群可以覆蓋信號很難傳播的地方，比如建筑物或其他含有大量金屬和液體的結(jié)構(gòu)。因為傳感器群是以一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進行部署的，所以一個群一般能對四個或更多的群進行廣播。這意味著如果兩個群之間的連接被一種金屬結(jié)構(gòu)堵塞，數(shù)據(jù)仍可以通過其他的群進行傳輸，從而繞過障礙物。  

   因為傳感器群能夠相隔很遠(yuǎn)的距離自動通訊，Delin認(rèn)為建立一個傳感器網(wǎng)需要的時間主要由以下因素限制，到達(dá)每個傳感器群地點的時間，以及記錄群的地理位置的時間，這樣我們以后才能找到它們。雖然傳感器群可以安裝GPS接收器來確定位置，但是Delin仍然堅持認(rèn)為一個GPS接收器的成本和功率需求使它成為一個不太明智的選擇。

    傳感器網(wǎng)也可以給制造商帶來利益。在一個工業(yè)環(huán)境中，傳感器網(wǎng)與控制生產(chǎn)過程的軟件相連接，例如，傳感器網(wǎng)可以跟蹤安裝有RFID標(biāo)簽的產(chǎn)品零件，并利用和共享得到的信息，來保證自動化工序與整個制造工序保持同步?！叭绻硞€零件生產(chǎn)的太多，”Delin說，“傳感器網(wǎng)可以自動減緩制造過程來與其他部分的制造過程相匹配?！?  

    傳統(tǒng)的制造業(yè)控制系統(tǒng)中的信息存儲在遠(yuǎn)離車間的服務(wù)器上，部署一個傳感器網(wǎng)和部署一個傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的不同在于成本和部署的速度?！坝芯€控制系統(tǒng)每部署一英尺要花費200美元，”Delin說?！坝捎趥鞲衅骶W(wǎng)的無線能力，這些成本可以避免，另外它還有很強的適應(yīng)性，可以根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的改變自動重新配置?！?

    RFID也可以安裝在傳感器網(wǎng)絡(luò)中。裝備有RFID標(biāo)簽的傳感器群可以安裝在移動設(shè)備上比如一臺叉車，這樣目標(biāo)物體就可以由傳感器網(wǎng)所監(jiān)控，而且成本不高。  

    自從一開始，Delin就要求利用商業(yè)可用的計算硬件和傳感器硬件來構(gòu)造傳感器網(wǎng)絡(luò)，因為這些設(shè)備成本越來越低，市場資源越來越廣闊?！拔覀兪褂梅嵌ㄖ朴布俏覀冏约洪_發(fā)軟件和包裝[RFID射頻快報注：指傳感器群外包裝]，”Dilin說?！半娦藕陀嬎闶袌龅娘w速發(fā)展使微控制器－為處理有限或特定數(shù)據(jù)開發(fā)和設(shè)計的微小處理芯片－和其他元件每隔18個月就更加便宜，更加強大。大的芯片制造商很容易突破摩爾定律(摩爾定律指集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。摩爾定律是由英特爾名譽董事長戈登·摩爾經(jīng)過長期觀察發(fā)現(xiàn)得之)?！币粋€傳感器網(wǎng)的成本取決于所用的傳感器，但是Delin說其成本可以低到“每個幾十美元?！?

    現(xiàn)在RFID已經(jīng)進入Delin的視野。“隨著RFID技術(shù)變得越來越普及，”Delin說，“它將會成為傳感器網(wǎng)的一部分?！?

    雖然傳感器網(wǎng)仍處于它的幼兒期，但是Delin相信利用這樣一個網(wǎng)絡(luò)來幫助控制環(huán)境和工業(yè)過程的潛力非常大?！艾F(xiàn)在的傳感器網(wǎng)絡(luò)就像PC 在‘81’年或‘82’年時的水平，”Delin說?！半m然它們現(xiàn)在只能夠執(zhí)行相對簡單的任務(wù)，但是開發(fā)潛力是巨大的。因此，我們應(yīng)該問的是，五年之內(nèi)什么地方不會部署它們，而不是問，什么地方將將要部署它們。”