現代網絡傳感器技術及其應用

黃明陽

摘 要：隨著網絡時代的到來和集成化技術的快速普及，單個或少數傳感器的應用已經不能滿足現代檢測技術和智能控制技術的發展，而各種智能傳感器的大量使用導致在分布式控制系統中對各個傳感器在信息交換層面提出更高的要求。因此，由分布式數據采集系統組成的網絡傳感器技術收到人們越來越大的重視，這項技術是基于通信工程、模電數電、微機電系統等綜合技術，具有收集并處理各個傳感器信息和監控整個外界環境等各項功能，具有完全自主運行的網絡系統。本文從網絡傳感器的概念和原理講起，介紹并總結了網絡傳感器的各項關鍵技術，并對網絡傳感器的應用和未來新型網絡傳感器技術的發展方向做出了展望。

關鍵詞：網絡傳感器；信息交換；通信協議

中圖分類號：TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）07-0031-02

1 網絡傳感器的原理及結構

1.1 網絡傳感器的概念和結構

傳統分布式傳感器網絡自動監控系統結構如圖1所示，測控裝置中的微處理器（MCU）監控各個傳感器所采集的數據，并將數據進行簡單的處理后與上位機完成通信。網絡傳感器的硬件組成一般包括五部分，分別是傳感器、信息處理器、儲存器、收發器及電源。此系統的效率依賴于MCU，若MCU發生故障，則微機處理系統不能收到系統內各個傳感器的數據。從而影響整個系統的穩定性和可靠性。將一種通用的數據采集模塊與傳統的傳感器相連，可以滿足各種系統的使用，從而構成了適合于監測用的不同形式的網絡傳感器。網絡傳感器即傳感器網絡監測系統，主要硬件由敏感元件、轉換元件、信號調理、微處理器及數據通信模塊等實現，而軟件部分則包括數據處理和相應網絡控制軟件組成，底層的敏感元件既有傳統傳感器，如電阻傳感器、光敏傳感器、溫度傳感器、壓敏傳感器等，也有各類新型的智能傳感器。總而言之，大量的各類傳感器以自組織和多跳形式組成了網絡傳感器，通過網絡和軟件的協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內感知對象的各類信息，并報告用戶。

網絡傳感器一般分為有線和無線兩大類。有線網絡傳感器技術主要體現在傳感器的傳統應用與拓展和總線技術相結合的方面，所有信號均通過有線傳播；而無線傳感器網絡則是一種通過無線通信傳遞信息的傳感器技術。

1.2 網絡傳感器的功能

網絡傳感器結構復雜，功能眾多，但其重要功能包含以下三點：

（1）網絡傳感器可以實施遠程采集信息數據，并進行分類儲存和應用。例如在某地采集的數據通過傳輸系統傳送到遠處的各個用戶中心，或者先將數據儲存起來以便后續調用。

（2）傳感器網絡上的各個用戶可以在遠程對同一目標過程進行監控。例如，一個項目各個部門可以同時在相距遙遠的各地測量、監控同一生產過程，不必親臨現場便可實時收集各方面的數據，通過建立數據庫進行分析，大大提高了工作效率。

（3）不同任務的傳感器、儀器儀表與計算機組成網絡后，可憑借智能化軟、硬件，靈活調用各種計算機、儀器儀表和傳感器各自的資源特性和潛力，區別不同時空條件對象的類別特征，測出臨界值并做不同的特征響應，完成各種形式、各種要求的任務。

2 網絡傳感器的信息交換體系

由于計算機和相關硬件只能識別數字信號，所以網絡傳感器的運行需要傳感器的信號數字化，即將采集的模擬信號轉換成數字信號，并與網絡上的計算機和儀器儀表進行信息交換。而傳感器網絡系統的信息交換體系涉及協議、總線、器件標準總線、復合傳輸、隱藏和數據鏈接控制等。

協議是傳感器為保證各分布式系統之間進行信息交換而制定的一套規則或協定，在選擇一套體系的協議時必須考慮傳感器網絡體系的功能和使用的硬件、軟件和所處環境等情況。總線是網絡傳感器上各分布式系統之間進行信息交換，并與外部設備進行信息交換的電路設備，總線的輸入輸出接口一般分為串行和并行兩種形式，并行在傳感器網絡中不經常使用。器件標準總線是指把控制元件（傳感器、執行器）連接起來的電路元件。復合傳輸是指若干個信息源結合起來通過同一通道進行傳輸，傳輸到用戶時再進行信息分離工作，可以在一定程度上提高網絡傳感器的工作效率。隱藏是在限定時間內確保最高優先級的信息進入進行傳送，從而使一個確定性系統可以預見信號的未來行動。數據鏈接控制是將用戶所有通信要求組裝成以幀為單位的串行數據進行的傳送執行協議。

3 網絡傳感器測控系統體系結構

網絡傳感器的布局結構形式多種多樣，既有使全部互連形式的分布式傳感器網絡系統，也有多個傳感器和一臺計算機或單片機組成的智能傳感器，還有多個傳感器計算機網絡站和一臺服務器組成的樹狀結構傳感器網絡。而各種結構的傳感器布局形式的總線連接方式可以使星狀、樹狀、網狀，如圖2所示，而其中的節點包括終端傳感器節點、帶有路由器功能的節點和帶有協調器或匯總功能的節點。

從廣義上看，多傳感器網絡系統可以組成個人網、局域網、廣域網甚至連上互聯網實現全球的互通互聯。在局域網內，一個部門或公司可以在遠程對其生產線的各方面狀況進行動態的監控。而當傳感器網絡接入互聯網后，則可以將人類目前使用的這一最大網絡延伸到更多的人類活動領域。例如，我國居民可以實時獲得世界各地的天氣情況，還沒出門的居民在家里就可以獲得城市交通狀況。而隨著經濟全球化和制造全球化的普及，更多企業可以通過網絡傳感器在世界各地監測設備運行情況和企業商品庫存等動態事物，從而極大地提高現代企業的信息化水平。

4 網絡傳感器的通信協議

隨著通信技術的日新月異，網絡傳感器的通信協議有很多種類，如IEEE協議、藍牙協議、ZigBee協議、CAN協議、Lon Talk協議等?，F介紹兩種廣泛使用的網絡傳感器通信協議。

（1）IEEE協議。IEEE標準網絡協議因其低速度、低功耗、高質量和低成本而被認為是無線網絡傳感器和無線個人局域網的理想實現技術，它基于開放系統的互聯模型。在眾多型號中，IEEE 802.11最為通用，IEEE 802.11采用2.4GHz和5GHz這兩個頻段。其中2.4GHz的頻段為世界上絕大多數國家采用。5GHz頻段在一些國家和地區的使用情況比較復雜，加上高載波頻率所帶來了負面效果，使得802.11a的普及受到了限制，雖然它是協議組的第一個版本。

（2）藍牙協議。藍牙是一種低成本、低功耗的短距離無線通信技術，由許多組件和抽象層組成。藍牙技術具有不同的通信方式，如點對點通信、點對多點通信方式和較為復雜的散射網方式。藍牙技術規范的目的是使符合該規范的各種應用之間能夠實現互操作。互操作的遠端設備需要使用相同的協議棧，不同的應用需要不同的協議棧。但是，所有的應用都要使用藍牙技術規范中的數據鏈路層和物理層。數據傳輸可隨時在主設備和其他設備之間進行（應用極少的廣播模式除外）。主設備可選擇要訪問的從設備；通常來說，網絡傳感器的主機與底層各個傳感器通過藍牙協議相連，主機不斷請求訪問傳感器單元，從而使傳感器可以不斷地向主機傳送采集的數據。而藍牙協議一般由藍牙無線層、基帶層、鏈路管理層、鏈路邏輯控制和適配協議層和服務發現協議組成。

5 無線網絡傳感器

隨著電子技術和無線通信的飛速發展，無線網絡傳感器因其低成本、高靈活度的特點逐漸成為學術界、工業界研究和應用熱點。無線網絡傳感器（WSN）涉及嵌入式計算、分布式處理、無線通信和傳感器等技術，是一種全新的信息獲取技術。無線網絡傳感器一般由特定分布的集成傳感器模塊、數據處理模塊、無線通信模塊及其節點通過自組織的方式組成。

WSN的系統架構如圖3所示，包括傳感器節點、網關、云服務（互聯網或物聯網）、用戶終端（手機或電腦）等。WSN具有靈活度大、監測精度高、抗毀性強、覆蓋區域大等特點，它借助于節點中內置的各種類型的傳感器，通過自組織方式協作地實時監測、感知和采集各種環境或對象的信息，并對其進行處理，隨后通過自組多跳的無線網絡將獲取的信息發送給終端用戶，實現了自然界、信息界和人類社會的有效連通，大大提高了人們的生產生活效率。

6 網絡傳感器的未來發展

傳感器應用至今，經過無數次迭代，已經進化到現在的網絡化模式。網絡傳感器作為一種全新的信息獲取和處理技術，具有監測精度高、覆蓋區域廣、可遠程測量、快速部署和低成本等特點，所以現如今基于網絡傳感器的各項高新技術應用層出不窮。網絡傳感器已經廣泛應用于軍事偵查、環境監測、醫療護理、空間探測、無人駕駛和智能家居等眾多領域。作為一個新興領域，至今網絡傳感器在信息傳遞、網絡協議、能量優化、降低成本等方面已經取得了重大進展。

而未來網絡傳感器的發展方向必定向以下三個方向發展：一是智能化，傳感器網絡將直接接入我們的生活，通過手機和電腦我們可以實時監控，使傳感器融入生活；二是集成化，以后的傳感器將直接集成在我們的各種終端上，例如手機，電視，電腦等各種家用電器；三是可移動化，隨著無線網絡的大規模覆蓋，未來的傳感器接入網絡后，可以實現移動化工作。隨著各項技術的日新月異，未來傳感器多種傳感功能與數據處理、存儲、雙向通信等的集成，可全部或部分實現信號探測、變換處理、邏輯判斷、功能計算、雙向通訊，以及內部自檢、自校、自補償、自診斷等功能，展現出其低成本、高精度的信息采集、可數據存儲和通信、編程自動化和功能多樣化等特點。

參考文獻

[1]王雪文，張志勇.傳感器原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004（2）：15-18.

[2]陳林星.無線網絡傳感器技術與應用[M].北京：電子工業出版社，2009（3）：56-59.

[3]蔡自興.智能控制原理及應用[M].北京：北京大學出版社，2010（1）：5-10.