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无线传感器网络助力绿色应用NI技术市场工程师 方慧敏引言：近年来，气候变化造成的自然灾害频发。普遍认为，温室效应是造成天气变化的罪魁祸首。自《京都议定书》达成以来，各国政府相继设置节能目标，以减缓温室效应。例如：在我国的十一五计划中，明确提出了要将单位GDP能源消耗降低20%，主要污染物降低10%的目标。设定目标的目的在于节能减排，然而若无法测量和核实，那么这个目标也只能是一纸空谈。若能够明确了解能源消耗在哪里，当前污染情况如何，则不仅能够帮助我们采取更具有针对性的手段确保节能效果，还能够时刻提醒我们改变行为模式，采用更为绿色的生活和生产方式。然而测量和核实能源的消耗并不容易，节能减排的监测应用对测量系统有着很高的要求。以大型工厂的节能监测项目为例：首先，待测物理参数种类繁多，包括能耗参数，如用电量、用水量；污染排放参数，如氮氧化物和固体污染物的排放量；以及环境参数，如工厂周围的水质、空气质量等。其次，由于监测系统通常在工厂投入运营之后开始构建，所以安装过程中必须注意与工厂现有线路和监控系统良好兼容，确保不影响工厂的正常运作。最后，监测结果还必须能够实时反馈，通过网络供工程师和科学家随时查阅和调用。无线传感器网络技术(Wireless Sensor Network)的发展使得这些需求得以满足。美国总统科技顾问委员会曾在《面向21世纪的联邦能源研究与发展规划》中提到：“无线传感器技术的发展将使工业生产效率提高10%，并使排放和污染降低25%。”无线传感器网络技术简介无线传感器网络诞生于上世纪70年代，最早被应用于美国军方资助项目。随着时间的推移，技术不断完善，无线传感器网络的应用逐渐从军用转向于民用。这是一种由独立分布的节点以及网关构成的传感器网络。安放在不同地点的传感器节点持续采集外界的物理信息，如温度、电量、CO2等。相互独立的节点之间通过无线网络进行通信。无线传感器网络的每个节点都能够实现采集与数据处理，并与其它节点和网关进行通信。最终所有数据将汇总到网关，工程师可以从网关获取数据，查看历史数据记录或进行分析。一个典型的无线传感器网络节点的硬件由传感器接口、ADC、微处理器、电源以及无线收发装置组成。由于无线传感器网络采用了特殊的嵌入式微处理器，通常工程师需要学习新的语言才能够使用这一技术。National Instruments(美国国家仪器，以下简称NI)采用了图形化编程软件LabVIEW作为无线传感器网络的开发平台，降低了开发的复杂度，使得不同领域的工程师得以轻易运用这一技术，实现绿色应用。一个典型的基于无线传感器网络的监测系统通常具备以下特点：支持不同传感器，满足多种应用需求快速部署，适应各类安装环境信号稳定可靠，能够长时间独立工作快速兼容工业系统，实现实时数据发布支持不同传感器，满足多种应用需求从传感器接口进行分类，无线传感器网络可以被分为两种，一种采用集成式的传感器节点，每个节点都用于采集某一特定类型的参数。另一种则采用了通用传感器接口，通过外接不同的传感器，实现对于不同参数的测量应用。借助于在测试测量领域的深厚背景，NI的无线传感器网络WSN采用了通用传感器接口，能够支持温湿度、紫外线强度、电流、水流量等多种传感器，这一特点使得系统更为灵活，能够满足不同分布式监测应用的需求。快速部署，适应各类安装环境正如之前提到的，在节能监测项目中，我们需要搜集来自不同环境下的参数信息，所以要求无线传感器网络的节点不仅在室内，如工厂车间，而且在建筑外墙面，甚至野外环境下也必须能够被妥善安装。所以无线传感器网络的节点必须小巧坚固，并且可靠性高，能够耐高温和高压。图1展示了NI无线传感器网络的网关与节点，它们均具备坚固外壳，能够在-40℃~70℃的温度下正常工作，并能够抵抗冲击和随机振动。图1. 带有坚固外壳的无线传感器网络的网关与节点工作温度范围-40℃~70℃此外，在某些特定环境下——如野外，供电也是难点之一。常见的无线协议或传输距离有限，或功耗过高，必须外接电源或者定时充电，无法满足长时间采集的应用需求。为了满足无线传感器网络低功耗，长距离传输的要求，ZigBee技术应运而生。无线传感器网络即采用了ZigBee协议构建低功耗的长距离监测系统。下图中，展示了ZigBee与常见无线协议，如蜂窝网络(Cellular)、蓝牙以及Wi-Fi之间的性能比较。我们可以发现，ZigBee技术的数据传输率略低，然而其功耗和传输距离均胜一筹。图 2. ZigBee与蜂窝网络(Cellular)、蓝牙、Wi-FI等无线协议的比较信号稳定可靠，能够长时间独立工作对于动辄高达数十个节点的无线监测网络而言，要时刻保证各节点信号的稳定性是非常困难的，而采用网状拓扑则可以解决这个问题。无线传感器网络节点之间能够采用星型拓扑、树形拓扑甚至网状拓扑进行数据