劉璞君

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡是未來建筑智能計量發(fā)展趨勢所向。無線計量網(wǎng)絡能夠解決過去物理路由傳輸?shù)膯栴}，克服高溫危險區(qū)線路建設困難。并通過消除構(gòu)建后定期維護來降低大量線路的成本。還有是，無線測計量網(wǎng)絡具有自組織性和修復性，高度移動的能力，計量節(jié)點易于構(gòu)建。筆者憑多年的從業(yè)經(jīng)驗針對無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)分析，并就無線傳感器網(wǎng)絡在計量學中的應用展開探討。

關(guān)鍵詞：智能計量；無線網(wǎng)絡；傳感器

一、引言

伴隨著技術(shù)的進步，網(wǎng)絡取代了過去的有線通信，成為生活中不可或缺的一部分。早在1993年，日本日立公司就提出流量計量系統(tǒng)的構(gòu)思，但由于線路配置和測量設備的設置限制，計量網(wǎng)絡只能以一定的高成本監(jiān)測儀器存在。直到2000年，加利福尼亞大學伯克利分校基于無線傳輸提出了一個無線計量網(wǎng)絡，以解決有線傳輸問題。由于應用范圍廣泛，學術(shù)界和行業(yè)都在投資這一領域，使無線計量網(wǎng)絡迅速發(fā)展。在無線計量網(wǎng)絡中，計量設備和無線網(wǎng)絡是兩個核心。整個系統(tǒng)由計量節(jié)點的通信能力，組件可以承載各種計量設備，測量溫度，濕度，亮度，加速度，壓力，聲音等組成，計量節(jié)點具有自適應能力，組織網(wǎng)絡，每個代表網(wǎng)絡中的一個節(jié)點，通過網(wǎng)絡將計量設備收集回信息到主控方。目前由于mems和納米技術(shù)的進步，測量設備的精密化，可以使計量設備組件大量散布在環(huán)境中，組合成一張無線計量網(wǎng)。

二、無線計量網(wǎng)絡技術(shù)介紹

無線計量網(wǎng)絡最初由加州大學柏克萊分校的智能粉塵計劃提出，并由美國國防部贊助，應用于軍事相關(guān)的情報匯集。這計劃主要是發(fā)展一套微小的計量節(jié)點，大小如粉塵一般，可懸浮在空中，負責監(jiān)視敵軍和匯集情報。而后加州大學洛杉磯分校、麻省理工學院陸續(xù)研發(fā)不同的計量節(jié)點，以擴展無線計量網(wǎng)絡的應用，例如生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測、儀器的測定等。無線計量設備網(wǎng)絡平臺可分為軟件和硬件兩大主軸。軟件包含通訊協(xié)議、計量節(jié)點所使用的操作系統(tǒng)、定位功能所需的算法、網(wǎng)絡的安全和管理等；硬件則有計量節(jié)點硬件、微計量設備電路模組等。自無線計量網(wǎng)絡概念提出后，各研究團隊都開發(fā)各自的平臺，種類繁多，其中以加州大學柏克萊分校研發(fā)的Mofe最具代表性。這些平臺彼此不相容，加上成本過于昂貴，造成無線計量網(wǎng)絡的發(fā)展近乎被壟斷，相關(guān)研究和應用無法普及化。無線計量設備網(wǎng)絡主要由眾多的計量設備節(jié)點構(gòu)成，每一個節(jié)點都包含4大單元：計量單元、處理單元、無線傳輸單元及電源供應單元。

1.計量單元。由種類繁多的微計量設備所構(gòu)成，負責環(huán)境參數(shù)和信息的量測，如溫度、濕度、光度、加速度、壓力、聲音、煙、紅外線、化學物品等，并把匯集到的類比信號傳送到信號轉(zhuǎn)換元件，轉(zhuǎn)換成數(shù)位信號。

2.處理單元。類似個人電腦中的中央處理機，負責執(zhí)行程序代碼、協(xié)調(diào)并控制不同的單元，或接收命令啟動計量單元匯集環(huán)境信息，并在經(jīng)過處理后，透過傳輸單元把數(shù)據(jù)發(fā)送回去。這單元包含小型儲存單元，以儲存匯集到的環(huán)境信息。

3.無線傳輸單元。主要對計量節(jié)點與其他節(jié)點之間作通信，并將計量設備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，可根據(jù)環(huán)境要求選擇不同的傳輸頻帶，包括紅外線，無線電波等。

4.電源供應單元。主要用來提供計量設備節(jié)點硬件動作所需的能源，一般可選擇標準的鋰電池，或可從環(huán)境中獲取能量的太陽能電池。在平臺規(guī)劃中，依在計量網(wǎng)絡中所扮演的角色，節(jié)點分為基礎節(jié)點與進階節(jié)點。針對這兩種不同的功能需求，分別設計合適的硬件規(guī)格，并設置網(wǎng)關(guān)扮演無線計量網(wǎng)絡系統(tǒng)和主控端的媒介。

4.1 基層節(jié)點是無線計量網(wǎng)絡的底層，計算能力最低，能耗最低，測量和通信能力最大，分布最廣，負責測量各種環(huán)境，數(shù)據(jù)收集返回。在硬件設計中，微處理器選用silicon Lab C8051F411，供助于脈沖可以讓基站在全速運行時傳輸數(shù)據(jù)，其余時間處于備機狀態(tài)，達到節(jié)能。

4.2進階節(jié)點是系統(tǒng)中的中間硬件，負責建立、維護路由和管理網(wǎng)絡，可下令允許新節(jié)點加入或要求節(jié)點離開網(wǎng)絡。相較于基礎節(jié)點，進階節(jié)點須有較高的運算能力，且耗能較多，因此在硬件設計上，選用由德州儀器設計、運算能力較強且低耗能的設置。

4.3網(wǎng)關(guān)是做為無線計量網(wǎng)絡和使用者之間溝通的橋梁，整合不同RF通訊協(xié)議，可利用USB界面輕易地和個人電腦連接，且大部分工作由電腦完成，硬件本身進行指令和數(shù)據(jù)傳遞。因電源直接由電腦提供，所以不需和節(jié)點一樣考慮耗能問題。

無線計量網(wǎng)絡平臺以Zig Bee為主要無線通訊協(xié)議。Zi邸ee針對無線計量網(wǎng)絡需求，制定低消耗功率、低速率（250Kbs）、短距離（50—100 m）、網(wǎng)絡架構(gòu)簡單的通訊協(xié)議，并可支持星形、網(wǎng)形、樹形等網(wǎng)絡拓樸。

三、無線計量網(wǎng)絡的應用

縱觀無線計量設備網(wǎng)絡技術(shù)除平臺開發(fā)外，可作遠距離醫(yī)療診斷應用，智能家居和環(huán)境安全應用，生態(tài)監(jiān)測和預警應用，滑坡監(jiān)測，微觀氣候監(jiān)測和智能建筑應用智能數(shù)字生活空間，獨立家庭遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)應用等。無線測量網(wǎng)絡可以解決過去物理線路傳輸面的問題，克服諸如高溫危險區(qū)設置線路困難，并且落成后節(jié)省維護，并降低了大量線路的成本，估計可以減少約80%。還有無線測光網(wǎng)絡具有自組織，修復網(wǎng)絡，高度移動的能力，計量節(jié)點易于構(gòu)建。在測量領域，我們所要求的無線傳輸必須高度可靠，并且能抵抗各種電磁干擾。使用無線傳感器網(wǎng)絡進行測量的優(yōu)點，具體如下：

1.成本低。每一個傳感器的價格都不高，而且每一個傳感器都是智能的，能完成信息的收集和處理工作，也能夠完成相互之間的通信而無需再進行額外的投入。

2.低功耗。在設計時就是以低功耗為目的，頻繁地去給無線計量網(wǎng)絡去更換電池是不現(xiàn)實的。

3.監(jiān)測更準確。計量節(jié)點密度越高，其監(jiān)測結(jié)果就會越準確，而由于計量節(jié)點成本不高，在實際使用時進行高密度的部署并不會帶來成本的大幅上升，因此可以通過高密度部署計量節(jié)點換來更準確的監(jiān)測結(jié)果。

4.監(jiān)測更可靠。無線計量網(wǎng)絡還有一個巨大的優(yōu)勢，就是它的網(wǎng)絡是自組織的，也正是因為它是自組織的，所以它還具有自我修復能力，這些都無需人工干預，當有一個節(jié)點損壞時，無線計量網(wǎng)絡會很快修復好，并不會對計量結(jié)果帶來很大的影響。

5.實時性好。無線計量網(wǎng)絡對目標狀態(tài)改變的發(fā)現(xiàn)是非常及時的，而且它并不依賴于一個節(jié)點去發(fā)現(xiàn)這種狀態(tài)的改變，所以會具備較高的及時性。

四、總結(jié)

我國擁有電子相關(guān)制造業(yè)的優(yōu)勢，加上學術(shù)界具備軟件、硬件和人機界面研發(fā)能力，若能凝聚產(chǎn)學界的力量，制定共同平臺規(guī)范，并依據(jù)這規(guī)范量身打造無線計量設備硬件和優(yōu)良的無線計量網(wǎng)絡平臺，必可為無線計量網(wǎng)絡奠定發(fā)展的良好基礎。我國提出無線計量設備網(wǎng)絡技術(shù)前瞻研究項目計劃，想建立一套完整的無線計量設備網(wǎng)絡共同平臺和研發(fā)跨領域的整合應用服務，結(jié)合產(chǎn)學界力量，并本著學術(shù)資源共享的原則，把這些硬件設計架構(gòu)和軟件程序開放給各界自由使用。結(jié)合我國電子產(chǎn)業(yè)的豐富資源和學術(shù)界的優(yōu)異研發(fā)能力，共同打造無線計量網(wǎng)絡平臺，并以平臺為基礎，做實地應用示范，必能使無線計量網(wǎng)絡普及化。這個新興技術(shù)發(fā)展?jié)摿o窮，可應用在軍事、環(huán)境、健康、居住環(huán)境等領域，若能結(jié)合無線計量技術(shù)與創(chuàng)新想法，嘗試各種應用，有可能對未來生活產(chǎn)生革命性的影響。

參考文獻：

[1]劉明初，王偉勇.市場導向下的現(xiàn)代計量管理工作發(fā)展研究[J].全國商情（理論研究），2013（07）.

[2]劉濱.計量檢測與質(zhì)量管理的關(guān)系探討[J].科技創(chuàng)新與應用，2013（30）.