【文章內(nèi)容簡介】 直都與應(yīng)用相聯(lián)系。多年來經(jīng)過不同領(lǐng)域研究人員的演繹， WSN 技術(shù)在軍事領(lǐng)域、精細農(nóng)業(yè)、安全監(jiān)控、環(huán)保監(jiān)測、建筑領(lǐng)域、醫(yī)療監(jiān)護、工業(yè)監(jiān)控、智能交通、物流管 理、自由空間探索、智能家居等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了充分的肯定和展示。 2021年，美國軍方成功測試了由美國 Crossbow 產(chǎn)品組建的槍聲定位系統(tǒng)，為救護、反恐提供有力手段。美國科學(xué)應(yīng)用國際公司采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)筑了一個電子周邊防御系統(tǒng)，為美國軍方提供軍事防御和情報信息。 中國，中科院微系統(tǒng)所主導(dǎo)的團隊積極開展基于 WSN 的電子圍欄技術(shù)的邊境防御系統(tǒng)的研發(fā)和試點，已取得了階段性的成果。 在環(huán)境監(jiān)控和精細農(nóng)業(yè)方面， WSN 系統(tǒng)最為廣泛。 2021 年，英特爾公司率先在俄勒岡建立了世界上第一個無線葡萄園，這是一個典型的精準農(nóng) 業(yè)、智能耕種的實例。杭州齊格科技有限公司與浙江農(nóng)科院合作研發(fā)了遠程農(nóng)作管理決策服務(wù)平臺，該平臺利用了無線傳感器技術(shù)實現(xiàn)對農(nóng)田溫室大棚溫度、濕度、露點、光照等環(huán)境信息的監(jiān)測。 在民用安全監(jiān)控方面，英國的一家博物館利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一個報警系統(tǒng)，他們將節(jié)點放在珍貴文物或藝術(shù)品的底部或背面，通過偵測燈光的亮度改變和振動情況，來判斷展覽品的安全狀態(tài)。中科院計算所在故宮博物院實施的文物安全監(jiān)控系統(tǒng)也是 WSN 技術(shù)在民用安防領(lǐng)域中的典型應(yīng)用。 現(xiàn)代建筑的發(fā)展不僅要求為人們提供更加舒適、安全的房屋和橋梁，而且希望建筑 本身能夠?qū)ψ陨淼慕】禒顩r進行評估。 WSN 技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控方面將發(fā)揮重要作用。 2021 年，哈工大在深圳地王大廈實施部署了監(jiān)測環(huán)境噪聲和震動加速度響應(yīng)測試的 WSN 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 在醫(yī)療監(jiān)控方面，美國英特爾公司目前正在研制家庭護理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，作為美國“應(yīng)對老齡化社會技術(shù)項目”的一項重要內(nèi)容。另外，在對特殊醫(yī)院（精神類或殘障類）中病人的位置監(jiān)控方面， WSN 也有巨大應(yīng)用潛力。 在工業(yè)監(jiān)控方面，美國英特爾公司為俄勒岡的一家芯片制造廠安裝了 200臺無線傳感器，用來監(jiān)控部分工廠設(shè)備的振動情況，并在測量結(jié)果超出規(guī) 定時提供監(jiān)測報告。西安成峰公司與陜西天和集團合作開發(fā)了礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和礦工井下區(qū)段定位系統(tǒng)。 在智能交通方面，美國交通部提出了“國家智能交通系統(tǒng)項目規(guī)劃”，預(yù)計到 2025 年全面投入使用。該系統(tǒng)綜合運用大量傳感器網(wǎng)絡(luò)，配合 GPS 系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等資源，實現(xiàn)對交通車輛的優(yōu)化調(diào)度，并為個體交通推薦實時的、最佳的行車路線服務(wù)。目前在美國的賓夕法尼亞州的匹茲堡市已經(jīng)建有這樣的智能交通信息系統(tǒng)。 中科院上海微系統(tǒng)所為首的研究團隊正在積極開展 WSN 在城市交通的應(yīng)用。中科院軟件所在地下停車場基于 WSN 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了細粒 度的智能車位管理系統(tǒng)，使得停車信息能夠迅速通過發(fā)布系統(tǒng)推送給附近的車輛，大大提高率了停車效率。 物流領(lǐng)域是 WSN 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是發(fā)展最快最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域。盡管在倉儲物流領(lǐng)域， RFID 技術(shù)還沒有被普遍采納，但基于 RFID 和傳感器節(jié)點在大粒度商品物流管理中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。寧波中科萬通公司與寧波港合作，實現(xiàn)基于 RFID網(wǎng)絡(luò)的集裝箱和集卡車的智能化管理。另外，還使用 WSN 技術(shù)實現(xiàn)了封閉倉庫中托盤粒度的貨物定位。 WSN 網(wǎng)絡(luò)自由部署、自組織工作模式使其在自然科學(xué)探索方面有巨大的應(yīng)用潛力。 2021 年，由英特爾的研究小組 和加州大學(xué)伯克利分校以及巴港大西洋大學(xué)的科學(xué)家把 WSN 技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)視大鴨島海鳥的棲息情況。 2021 年，澳洲的科學(xué)家利用 WSN 技術(shù)來探測北澳大利亞蟾蜍的分布情況。佛羅里達宇航中心計劃借助于航天器布撒的傳感器節(jié)點實現(xiàn)對星球表面大范圍、長時期、近距離的監(jiān)測和探索。 智能家居領(lǐng)域是 WSN 技術(shù)能夠大展拳腳的地方。浙江大學(xué)計算機系的研究人員開發(fā)了一種基于 WSN 網(wǎng)絡(luò)的無線水表系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)水表的自動抄錄。復(fù)旦大學(xué)、電子科技大學(xué)等單位研制了基于 WSN 網(wǎng)絡(luò)的智能樓宇系統(tǒng)，其典型結(jié)構(gòu)包括了照明控制、警報門禁，以及家電控制的 PC 系統(tǒng)。各部件自治組網(wǎng)，最終由 PC機將信息發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上。人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)終端對家庭狀況實施監(jiān)測。 WSN 在應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展可謂方興未艾，要想進一步推進該技術(shù)的發(fā)展，讓其更好為社會和人們的生活服務(wù)，不僅需要研究人員開展廣泛的應(yīng)用系統(tǒng)研究，更需要國家、地區(qū)，以及優(yōu)質(zhì)企業(yè)在各個層面上的大力推動和支持。第四章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義和特點 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以看成是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡(luò)和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點 ,各節(jié)點通過協(xié)議自組成一個分布式網(wǎng)絡(luò) ,再 將采集來的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化后經(jīng)無線電波傳輸給信息處理中心。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) Tiny0S141 的研制者，Jason Hill 博士把 WSN 定義為： Sensing＋ CPU＋ Radio＝ Thousands of potential application。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李建中教授將 WSN 定義為： WSN 是由一組傳感器節(jié)點以自組織的方式構(gòu)成的有線或無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。從硬件上看， WSN 節(jié) 點主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線數(shù)據(jù)收發(fā)單元 以及小型電池單元組成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特點；從軟件上看，它借助于節(jié)點中內(nèi)置傳感器有效探測所處區(qū)域的溫度、濕度、光強度、壓力等環(huán)境參數(shù)以及待測對象的電壓、電流等物理參數(shù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將探測信息傳送到數(shù)據(jù)匯聚中心 進行處理、分析和轉(zhuǎn)發(fā)。 WSN 與傳統(tǒng)傳感器和測控系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢。它采用點對點或點對多點的無線連接，大大減少了電纜成本，在傳感器節(jié)點端即合并了模擬信號／數(shù)字信號轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理和網(wǎng)絡(luò)通信功能，節(jié)點具有自檢功能，系統(tǒng)性能與可靠性明顯提升而成本明顯縮減。 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)具有以下特點： （ 1）硬件資源有限 WSN 節(jié)點采用嵌入式處理器和存儲器，計算能力和存儲能力十分有限。所以，需要解決如何在有限計算能力的條件下進行協(xié)作分布式信息處理的難題。 （ 2）電源容量有限 為了測量真實世界的具體值 ,各個節(jié)點會密集地分布于待測區(qū)域內(nèi) ,人工補充能量的方法已經(jīng)不再適用。每個節(jié)點都要儲備可供長期使用的能量 ,或者自己從外汲取能量（太陽能）。當自身攜帶的電池的能量耗盡，往往被廢棄，甚至造成網(wǎng)絡(luò)的中斷。所以，任何 WSN 技術(shù)和協(xié)議的研究都要以節(jié)能為前提。 （ 3）無中心 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 ,所有節(jié) 點的地位都是平等的 ,沒有預(yù)先指定的中心 , 是一個對等式網(wǎng)絡(luò)。各節(jié)點通過分布式算法來相互協(xié)調(diào) ,在無人值守的情況下 ,節(jié)點就能自動組織起一個測量網(wǎng)絡(luò)。而正因為沒有中心 ,網(wǎng)絡(luò)便不會因為單個節(jié)點的脫離而受到損害。節(jié)點可以隨時加入或離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點的故障不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的運行，具有很強的抗毀性。 （ 4）自組織 網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網(wǎng)絡(luò)。 （ 5）多跳（ Multihop）路由 WSN 節(jié)點通信能力有限，覆蓋范圍 只有幾十到幾百米，節(jié)點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信，則需要通過中間節(jié)點進行路由。 WSN 中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點完成的。 （ 6）動態(tài)拓撲 WSN 是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點可以隨處移動；一個節(jié)點可能會因為電池能量耗盡或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò)運行；也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。這些都會使網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動態(tài)拓撲組織功能。 （ 7）節(jié)點數(shù)量眾多，分布密集 WSN 節(jié)點數(shù)量大、分布范圍廣，難于維護甚至不可維護。所以，需要解決如何提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件 健壯性和容錯性。 （ 8）傳輸能力的有限性 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過無線電波進行數(shù)據(jù)傳輸 ,雖然省去了布線的煩惱 ,但是相對于有線網(wǎng)絡(luò) ,低帶寬則成為它的天生缺陷。同時 ,信號之間還存在相互干擾 ,信號自身也在不斷地衰減 ,諸如此類。不過因為單個節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不算大 ,這個缺點還是能忍受的。 （ 9）安全性的問題 無線信道、有限的能量 ,分布式控制都使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易受到攻擊。被動竊聽、主動入侵、拒絕服務(wù)則是這些攻擊的常見方式。因此 ,安全性在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中至關(guān)重要。 第五章 需要解決的問題 目前的技術(shù)水平 讓無線 傳感器網(wǎng)正常運行并大量投入使用還面臨著許多問題。 （ 1）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信問題 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)正常通信聯(lián)系中，信號可能被一些障礙物或其他電子信號干擾而受到影響，怎么安全有效的進行通信是個有待研究的問題。 （ 2）成本問題 在一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面，需要使用數(shù)量龐大的微型傳感器，這樣的話成本會制約其發(fā)展。 （ 3）系統(tǒng)能量供應(yīng)問題 目前主要的解決方案有：使用高能電池；降低傳感功率；此外還有傳感器網(wǎng)絡(luò)的自我能量收集技術(shù)和電池無線充電技術(shù)。其中后兩者備受關(guān)注。 （ 4）高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)是組織無線傳感器的成網(wǎng)技術(shù)，有多種形態(tài)和方式，合理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以最大限度的利用資源。在這里面，還包括網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議問題和大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點移動性管理等諸多問題有待解決。 總之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景非常誘人。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ WSN）被認為是影響人類未來生活的重要技術(shù)之一，這一新興技術(shù)為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。由于 WSN 本身的特點，使得它與現(xiàn)有的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間存在較大的區(qū)別，給人們提出了很多新的挑戰(zhàn)。由于 WSN 對國家和社會意義重大，國內(nèi)外對于 WSN 的研究正熱烈開展，希望能 夠引起測控領(lǐng)域?qū)@一新興技術(shù)的重視，推動對這一具有國家戰(zhàn)略意義的新技術(shù)的研究、應(yīng)用和發(fā)展。 抄表技術(shù)概況 （ 1）傳統(tǒng)人工抄表 傳統(tǒng)人工抄表是通過電力運營商雇傭相應(yīng)電能抄表員登門查表 ,完成電能抄表校對工作。隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴大 ,加上電力用戶分散 ,給供電企業(yè)抄表帶來的巨大的困難。抄表員需要花大量的時間進行抄表和電能數(shù)據(jù)校對工作 ,大大增加了電力運營商的負擔 ,造成了大量的人力浪費 ,同時由于人為誤差的存在 ,給電力用戶帶來了許多不便 ,整個電能的抄錄過程在時間上存在著明顯的離散性 ,不利于電力運營商的統(tǒng)一管理。 （ 2）遠程自動抄表 隨著電力電子技術(shù)和計算機通信技術(shù)的不斷成熟 ,遠程自動抄表技術(shù)已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)人工抄表技術(shù) ,成為電力運營企業(yè)電能抄表的核心技術(shù)。遠程抄表系統(tǒng)一般由電能檢測表計、視頻數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、計算機綜合數(shù)據(jù)管理模塊五大部分構(gòu)成 ,整個系統(tǒng)采用集散式典型結(jié)構(gòu) ,具有明顯的樹型綜合通信結(jié)構(gòu) ,利用綜合通信技術(shù)實現(xiàn)了對電能數(shù)據(jù)的實時動態(tài)采集 ,便于電力運營商進行電能的檢測、綜合數(shù)據(jù)分析管理和收費自動化的要求的實現(xiàn)。 （ 3）改進 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 改進 BP 是一種基于誤差反饋綜合比較的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ,由 于該模型不需要具有精確的數(shù)學(xué)模型 ,只需要將外界已知的原始數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的輸入 ,對整個網(wǎng)絡(luò)模型進行“學(xué)習(xí)”訓(xùn)練 ,網(wǎng)絡(luò)層通過輸入層（ INPUT）獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)信息 ,通過中間層（ Recurrent）進行數(shù)據(jù)信息處理 ,再通過輸出層（ OUTPUT）獲得對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。 （ 4）圖像識別 數(shù)字識別技術(shù)包括圖像處理和數(shù)據(jù)識別兩項重要的任務(wù) ,是利用計算機對圖像分析處理的核心 ,在目前較多的圖像識別、圖像復(fù)原、圖像預(yù)測等領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展。 第六章 國內(nèi)外遠程抄表系統(tǒng)的發(fā)展概況 自動抄表技術(shù)自八十年代誕生于美國后，在世界各 地得到迅猛發(fā)展，最先在供水企業(yè)中應(yīng)用，后擴展到電、氣等各個領(lǐng)域。直到九十年代，自動抄表技術(shù)才被引進到中國。 國外自動抄表技術(shù)的發(fā)展 在自動抄表系統(tǒng)中，一個重要的抉擇，就是通信方式的選擇。 上世紀 70 年代至 80 年代，一些發(fā)達國家相繼開始對遠距離電能表數(shù)據(jù)的采集和傳送進行了探索性研究。此階段，自動抄表系統(tǒng)主要采用有線通信，如用電力線載波、波導(dǎo)管、電纜、光纜等作為傳輸媒質(zhì)。 1982 年英國的 THORNEMI 系統(tǒng)利用公用電話網(wǎng)實現(xiàn)了自動抄表； 1985 年日本九州電力公司試用電力輸配電線載波，地線載波及光纜通 信于遠方讀表和監(jiān)測表計誤差的系統(tǒng)； 澳大利亞借助郵電線路進行遠程電能表數(shù)據(jù)抄記系統(tǒng)； 美國波士頓邊生公司以及費城電力公司的配電線載波遠程讀表系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)曾先后投入試運行，但由于投資較大，均僅用于用電大戶、聯(lián)網(wǎng)結(jié)算或部分住宅區(qū)的集中電能表數(shù)據(jù)的讀取。 1988 年美國弗吉尼亞電力公司為電能表抄表員裝備了手持式微機，用戶消耗的電能數(shù)據(jù)被一次性經(jīng)鍵盤存入微機，完成統(tǒng)計與處理。 1990 年以后， AMR 得到較快的發(fā)展。 1992 年埃及開羅配電公司開發(fā)出雙模式住宅電能監(jiān)視抄表系統(tǒng)，用于自動記錄、獲取和處理電能消耗數(shù)據(jù)的 完整系統(tǒng)。為了滿足美國加州電力市場 150 方案的要求，美國最大的電能計量計費系統(tǒng) TMR于 1998 年投入運行。 2021 年度，美國有 2840 萬自動抄表設(shè)備單元應(yīng)用，其中 1300 萬用在電力，1080 萬用在煤氣， 460 萬用在供水。在 1999~2021 年度供水方面有 55%的高速增長，電力有 20%的增長，煤氣有 13%的增長。 隨著無線