鄭增威 霍梅梅

浙江大學(xué)城市學(xué)院計算機系統(tǒng)工程研究所

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對現(xiàn)代城市發(fā)展影響的若干關(guān)鍵應(yīng)用分析

鄭增威 霍梅梅

浙江大學(xué)城市學(xué)院計算機系統(tǒng)工程研究所

傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等的發(fā)展，使得由電池供電的集無線通信能力、計算能力和數(shù)據(jù)存儲能力于一身的無線傳感器節(jié)點變得越來越廉價。由數(shù)量不等的無線傳感器節(jié)點構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正被廣泛配置在各種不同領(lǐng)域的應(yīng)用中，如醫(yī)療監(jiān)護(hù)、農(nóng)作物土壤監(jiān)測、邊境保護(hù)、航海航空探索、戰(zhàn)場和敵方環(huán)境偵察等，將對人類生活帶來深遠(yuǎn)的影響，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為當(dāng)前國際上備受關(guān)注的、由多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究熱點領(lǐng)域。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比其它傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)，有著自己顯著的特點：

⒈無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。為了獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點數(shù)量可能達(dá)到成千上萬，甚至更多。

⒉無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是自組織網(wǎng)絡(luò)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎(chǔ)設(shè)施的地方。傳感器節(jié)點的位置不能預(yù)先精確設(shè)定。節(jié)點之間的相互鄰居關(guān)系也不能預(yù)先知道，如通過飛機撒播大量傳感器節(jié)點到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不能到達(dá)或危險的區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進(jìn)行配置和管理，通過拓?fù)淇刂茩C制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。

⒊通信方式采用多跳路由。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點通信距離有限，一般在幾十到幾百米范圍內(nèi)，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(jìn)行通信，則需要通過中間節(jié)點進(jìn)行路由。

⒋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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；一個節(jié)點也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。

⒌以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，通信的目的是傳送數(shù)據(jù)。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或者傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習(xí)慣。所以通常說傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。

⒍與應(yīng)用高度相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。不同的應(yīng)用背景對傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求不同，其硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必然會有很大差異。所以傳感器網(wǎng)絡(luò)不能像傳統(tǒng)Internet一樣，有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺。針對每一個具體應(yīng)用來研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。

物聯(lián)網(wǎng)是傳感器網(wǎng)絡(luò)概念的進(jìn)一步擴大和延伸，佩帶有“眼睛、耳朵、嘴巴”等傳感器的任何物體都可以連入網(wǎng)絡(luò)，無所不在地滲入人類的生活。

⒈智能家居環(huán)境。衣食住行是生活最基本的內(nèi)容，先來看看無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與我們的居住環(huán)境的關(guān)系。一旦家中漏水或者冒煙，水禁、煙感報警器就會迅速響起，并根據(jù)實際情況做出迅速反應(yīng)，通知家人和社區(qū)，甚至可以自動啟動滅火器；假如有外人闖入家門，提醒短信馬上會發(fā)送到房主手機上；房屋“看到”主人回家立即響起美妙的背景音樂；……這樣的智能家居將給人們生活帶來便利、安全和舒適，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和普及，智能家居將很快進(jìn)入到千家萬戶當(dāng)中。

中國智能家居網(wǎng)在2009年初根據(jù)行業(yè)實際的發(fā)展，重新定義了智能家居這一名詞的含義：智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。智能家居系統(tǒng)包含的主要子系統(tǒng)有智能家居（中央）控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)，這些是必備系統(tǒng)。家居布線系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、背景音樂系統(tǒng)、家庭影院與多媒體系統(tǒng)、家庭環(huán)境控制系統(tǒng)為可選系統(tǒng)。在智能家居環(huán)境的認(rèn)定上，只有完整地安裝了所有的必備系統(tǒng)，并且至少選裝了一種及其以上的可選系統(tǒng)的智能家居才能稱為智能家居。根據(jù)中國智能家居網(wǎng)的信息，諾基亞已經(jīng)開發(fā)出一種智能家庭移動平臺，將用于發(fā)展從安全到家庭能源管理等家庭服務(wù)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。諾基亞將與其合作伙伴推出一項可以通過個人電腦或手機控制的家庭供暖管理服務(wù)，被稱為“Home Control Center”的平臺將允許用戶通過智能手機或個人電腦來控制其提供的一系列新服務(wù)。同時，該平臺是開放的，允許第三方被整合到其系統(tǒng)中。

美國是最先開始研究智能家居的，但普及工作做得比較好的卻是韓國。智能家居在上世紀(jì)90年代進(jìn)入中國，現(xiàn)在正如火如荼的發(fā)展中。目前我國每年竣工的建筑面積為20億平米，預(yù)計到2020年我國將竣工的建筑面積為300億平米，其中智能家居/建筑的產(chǎn)值至少在1-2萬億元以上。智能家居的概念正逐漸的被人們所接受，目前，杭州市很多新建的小區(qū)和樓盤都裝有智能家居的產(chǎn)品，相信我們的家居生活環(huán)境離智能化會越來越近。

⒉智能交通服務(wù)。再來談?wù)劅o線傳感器網(wǎng)絡(luò)與城市交通的關(guān)系。交通擁堵、環(huán)境污染已是現(xiàn)代大城市面臨的突出問題，智能交通系統(tǒng)作為能夠有效緩解城市交通問題的手段之一,成為近十幾年來國內(nèi)外各級政府和技術(shù)研究人員關(guān)注的熱門話題。

1995年，美國交通部提出了到2025年全面投入使用的“國家智能交通系統(tǒng)項目規(guī)劃”。該計劃利用大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，配合GPS定位系統(tǒng)等資源，除了能使所有車輛都保持在高效低耗的最佳運行狀態(tài)、自動保持車距外，還能推薦最佳行駛路線，對潛在的故障發(fā)出警告等，減少道路擁塞現(xiàn)象出現(xiàn)，有效提高道路資源利用率。

根據(jù)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》，我國科技部于2006年啟動實施“十一五”國家科技支撐計劃“國家綜合智能交通技術(shù)集成應(yīng)用示范”重大項目，設(shè)立包括北京奧運智能交通管理與服務(wù)綜合系統(tǒng)、上海世博智能交通技術(shù)綜合集成系統(tǒng)、廣州亞運智能交通綜合信息平臺系統(tǒng)三個城市智能交通系統(tǒng)的7個課題，以提供人性化交通運輸服務(wù)、發(fā)展交通系統(tǒng)智能化技術(shù)和安全高速的交通運輸技術(shù)為研究重點。

上海世博智能交通技術(shù)綜合集成系統(tǒng)，運用綜合交通動態(tài)信息獲取、復(fù)雜環(huán)境交通狀態(tài)分析、綜合交通信息平臺構(gòu)建等3項技術(shù)，建立了上海綜合交通信息平臺，整合了城市快速道路、地面道路、軌道交通、公共交通四大系統(tǒng)143類信息。上海市交管部門某負(fù)責(zé)人在2009智能交通年會上，介紹了該綜合信息平臺不僅涵蓋了上海市的快速路、主干道、支路的道路信息，還特別設(shè)立了世博交通專題信息，不僅覆蓋了上海市的軌道、公交、輪渡等線路、班次、站點信息，更包含了長三角24個城市的專線巴士信息。

杭州市的智能交通建設(shè)也取得了顯著的成就，尤其在交通控制系統(tǒng)、智能化交通管理系統(tǒng)和先進(jìn)的公共交通系統(tǒng)等方面。杭州市綜合交通研究中心目前正與希臘、西班牙、芬蘭、英國等12家研究機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)一個“全球智能出行規(guī)劃系統(tǒng)”，杭州市是該系統(tǒng)成果示范城市之一。通過智能交通系統(tǒng)的建設(shè)，今后人們出行可以隨時隨地獲取道路交通信息，方便選擇最通暢便捷的出行路徑。

⒊智能醫(yī)療服務(wù)。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，它在醫(yī)療健康方面也得到了一定的應(yīng)用，醫(yī)生可以利用傳感器網(wǎng)絡(luò)，隨時對病人的各項健康指標(biāo)以及活動情況進(jìn)行監(jiān)測，為遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展提供了很大的便利。傳感器網(wǎng)絡(luò)有可能極大地影響醫(yī)療的許多方面。在醫(yī)院或診所，每一個配備著多種類無線傳感器的病人的生命體征將允許醫(yī)生和護(hù)士實時監(jiān)測其生理狀況。

羅徹斯特大學(xué)的技術(shù)人員使用無線傳感器創(chuàng)建了一個智能醫(yī)療房間，使用微塵來測量居住者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天24小時的活動狀況。2004年3月英特爾公司演示了家庭護(hù)理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在鞋、家具和家用電器等家居用品和設(shè)備中嵌入半導(dǎo)體傳感器，利用無線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)，高效傳遞必要的信息，從而幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士在家中方便接受護(hù)理和遠(yuǎn)程健康監(jiān)控。英特爾公司主管預(yù)防性健康保險研究的董事Eric Dishman稱，“在開發(fā)家庭用護(hù)理技術(shù)方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是非常有前途的領(lǐng)域”。

哈佛大學(xué)的Mercury項目研究了用于一種高保真的運動分析的可穿戴式傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺。哈佛大學(xué)CodeBlue項目提供了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施，他們研制了無線脈搏血氧傳感器，無線心電圖傳感器和三軸加速運動傳感器。除了硬件平臺，CodeBlue項目也提供了可擴展的軟件基礎(chǔ)設(shè)施，旨在提供路由、命名、發(fā)現(xiàn)和醫(yī)療安全的無線感應(yīng)器，PDA、個人電腦和其他設(shè)備，可用于監(jiān)測和治療指定醫(yī)療機構(gòu)中的病人。

南京郵電大學(xué)的863項目《基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療健康護(hù)理系統(tǒng)》，研究了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療健康護(hù)理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、可穿戴UbiCell醫(yī)療傳感器節(jié)點及醫(yī)療傳感器設(shè)備驅(qū)動、基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療信息采集與處理技術(shù)、醫(yī)療健康護(hù)理系統(tǒng)中基站PC及PDA功能軟件的研發(fā)，目前該項目正在推廣中。

全球人口老齡化、人們生活水平提高和偏遠(yuǎn)地區(qū)對醫(yī)療服務(wù)需求增加等因素正促使傳統(tǒng)醫(yī)療方式的變革，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使得遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)成為可能，足不出戶便可隨時獲得醫(yī)療專家的健康服務(wù)，人們的生活質(zhì)量將得到很大的提高。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用很廣泛，它還可以應(yīng)用到城市的環(huán)境監(jiān)測、物流、建筑物的結(jié)構(gòu)健康檢測以及機器人的控制等等。隨著人們生活水平的不斷提高，人們對生存條件的要求也越來越高，無處不在的無線傳感器以及它們構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)將為人們的生產(chǎn)生活帶來極大的便利。