孟諾，劉心超

（1.福建東政智能科技有限公司；2.福州恒嘉科技有限公司）

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)概念的核心可以由三個詞概括，即普適計算、超低功耗、無線通信。其中普適計算是物聯(lián)網(wǎng)要達(dá)成的核心目標(biāo)，而超低功耗與無線通信是實現(xiàn)這一目標(biāo)的具體手段。

所謂普適計算，通俗地講就是將我們生活、工業(yè)、科研中的一切物品數(shù)據(jù)化、信息化。通過在物品上安裝物聯(lián)網(wǎng)芯片，使其互聯(lián)互通。為實現(xiàn)這個目標(biāo)，就必須保證通信的無線化和超低功耗，這樣就不用鋪設(shè)線纜，即可實現(xiàn)通信，用最小的電池保證芯片最長工作時間。

圍繞三個核心概念，形成了實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)——智能無線自組網(wǎng)。

智能無線自組網(wǎng)（WSN）是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉的、知識高度集成的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域。傳感器技術(shù)、微機電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信等技術(shù)的進(jìn)步，均推動現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。

智能無線自組網(wǎng)擴展了人們的信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接在一起，在下一代網(wǎng)絡(luò)中為人們提供直接、有效、真實的信息。

智能無線自組網(wǎng)能夠獲取客觀物理信息，具有廣闊的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境檢測、搶險救災(zāi)、危險區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，并引起許多國家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，被認(rèn)為是對21 世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。

智能無線自組網(wǎng)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。

智能無線自組網(wǎng)簡稱 WSN，是一種由大量小型傳感器所組成的網(wǎng)絡(luò)。這些小型傳感器一般稱作傳感器節(jié)點或者灰塵傳感器。此種網(wǎng)絡(luò)中一般有一個或幾個基站用來采取從小型傳感器的數(shù)據(jù)。

2 智能無線自組網(wǎng)技術(shù)的動力

2.1 智能無線市場的驅(qū)動力

（1）商業(yè)驅(qū)動力：生產(chǎn)力提升的需求、減少資金投入、降低系統(tǒng)維護(hù)費用、增加智能化管理。

（2）技術(shù)發(fā)展：解決技術(shù)瓶頸，形成標(biāo)準(zhǔn)。

（3）收益：減少工程、安裝和維護(hù)的成本，提高生產(chǎn)效能以及系統(tǒng)可擴展性。

2.2 正在成長的無線技術(shù)市場

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，相關(guān)芯片銷售增長率達(dá)62%。具體數(shù)據(jù)如圖1所示。

2.3 原有無線技術(shù)不足

用戶對無線技術(shù)有些顧慮，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）通信可靠，不能“丟失任何數(shù)據(jù)”。

（2）安全性：對于工業(yè)，信息安全非常重要。

（3）電源：無線變送器有沒有可靠電源。

（3）環(huán)境：工業(yè)環(huán)境中到處都是設(shè)備，而且障礙物每天不斷變化。

（4）標(biāo)準(zhǔn)：無線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如何解決。

圖1 全球IEEE802.15.4芯片組銷售增長

3 智能無線自組網(wǎng)技術(shù)網(wǎng)的特點

3.1 工業(yè)無線自組網(wǎng)技術(shù)

保證通信可靠、安全性、電源、環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)；工業(yè)無線自組網(wǎng)符合Class 2～Class 5的應(yīng)用等級。

3.2 智能無線自組網(wǎng)

智能無線自組網(wǎng)具有以下特點：

（1）IEEE 802.15.4 和跳頻技術(shù)（FHSS）；

（2）全面的安全措施；

（3）通信可靠，適應(yīng)多種干擾環(huán)境；

（4）同其他無線網(wǎng)絡(luò)友好共存；

（5）自動重新組網(wǎng)，無需人工介入；

（6）冗余的數(shù)據(jù)通信路徑，可以消除單點故障；

（7）用于監(jiān)測、開環(huán)控制、閉環(huán)控制；

（8）單個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最大規(guī)模100個節(jié)點。

3.3 智能無線自組網(wǎng)應(yīng)用等級（如表1所示）

表1 室內(nèi)外場地環(huán)境指標(biāo)

3.4 智能無線自組網(wǎng)的優(yōu)勢

（1）網(wǎng)絡(luò)可靠性高，實際到達(dá)目的信息量對用戶非常重要。

（2）單點到單點方案可靠性低于40%，源于物理環(huán)境動態(tài)變化和苛刻的條件。

（3）工業(yè)無線自組網(wǎng)端點到端點可靠性達(dá)到90%，如果一條通信路徑中斷，網(wǎng)絡(luò)將自動切換到其他路徑。

（4）持久的低能耗

①節(jié)省使用電能：電能對于自供電設(shè)備較為重要。

②低能硬件設(shè)計：采用先進(jìn)的電子元件、超低功耗的內(nèi)置微波發(fā)射元件，能保證可靠的通信；工作電流為60mA，休眠電流為 30 μ A。

③獨特的能源管理最小化電能消耗：自組織網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備可快速喚醒、休眠；網(wǎng)關(guān)動態(tài)優(yōu)化整個網(wǎng)絡(luò)的電源消耗。

④能量獲取技術(shù)：使用熱能、太陽能、振動勢能等新能源作為電池的補充。

⑤電池能連續(xù)供電3年。

（5）通信安全性

確保安全通信的方案，即發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備的合法身份，數(shù)據(jù)的有效性驗證，數(shù)據(jù)包的加密，可靠的數(shù)據(jù)訪問權(quán)限管理，可以繞開阻擋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)智能化通信。

（6）適合復(fù)雜環(huán)境的無線技術(shù)

可工作在2.4GHz ISM頻段，不干擾其他設(shè)備，并進(jìn)行CCA空閑信道評估，“先聽（監(jiān)測）后說（發(fā)送）”，適用于DSSS直接序列展頻技術(shù)、Channel Hopping跳頻技術(shù)等，如圖2所示。

圖2 智能無線自組網(wǎng)的適合環(huán)境

（7）基于標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)體系

基于IEEE、IETF等多個標(biāo)準(zhǔn)組織所提出的標(biāo)準(zhǔn)，如6lowpan、802.15.4/4e等，可平滑升級，向下兼容，采用被工業(yè)界充分驗證的協(xié)議、規(guī)約。

（8）方便后期維護(hù)

基于網(wǎng)絡(luò)管理平臺（NMS），可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備遠(yuǎn)程管理、遠(yuǎn)程維護(hù)、固件更新；支持Modbus、Web Service等數(shù)據(jù)接入。

3.5 無線自組網(wǎng)技術(shù)結(jié)論

同現(xiàn)有的無線技術(shù)相比，智能無線自組網(wǎng)技術(shù)可解決超低功耗、無線通信距離限制、無線局域網(wǎng)組網(wǎng)規(guī)模限制等問題。

目前，最新的智能無線自組網(wǎng)產(chǎn)品能夠達(dá)到數(shù)十微安至數(shù)百微安的平均工作電流。如國內(nèi)某公司的物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，平均工作電流只有150μA左右，如果使用兩節(jié)2500mA的干電池，便能使這些產(chǎn)品工作3～6年。

在傳統(tǒng)的無線技術(shù)中，主從設(shè)備的通信距離十分有限。比如，Wi-Fi路由器與Wi-Fi設(shè)備之間的通信距離通常在幾米至數(shù)十米；BlueTooth主從設(shè)備間的通信距離最長為10m。因此，對于主從設(shè)備之間距離較遠(yuǎn)的應(yīng)用，傳統(tǒng)無線技術(shù)則無法完成。

然而，智能無線自組網(wǎng)采用網(wǎng)內(nèi)設(shè)備中繼的方法，解決了通信設(shè)備間距離限制的問題。在智能無線自組網(wǎng)中，如果主從設(shè)備之間的通信距離過遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)會被中繼到網(wǎng)內(nèi)其他設(shè)備上，通過這些設(shè)備的接力傳遞，從而到達(dá)目標(biāo)設(shè)備。目前，最新的智能無線自組網(wǎng)產(chǎn)品可支持的中繼次數(shù)能達(dá)到數(shù)十至數(shù)百跳。因此，即使通信設(shè)備之間的直接通信距離只有50m，整個網(wǎng)絡(luò)的覆蓋直徑也能達(dá)到數(shù)十公里。

此外，傳統(tǒng)的無線技術(shù)其網(wǎng)絡(luò)容量有限。比如在BlueTooth網(wǎng)絡(luò)中，局域網(wǎng)內(nèi)最多容納8個設(shè)備，而智能無線自組網(wǎng)產(chǎn)品沒有該限制。在實際產(chǎn)品中，一些無線自組網(wǎng)產(chǎn)品甚至能夠支持65535個在網(wǎng)設(shè)備。

智能無線自組網(wǎng)的優(yōu)勢可概括為以下兩點：

（1）提高傳統(tǒng)應(yīng)用效益。在一些傳統(tǒng)應(yīng)用中，由于傳統(tǒng)無線通信技術(shù)的缺陷，導(dǎo)致在項目實際部署中無法采取無線方案，從而產(chǎn)生了大量鋪設(shè)通信線纜、供電線纜的工作，這極大地增加了項目的實施成本，降低了投資的效費比，比如城市路燈控制，在傳統(tǒng)的技術(shù)條件下，只有通過鋪設(shè)有線通信線纜來達(dá)到對城市路燈開關(guān)的遠(yuǎn)程控制，又如水、電、氣表的遠(yuǎn)程抄讀，在傳統(tǒng)的技術(shù)條件下，只有在樓道中鋪設(shè)有線通信電纜，才能抄寫各戶的計量表數(shù)值。

（2）通過使用智能無線自組網(wǎng)技術(shù)，可避免因線纜鋪設(shè)、施工等成本，所有通信設(shè)備都能達(dá)到即裝即用。

表2為N100系列無線自組網(wǎng)節(jié)點在室內(nèi)外場地的環(huán)境指標(biāo)。

表2

表3為G100系列無線自組網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在室內(nèi)外場地的環(huán)境指標(biāo)。

表3

4 博物館重點展品采用智能無線組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

4.1 展品防護(hù)系統(tǒng)

4.1.1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)的智能托盤模塊內(nèi)嵌于展品底座內(nèi)，除具有短距離通信功能，該模塊還包含壓力和震動傳感器。

4.1.2 系統(tǒng)功能

（1）展品防盜

利用無線壓力傳感器和震動傳感器檢測展柜內(nèi)文物是否在原布展位置，如展品遇外力搬移或取出，引起對于展品底座的壓力或震動變化，則系統(tǒng)自動報警。此系統(tǒng)結(jié)合展柜玻璃破碎傳感器，能夠更好的防護(hù)針對展柜玻璃罩的破壞。

（2）GIS系統(tǒng)融合

利用與電子地圖系統(tǒng)的接口，能夠在電子展區(qū)圖上顯示展品所在位置。重新布展后，只需重新可視化配置展品的位置信息，系統(tǒng)便自動更新其所在位置，具體系統(tǒng)布局如圖3所示。

圖3 展品防護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)

4.2 具有可擴展性的系統(tǒng)設(shè)計

博物館承載了既有傳統(tǒng)安防系統(tǒng)，所以二次布線難度很大，需將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入報警方面，利用在展館內(nèi)建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可對報警源精確定位，如定位到單個展品等。在報警器的安裝上無需布線，靈活方便，在無需外部支持的情況下，依靠本館力量能夠完成布展調(diào)整后報警器的重新布置。

4.3 該方案的功能與優(yōu)勢

（1）直觀高效

系統(tǒng)基于統(tǒng)一的電子地圖平臺，將監(jiān)控信息、展柜內(nèi)信息、展品定位信息、報警信息整合顯示在圖形化平臺中，一目了然，操作簡單方便。平臺能夠自動接受報警，在電子地圖相應(yīng)位置顯示紅色閃光點，同時發(fā)出報警音，自動記錄報警位置、報警時間、確認(rèn)時間、復(fù)位時間等相關(guān)信息。

（2）展柜內(nèi)文物防盜

利用無線壓力傳感器和震動傳感器檢測展柜內(nèi)文物是否在原布展位置；通過展柜玻璃破碎傳感器，檢測玻璃罩是否完好，并在電子展區(qū)圖內(nèi)定位展品所在位置。如展品遇外力搬移或取出，系統(tǒng)自動報警。

（3）便捷、靈活、保密、抗干擾

本系統(tǒng)各子系統(tǒng)采用無線傳感技術(shù)，靈敏度高、布置方便。由于無需鋪設(shè)線纜，館方能夠在布展調(diào)整后自主調(diào)整安防傳感器。各傳感器間自主組織網(wǎng)絡(luò)，無需人為介入，降低了對館方人員的要求。系統(tǒng)采用嚴(yán)格的權(quán)限管理，不同權(quán)限人員分別持有不同級別密碼，分別控制系統(tǒng)的不同功能。無線通信采用加密處理，具備較好的抗干擾能力。同時系統(tǒng)能夠兼容已有的攝像監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，靠軟件系統(tǒng)平臺實現(xiàn)對已有監(jiān)視設(shè)備的功能升級。系統(tǒng)具有自檢功能，能夠自動檢測損壞節(jié)點，并以黃點顯示在電子地圖上。

4.4 系統(tǒng)平臺

系統(tǒng)采用以電子地形圖為基礎(chǔ)的軟件平臺，綜合顯示各檢測節(jié)點實時傳回的檢測數(shù)據(jù)，同時根據(jù)需要還可以對數(shù)據(jù)做出預(yù)處理和分析，例如根據(jù)檢測數(shù)據(jù)和對各種數(shù)據(jù)（或污染氣體）的監(jiān)測只能預(yù)報油污（污染氣體）擴散，以及對可能發(fā)生的危險（危險品爆炸）做出預(yù)警。系統(tǒng)采用的電子地形圖能夠?qū)Ω魈幈O(jiān)測點定位顯示，直觀地反應(yīng)全局的監(jiān)測信息。系統(tǒng)還支持局部全景照片模式來對監(jiān)控點等敏感區(qū)域進(jìn)行細(xì)節(jié)檢測。

平臺具備一定的故障處理能力，能夠自動檢測故障節(jié)點，在故障無法恢復(fù)時，可自動啟用冗余節(jié)點補充或調(diào)整網(wǎng)絡(luò)路由結(jié)果，組織新網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)束語

智能無線自組網(wǎng)的構(gòu)建保證了物聯(lián)網(wǎng)的特點得到最大限度地發(fā)揮和延展，而智能無線網(wǎng)絡(luò)中特有的跳頻技術(shù)和智能自動連接技術(shù)又是該網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。目前，在具體運用中除了上述案例中提到的應(yīng)用，還可廣泛運用在城市道路照明控制、城市自來水網(wǎng)自動控制、環(huán)境保護(hù)工程中數(shù)據(jù)的采集分析和控制、物流系統(tǒng)工程中各階段的實時監(jiān)控以及汽車工業(yè)中汽車內(nèi)部數(shù)據(jù)監(jiān)控、安防中小系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制等方面。

任何一件事物總有它的兩面性，初期通信芯片的運用較少，成本較高，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量有限，沒有因特網(wǎng)技術(shù)成熟和發(fā)達(dá)、具有大額數(shù)據(jù)量。但它所具有的特點及發(fā)展前景前途無量，是智能化社會探索中不可或缺的新興技術(shù)。