無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)例薈萃.doc

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)例薈萃陳建峰 西安成峰科技有限公司，西安市高新一路16號(hào)創(chuàng)業(yè)大廈B座706室, 電話：8825 7625無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強(qiáng)和高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，因此非常適合在軍事上應(yīng)用。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)敵軍兵力和裝備的監(jiān)控、戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、目標(biāo)的定位、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估、核攻擊和生物化學(xué)攻擊的監(jiān)測(cè)和搜索等功能。目前國(guó)際許多機(jī)構(gòu)的課題都是以戰(zhàn)場(chǎng)需求為背景展開的。例如，美軍開展的如C4KISR計(jì)劃、Smart SensorWeb、靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、無人值守地面?zhèn)鞲衅魅?、傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)、網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)CEC，等等。 在軍事領(lǐng)域應(yīng)用方面，該項(xiàng)技術(shù)的遠(yuǎn)景目標(biāo)是：利用飛機(jī)或火炮等發(fā)射裝置，將大量廉價(jià)傳感器節(jié)點(diǎn)按照一定的密度布放在待測(cè)區(qū)域內(nèi)，對(duì)周邊的各種參數(shù)，如溫度、濕度、聲音、磁場(chǎng)、紅外線等各種信息進(jìn)行采集，然后由傳感器自身構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等信道，傳回信息中心。 該技術(shù)可用于敵我軍情監(jiān)控。在友軍人員、裝備及軍火上加裝傳感器節(jié)點(diǎn)以供識(shí)別，隨時(shí)掌控自己情況。通過在敵方陣地部署各種傳感器，做到知己知彼，先發(fā)制人。另外，該項(xiàng)技術(shù)可用于智慧型武器的引導(dǎo)器，與雷達(dá)、衛(wèi)星等相互配合，利用自身接近環(huán)境的特點(diǎn)，可避免盲區(qū)，使武器的使用效果大幅度提升。 在現(xiàn)階段軟件、硬件、通信、傳感器等技術(shù)的基礎(chǔ)上，以下系統(tǒng)已得到成功的應(yīng)用。實(shí)例：2005年，美國(guó)軍方成功測(cè)試了由美國(guó)Crossbow產(chǎn)品組建的槍聲定位系統(tǒng)。如圖1 所示，節(jié)點(diǎn)被安置在建筑物周圍，能夠有效地按照一定的程序組建成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行突發(fā)事件(如槍聲、爆炸源等)的檢測(cè)，為救護(hù)、反恐提供有力手段。實(shí)例：美國(guó)科學(xué)應(yīng)用國(guó)際公司采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)筑了一個(gè)電子周邊防御系統(tǒng)，為美國(guó)軍方提供軍事防御和情報(bào)信息。在這個(gè)系統(tǒng)中，采用多枚微型磁力計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)來探測(cè)某人是否攜帶槍支，以及是否有車輛駛來；同時(shí)，利用聲傳感器，該系統(tǒng)還可以監(jiān)視車輛或者移動(dòng)人群。 1軍事領(lǐng)域(1) 圖1：狙擊手定位系統(tǒng)（上圖）檢測(cè)區(qū)域俯瞰圖（下圖）模型圖：紅色為狙擊手的位置，綠色為節(jié)點(diǎn)位置 2農(nóng)業(yè)領(lǐng)域我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大。在這些方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著卓越的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。它可用于監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣變更、牲畜和家禽的環(huán)境狀況以及大面積的地表檢測(cè)。如圖2 所示，一個(gè)典型的系統(tǒng)通常由環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、基站、通信系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)以及監(jiān)控軟硬件系統(tǒng)構(gòu)成。如圖所示，根據(jù)需要，人們可以在待測(cè)區(qū)域安放不同功能的傳感器并組成網(wǎng)絡(luò)，長(zhǎng)期大面積地監(jiān)測(cè)微小的氣候變化，包括溫度、濕度、風(fēng)力、大氣、降雨量，收集有關(guān)土地的濕度、氮濃縮量和土壤PH值等，從而進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)，幫助農(nóng)民抗災(zāi)、減災(zāi)，科學(xué)種植，獲得較高的農(nóng)作物產(chǎn)量。在“九五”計(jì)劃中，“工廠高效農(nóng)業(yè)工程”已經(jīng)把智能傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò)化的研制列為國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目。以下介紹幾種國(guó)內(nèi)外在這個(gè)領(lǐng)域所作的一些嘗試。圖2：農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)例結(jié)構(gòu)圖 實(shí)例：2002 年，英特爾公司率先在俄勒岡建立了世界上第一個(gè)無線葡萄園。傳感器節(jié)點(diǎn)被分布在葡萄園的每個(gè)角落，每隔一分鐘檢測(cè)一次土壤溫度、濕度或該區(qū)域有害物的數(shù)量，以確保葡萄可以健康生長(zhǎng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，葡萄園氣候的細(xì)微變化可極大地影響葡萄酒的質(zhì)量。通過長(zhǎng)年的數(shù)據(jù)記錄以及相關(guān)分析，便能精確的掌握葡萄酒的質(zhì)地與葡萄生長(zhǎng)過程中的日照、溫度、濕度的確切關(guān)系。這是一個(gè)典型的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能耕種的實(shí)例(見圖3)。 圖3：葡萄園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖 實(shí)例：北京市科委計(jì)劃項(xiàng)目“蔬菜生產(chǎn)智能網(wǎng)絡(luò)傳感器體系研究與應(yīng)用”正式把農(nóng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示范應(yīng)用于溫室蔬菜生產(chǎn)中。在溫室環(huán)境里單個(gè)溫室即可成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)測(cè)量控制區(qū)，采用不同的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)來測(cè)量土壤濕度、土壤成分、pH 值、降水量、溫度、空氣濕度和氣壓、光照強(qiáng)度、CO2濃度等，來獲得農(nóng)作物生長(zhǎng)的最佳條件，為溫室精準(zhǔn)調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。最終使溫室中傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，從而達(dá)到增加作物產(chǎn)量、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。 圖4：多溫室間無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的示意圖 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信便利、部署方便的優(yōu)點(diǎn)，使其在節(jié)水灌溉的控制中得以應(yīng)用。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)還具有土壤參數(shù)、氣象參數(shù)的測(cè)量能力，再與互聯(lián)網(wǎng)、GPS技術(shù)結(jié)合，可以比較方便地實(shí)現(xiàn)灌區(qū)動(dòng)態(tài)管理、作物需水信息采集與精量控制專家系統(tǒng)的構(gòu)建，并可進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效、低能耗、低投入、多功能的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉平臺(tái)?？稍跍厥?、庭院花園綠地、高速路隔離帶、農(nóng)田井用灌溉區(qū)等區(qū)域，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水技術(shù)的定量化、規(guī)范化、模式化、集成化，促進(jìn)節(jié)水工業(yè)的快速和健康發(fā)展。 實(shí)例：Digital Sun公司發(fā)展的自動(dòng)灑水系統(tǒng)S.SenseWirelessSensor目前受到國(guó)際上多家媒體的報(bào)道。它使用無線傳感器感應(yīng)土壤的水分，并在必要時(shí)與接收器通信，控制灌溉系統(tǒng)的閥門打開/關(guān)閉，從而達(dá)到自動(dòng)、節(jié)水灌溉的目的。圖5：Digital Sun公司自動(dòng)灑水系統(tǒng)的原理模型 西北農(nóng)林科技大學(xué)的教授認(rèn)為，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的諸多優(yōu)勢(shì)，特別適用于以下方面的生產(chǎn)和科學(xué)研究，例如，大棚種植室內(nèi)及土壤的溫度、濕度、光照監(jiān)測(cè)、珍貴經(jīng)濟(jì)作物生長(zhǎng)規(guī)律分析與測(cè)量、葡萄優(yōu)質(zhì)育種和生產(chǎn)等，可為許多楊凌示范區(qū)內(nèi)農(nóng)村發(fā)展與農(nóng)民增收項(xiàng)目帶來高科技的輔助手段。此外，該項(xiàng)技術(shù)還為貴重藥材生長(zhǎng)條件檢測(cè)與模擬、果園、高經(jīng)濟(jì)價(jià)值作物的生長(zhǎng)條件分析與人工干預(yù)、林業(yè)防火防盜等提供有力手段。例如，陜西秦巴山區(qū)的許多珍貴藥材的生長(zhǎng)規(guī)律，可以通過該項(xiàng)技術(shù)得到精確測(cè)量，通過無線信道、衛(wèi)星或互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)娇刂浦行?，從而可以精確掌握這類藥材的生長(zhǎng)周期、水分、濕度、光照、雨水等資料。根據(jù)分析結(jié)果，農(nóng)業(yè)人員就可以在人造環(huán)境下進(jìn)行逼真地模擬，有望提高產(chǎn)量、改善稀有藥材緊缺的現(xiàn)狀。 采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建設(shè)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用同一套網(wǎng)絡(luò)設(shè)別完成風(fēng)、光、水、電、熱和農(nóng)藥等的數(shù)據(jù)采集和環(huán)境控制，可有效提高農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)程度，簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜性，降低設(shè)備成本。 我國(guó)幅員遼闊，物種眾多，環(huán)境和生態(tài)問題嚴(yán)峻。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以廣泛地應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物種群研究、氣象和地理研究、洪水、火災(zāi)檢測(cè)。以下列出一些常見的應(yīng)用領(lǐng)域： 可通過跟蹤珍稀鳥類、動(dòng)物和昆蟲的棲息、覓食習(xí)慣等進(jìn)行瀕臨種群的研究等。 可在河流沿線分區(qū)域布設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)，隨時(shí)監(jiān)測(cè)水位及相關(guān)水資源被污染的信息。 在山區(qū)中泥石流、滑坡等自然災(zāi)害容易發(fā)生的地方布設(shè)節(jié)點(diǎn)，可提前發(fā)出預(yù)警，以便做好準(zhǔn)備，采取相應(yīng)措施，防止進(jìn)一步的惡性事故的發(fā)生。 可在重點(diǎn)保護(hù)林區(qū)鋪設(shè)大量節(jié)點(diǎn)隨時(shí)監(jiān)控內(nèi)部火險(xiǎn)情況，一旦有危險(xiǎn)，可立刻發(fā)出警報(bào)，并給出具體方位及當(dāng)前火勢(shì)大小。 布放在地震、水災(zāi)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴災(zāi)害地區(qū)、邊遠(yuǎn)或偏僻野外地區(qū)，用于緊急和臨時(shí)場(chǎng)合應(yīng)急通信。 圖6：大鴨島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 實(shí)例：2002 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)家把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)視大鴨島海鳥的棲息情況。位于緬因州海岸大鴨島上的海燕由于環(huán)境惡劣，海燕又十分機(jī)警，研究人員無法采用通常方法進(jìn)行跟蹤觀察。為此他們使用了包括光、濕度、氣壓計(jì)、紅外傳感器、攝像頭在內(nèi)的近10 種傳感器類型數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)通過自組織無線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?00 英尺外的基站計(jì)算機(jī)內(nèi)，再由此經(jīng)衛(wèi)星傳輸至加州的服務(wù)器。在那之后，全球的研究人員都可以通過互聯(lián)網(wǎng)察看該地區(qū)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，掌握第一手的環(huán)境資料，為生態(tài)環(huán)境研究者提供了一個(gè)極為有效便利的平臺(tái)。 實(shí)例：2005 年，澳洲的科學(xué)家利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來探測(cè)北澳大利亞蟾蜍的分布情況。由于蟾蜍的叫聲響亮而獨(dú)特，因此利用聲音作為檢測(cè)特征非常有效?？蒲腥藛T將采集到的信號(hào)在節(jié)點(diǎn)上就地處理，然后將處理后的少量結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)回給控制中心。通過處理，就可以大致了解蟾蜍的分布、棲息情況。3環(huán)保監(jiān)測(cè)圖7：北澳大利亞的蟾蜍的分布情況 實(shí)例：夏威夷大學(xué)在夏威夷火山國(guó)家公園內(nèi)鋪設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，以監(jiān)測(cè)那些瀕臨滅種的植物所在地的微小氣候變化。 實(shí)例：美國(guó)俄勒岡洲研究生院在哥倫比亞河設(shè)置了13個(gè)站來監(jiān)測(cè)每個(gè)站所在區(qū)域的流速、鹽度、溫度及水位。實(shí)例：美國(guó)ALERT 系統(tǒng)中利用多種傳感器來監(jiān)測(cè)降雨量、河位水位和土壤水分，并依此預(yù)測(cè)爆發(fā)山洪暴發(fā)的可能性。 實(shí)例：澳洲的CSRIOICT 研究中心將節(jié)點(diǎn)安置在動(dòng)物身上對(duì)動(dòng)物的生理狀況(脈搏、血壓)和外界環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，研制成完善的草地放牧與動(dòng)物模型。實(shí)例: 上海交通大學(xué)自動(dòng)化系基于氣體污染源濃度衰減模型，開展了氣體源預(yù)估定位系統(tǒng)。同樣，該項(xiàng)技術(shù)也可推廣到放射性元素、化學(xué)元素等的跟蹤定位中。 研究人員認(rèn)為，我國(guó)有許多優(yōu)秀的自然風(fēng)景區(qū)，由于地形復(fù)雜，面積龐大，對(duì)整個(gè)景區(qū)的管理或進(jìn)行搜救工作帶來極大困難。如果將傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)廣泛鋪設(shè)于景區(qū)，而且進(jìn)入景區(qū)的每個(gè)游人配備一個(gè)有源節(jié)點(diǎn)，這樣既方便管理，也可以在游客出現(xiàn)問題時(shí)盡快發(fā)現(xiàn)位置并及時(shí)解決。為提高服務(wù)質(zhì)量，保障人員安全帶來雙贏的效果。 我國(guó)正處在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰期，各類大型工程的安全施工及監(jiān)控是建筑設(shè)計(jì)單位長(zhǎng)期關(guān)注的問題。如已經(jīng)建成的三峽工程，正在建設(shè)的蘇通大橋、渤海海域的大量的海洋平臺(tái)和海底管線、2008 年的奧運(yùn)場(chǎng)館等。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以讓大樓、橋梁和其它建筑物能夠自身感覺并意識(shí)到它們的狀況，使得安裝了傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能建筑自動(dòng)告訴管理部門它們的狀態(tài)信息，從而可以讓管理部門按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行定期的維修工作。 實(shí)例：利用適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，例如壓電傳感器、加速度傳感器、超聲傳感器、濕度傳感器等，可以有效地?gòu)建一個(gè)三維立體的防護(hù)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)(參見圖8)。該系統(tǒng)可用于監(jiān)測(cè)橋梁、高架橋、高速公路等道路環(huán)境。對(duì)許多老舊的橋梁，橋墩長(zhǎng)期受到水流的沖刷，傳感器能夠放置在橋墩底部、用以感測(cè)橋墩結(jié)構(gòu)；也可放置在橋梁兩側(cè)或底部，搜集橋梁的溫度、濕度、震動(dòng)幅度、橋墩被侵蝕程度等，能減少斷橋所造成生命財(cái)產(chǎn)的損失。 圖8：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖圖9：利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行水土保持研究 實(shí)例：2003 年，哈工大歐進(jìn)萍院士的課題組開發(fā)了一種用于海洋平臺(tái)和其他土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。利用多種智能傳感器，如光纖光柵傳感器、纖維增強(qiáng)聚合物-光纖光柵筋及其應(yīng)變傳感器、壓電薄膜傳感器、形狀記憶合金傳感器、疲勞壽命絲傳感器、加速度傳感器等進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)。 4建筑領(lǐng)域?qū)嵗?004 年，哈工大歐進(jìn)萍院士的課題組應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)超高層建筑的動(dòng)態(tài)測(cè)試開發(fā)了一種新型系統(tǒng)，并應(yīng)用到深圳地王大廈的環(huán)境噪聲和加速度響應(yīng)測(cè)試。地王大廈高81層，桅桿總高384米。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，將無線傳感器沿大廈豎向布置在結(jié)構(gòu)的外表面，系統(tǒng)成功測(cè)得了環(huán)境噪聲沿建筑高度的分布以及結(jié)構(gòu)的風(fēng)致震動(dòng)加速度響應(yīng)。 實(shí)例：對(duì)珍貴的古老建筑進(jìn)行保護(hù)，是文物保護(hù)單位長(zhǎng)期以來的一個(gè)工作重點(diǎn)。將具有溫度、濕度、壓力、加速度、光照等傳感器的節(jié)點(diǎn)布放在重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象當(dāng)中，無需拉線鉆孔，便可有效地對(duì)建筑物進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)(參見附圖11)。此外，對(duì)于珍貴文物而言，在保存地點(diǎn)的墻角、天花板等位置，監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫度、濕度是否超過安全值，可以更妥善地保護(hù)展覽品的品質(zhì)。圖10：將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在珍貴文物的保護(hù)場(chǎng)地實(shí)例：美國(guó)最大的工程建筑公司貝克特營(yíng)建集團(tuán)公司已在倫敦地鐵系統(tǒng)中采用了無線傳感器，并希望能進(jìn)一步應(yīng)用于智能建筑、國(guó)防建設(shè)和化學(xué)工廠等方面。公司基礎(chǔ)設(shè)施建筑經(jīng)理佛瑞德威特林表示：“這些應(yīng)用還僅僅是起步階段，未來的應(yīng)用預(yù)計(jì)將更加深入和廣泛。”實(shí)例：日本科技巨頭富士通公司于2004年12月宣布，公司與美國(guó)施樂公司下屬的帕洛阿爾托研究中心簽署了一份研究協(xié)議，研究如何在建筑物上安裝聯(lián)網(wǎng)的地震傳感器，為處于地震帶的民居提供更好的監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大型工程項(xiàng)目、防范大型災(zāi)害方面也有著良好的應(yīng)用前景。以我國(guó)西氣東輸及輸油管道的建設(shè)為例，由于這些管道在很多地方都要穿越大片無人煙的地區(qū)，這些地方的管道監(jiān)控一直都是難題。如果傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟，僅西氣東輸這樣的一個(gè)工程就可能節(jié)省上億元的資金。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在檢測(cè)人體生理數(shù)據(jù)、老年人健康狀況、醫(yī)院藥品管理以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等方面可以發(fā)揮出色的作用。在病人身上安置體溫采集、呼吸、血壓等測(cè)量傳感器，醫(yī)生可以遠(yuǎn)程了解病人的情況。利用傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)間地收集人的生理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在研制新藥品的過程中非常有用。 美國(guó)英特爾公司目前正在研制家庭護(hù)理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是美國(guó)“應(yīng)對(duì)老齡化社會(huì)技術(shù)項(xiàng)目”的一個(gè)環(huán)節(jié)。根據(jù)演示，該系統(tǒng)在鞋、家具、以及家用電器等嵌入傳感器，幫助老年人及患者、殘障人士獨(dú)立地進(jìn)行家庭生活，并在必要時(shí)由醫(yī)務(wù)人員、社會(huì)工作者進(jìn)行幫助。 實(shí)例：研究人員開發(fā)出基于多個(gè)加速度傳感器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于進(jìn)行人體行為模式監(jiān)測(cè)，如坐、站、躺、行走、跌倒、爬行等(參見圖11)。該系統(tǒng)使用多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，安裝在人體幾個(gè)特征部位。系統(tǒng)實(shí)時(shí)地把人體因行動(dòng)而產(chǎn)生的三維加速度信息進(jìn)行提取、融合、分類，進(jìn)而由監(jiān)控界面顯示受檢測(cè)人的行為模式。這個(gè)系統(tǒng)稍加產(chǎn)品化，便可成為一些老人及行動(dòng)不便的病人的安全助手。同時(shí)，該系統(tǒng)也可以應(yīng)用到一些殘障人士的康復(fù)中心，對(duì)病人的各類肢體恢復(fù)進(jìn)展進(jìn)行精確測(cè)量，從而為設(shè)計(jì)復(fù)健方案帶來寶貴的參考依據(jù)。圖11：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的人體行為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)例：研究人員可以利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)視。在一個(gè)公寓內(nèi)，17 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分布在各個(gè)方間，包括衛(wèi)生間。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上包括了溫度、濕度、光、紅外傳感器及聲音傳感器，部分節(jié)點(diǎn)使用了超聲節(jié)點(diǎn)。根據(jù)這些節(jié)點(diǎn)收集到信息，監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示人員的活動(dòng)情況。根據(jù)多傳感器的信息融合，可以相當(dāng)精確地判斷出被檢測(cè)人正在進(jìn)行的行為，例如：做飯、睡覺、看電視、淋浴等等，從而可以對(duì)老年人健康狀況，如老年癡呆癥等進(jìn)行精確檢測(cè)。因?yàn)橄到y(tǒng)不使用攝像機(jī)，比較容易得到病人及其家屬的接受。 5醫(yī)療監(jiān)護(hù)圖12：公寓內(nèi)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的分布圖圖13：浴室中的節(jié)點(diǎn)分布圖 圖14：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控平臺(tái)，用于進(jìn)行老年癡呆癥患者衛(wèi)生間活動(dòng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)控界面平臺(tái)顯示老人進(jìn)出衛(wèi)生間的時(shí)間及活動(dòng)內(nèi)容 6.1工業(yè)安全 英國(guó)石油公司總裁卡薩爾稱，傳感器網(wǎng)絡(luò)可用于危險(xiǎn)工作環(huán)境，在煤礦、石油鉆井、核電廠和組裝線工作的員工將可以得到隨時(shí)監(jiān)控。這些傳感器網(wǎng)絡(luò)可以告訴工作現(xiàn)場(chǎng)有哪些員工、他們?cè)谧鍪裁?，以及他們的安全保障等重要信息。在相關(guān)的工廠每個(gè)排放口安裝相應(yīng)的無線節(jié)點(diǎn)，完成對(duì)工廠廢水、廢氣污染元的監(jiān)測(cè)，樣本的采集、分析和流量測(cè)定?！盁o線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)幾乎在我們的各項(xiàng)業(yè)務(wù)中都將得到了應(yīng)用。我們不會(huì)僅停留在幾十只或幾百只的使用規(guī)模。最終，這個(gè)數(shù)字將會(huì)數(shù)以萬計(jì)。” 煤礦、石化、冶金行業(yè)對(duì)工作人員安全、易燃、易爆、有毒物質(zhì)的監(jiān)測(cè)的成本一直居高不下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)把部分操作人員從高危環(huán)境中解脫出來的同時(shí)，提高險(xiǎn)情的反應(yīng)精度和速度。我國(guó)大型煤礦六百多家，中型煤礦兩千多家，中小型煤礦一萬余家。煤炭行業(yè)對(duì)先進(jìn)的井下安全生產(chǎn)保障系統(tǒng)的需求巨大。陜西彬長(zhǎng)礦區(qū)的孫斌建高工認(rèn)為，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤功能、對(duì)周邊環(huán)境的多傳感器融合監(jiān)測(cè)功能，使其在井下安全生產(chǎn)的諸多環(huán)節(jié)有著很大的發(fā)展空間。 實(shí)例：北京郵電大學(xué)的研究人員開展了煤礦瓦斯報(bào)警和礦工定位無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究，一個(gè)節(jié)點(diǎn)上包括了溫濕度傳感器、瓦斯傳感器、粉塵傳感器等。傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)防爆處理和技術(shù)優(yōu)化后，可用于危險(xiǎn)工作環(huán)境，在煤礦工作的員工及其周圍環(huán)境將可以得到隨時(shí)監(jiān)控。圖15：煤礦安全檢測(cè)與定位系統(tǒng)(北京郵電大學(xué)) 實(shí)例：成峰公司正在與陜西天和集團(tuán)共同研發(fā)礦工井下區(qū)段定位系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖16所示。各個(gè)工作地點(diǎn)放置一定數(shù)量的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過接收礦工隨身攜帶的節(jié)點(diǎn)所發(fā)射的具有唯一識(shí)別碼的無線信號(hào)進(jìn)行人員定位。同時(shí)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)還可以進(jìn)行溫度、濕度、光、聲音、風(fēng)速等參量的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將結(jié)果傳輸至基站，進(jìn)而傳至管理中心。 6工業(yè)領(lǐng)域圖16：煤礦安全環(huán)境監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)6.2先進(jìn)制造 隨著制造業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各類生產(chǎn)設(shè)備越來越復(fù)雜精密?，F(xiàn)在工作人員從生產(chǎn)流水線到復(fù)雜機(jī)器設(shè)備，都嘗試著安裝相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)，以便時(shí)刻掌握設(shè)備的工作健康狀況，及早發(fā)現(xiàn)問題及早處理，從而有效地減少損失，降低事故發(fā)生率。 實(shí)例：電子科技大學(xué)、中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心以及北京航天指揮控制中心的研究人員，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大型風(fēng)洞測(cè)控環(huán)境的監(jiān)測(cè)，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，氣源系統(tǒng)、風(fēng)洞運(yùn)行系統(tǒng)，以及其他沒有基礎(chǔ)設(shè)施而有線傳感器系統(tǒng)安裝又不方便或不安全的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行全方位檢測(cè)。 實(shí)例：美國(guó)英特爾公司為俄勒岡的一家芯片制造廠安裝了200 臺(tái)無線傳感器，用來監(jiān)控部分工廠設(shè)備的振動(dòng)情況，并在測(cè)量結(jié)果超出規(guī)定時(shí)提供監(jiān)測(cè)報(bào)告。英特爾研究中心的主管助理漢斯穆德爾說，這項(xiàng)計(jì)劃目前雖然只涵蓋了工廠4000種可測(cè)部件中的少數(shù)部件，但是效果卻非常顯著。如今，研究人員再也不需要每隔兩三個(gè)月就到每臺(tái)機(jī)器處來回巡視了。 我國(guó)高科技企業(yè)林立，在諸如集成電路芯片生產(chǎn)、大型精密設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等方面有著巨大的技術(shù)需求和市場(chǎng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在這些領(lǐng)域?qū)⒋笥凶鳛椤?6.3交通控制管理實(shí)例：1995 年美國(guó)交通部提出了“國(guó)家職能交通系統(tǒng)項(xiàng)目規(guī)劃”，預(yù)計(jì)到2025年全面投入使用。該系統(tǒng)綜合運(yùn)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，目的是使所有車輛都能保持在高效、低耗的最佳運(yùn)行狀態(tài)，前后自動(dòng)保持車距，推薦最佳路線，并就潛在的故障發(fā)出警告。目前在美國(guó)的賓夕法尼亞州的匹茲堡市就已經(jīng)建有這樣的交通信息系統(tǒng)，并由電臺(tái)媒體附帶產(chǎn)生了一定的商業(yè)價(jià)值。 實(shí)例：武漢理工大學(xué)開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在火車車廂環(huán)境中的測(cè)控應(yīng)用，對(duì)車廂內(nèi)的空氣質(zhì)量、安全隱患等等進(jìn)行全程檢測(cè)。 實(shí)例：中科院沈陽自動(dòng)化所開展了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速公路交通監(jiān)控系統(tǒng)的研究。利用該項(xiàng)技術(shù)來彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)備，如圖像監(jiān)視系統(tǒng)，在能見度低、路面結(jié)冰等情況下，無法對(duì)高速路段進(jìn)行有效監(jiān)控的問題，也可克服因?yàn)殛P(guān)閉高速路而產(chǎn)生的影響交通、延誤商機(jī)以及阻礙人們出行等負(fù)面因素。另外，對(duì)一些天氣突變性強(qiáng)的地區(qū)，該項(xiàng)技術(shù)能極大地幫助降低汽車追尾等惡性交通事故。 6.4安防系統(tǒng) 實(shí)例：英國(guó)的一家博物館利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一個(gè)報(bào)警系統(tǒng)，他們將節(jié)點(diǎn)放在珍貴文物或藝術(shù)品的底部或背面，通過偵測(cè)燈光的亮度是否改變，測(cè)量物品是否遭受到振動(dòng)等因素，來確保展覽品的安全。 6.5倉儲(chǔ)物流管理利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多傳感器高度集成，以及部署方便、組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)，可用來進(jìn)行糧食、蔬菜、水果、蛋肉存儲(chǔ)倉庫的溫度、濕度控制，中央空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制，以及廠房環(huán)境控制，特殊實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的控制等，為保障存貨質(zhì)量安全、降低能耗提供解決方案。實(shí)例：著名的沃爾瑪連鎖店已經(jīng)投入資金，在其貨物上加裝無線傳感器節(jié)點(diǎn)和射頻識(shí)別條型碼芯片(RFID)，以保證其各類貨物處在最佳的儲(chǔ)藏環(huán)境，同時(shí)，使該公司和供應(yīng)商能夠跟蹤從生產(chǎn)到收款臺(tái)的商品流向。 圖17：超級(jí)市場(chǎng)中應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各種物流檢測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將住宅內(nèi)的各種家居設(shè)備聯(lián)系起來，使他們能夠自動(dòng)運(yùn)行，相互協(xié)作，為居住者提供盡可能多的便利和舒適。 實(shí)例：傳統(tǒng)的水、電表有抄表員讀取讀數(shù)，隨著社會(huì)的發(fā)展及高層建筑的普及、傳統(tǒng)操作給抄表人員帶來越來越多的麻煩。浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)系的研究人員開發(fā)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線水表系統(tǒng)，具有高度的自動(dòng)化性能，抄表人員無需訪問每戶人家，只需在樓下按下抄表鍵，即可獲得該樓的所有水表的讀數(shù)。 實(shí)例：復(fù)旦大學(xué)、電子科技大學(xué)等單位研制了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能樓宇系統(tǒng)。其典型結(jié)構(gòu)包括：照明控制、警報(bào)門禁、家電控制的PC機(jī)系統(tǒng)。各個(gè)部分可相互通信，最終由PC機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)將信息發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上，主人可以通過任何互聯(lián)網(wǎng)終端檢測(cè)家庭情況。該系統(tǒng)可對(duì)火患、盜竊等安全隱患進(jìn)行檢測(cè)報(bào)警，并能集中抄表。實(shí)例：電子樟腦丸是一種典型的智能家居產(chǎn)品，該設(shè)備實(shí)際上是具有溫度和濕度傳感器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它不能代替樟腦丸的防蛀、防霉作用，但是當(dāng)它檢測(cè)到衣櫥中的溫度濕度不合適衣物保存時(shí)，可通過手機(jī)短信或電話留言等方式，通知主人作適當(dāng)處理。 8空間、海洋探索探索外部星球一直是人類夢(mèng)寐以求的理想，借助于航天器布撒的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)星球表面大范圍、長(zhǎng)時(shí)期、近距離的監(jiān)測(cè)和探索，是一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。NASA的JPL實(shí)驗(yàn)室研制的SensorWebs就是為將來的火星探測(cè)、選定著陸場(chǎng)地等需求進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備的?，F(xiàn)在該項(xiàng)目已在佛羅里達(dá)宇航中心的環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中進(jìn)行測(cè)試和完善。 圖18：美國(guó)宇航局的空間探索計(jì)劃中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模式示意圖 7智能家居系統(tǒng)21 世紀(jì)是人類深入開發(fā)利用海洋資源的世紀(jì)，海洋物理研究、數(shù)據(jù)采集、交通導(dǎo)航、資源勘探、污染監(jiān)控、災(zāi)難預(yù)防，以及對(duì)水下軍事目標(biāo)的監(jiān)測(cè)、定位、跟蹤與分類等，都迫切需要高度智能化、自主性強(qiáng)、分布式、全天候的信息采集、傳輸、處理及融合技術(shù)。印度洋海嘯之后，全球領(lǐng)導(dǎo)人在印尼雅加達(dá)舉行峰會(huì)，議程的首要事務(wù)就是計(jì)劃在印度洋構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，以便對(duì)未來的海底地震做出預(yù)警。 根據(jù)目前歐美各國(guó)在研項(xiàng)目的文獻(xiàn)資料，可以大致將水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)可分為以下幾類： 針對(duì)這些要求，基于多傳感器的水下分布式信息采集、網(wǎng)絡(luò)通信、信息處理技術(shù)得到國(guó)家廣泛關(guān)注，并隨著近些年通信技術(shù)、DSP 技術(shù)、MEMS 傳感器技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)及軍事國(guó)防領(lǐng)域一項(xiàng)亟待研究開發(fā)的重要課題。 (1) 基于水面浮標(biāo)的(射頻+水聲通信)可任意升降的三維立體水下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：布放比較容易，可利用太陽能、GPS以及水面上的無線通信，回避、降低了水下通信的困難。缺點(diǎn)：阻礙航