美國(guó)智能粉塵的發(fā)展及應(yīng)用

美國(guó)智能粉塵的發(fā)展及應(yīng)用

一、自組織的無(wú)線傳感器在微型計(jì)算機(jī)加工技術(shù)（芯片微型化）、自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、集成低效通信技術(shù)和功耗傳感器集成技術(shù)的共同作用下，傳感器也在朝著微型化和網(wǎng)絡(luò)化方面得到發(fā)展。美國(guó)五角大樓提出了“智能塵?！钡脑O(shè)計(jì)思想，目的是在戰(zhàn)場(chǎng)上拋撒數(shù)千個(gè)微小的無(wú)線傳感器，用于監(jiān)控?cái)橙说幕顒?dòng)情況，而不讓敵方察覺。通過(guò)自組織一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，“智能塵?！睂?duì)相關(guān)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，把重要的信息發(fā)送給中央司令部?！爸悄軌m埃”的特點(diǎn)就是體積小、功耗低、自組織、無(wú)線通訊，這也是網(wǎng)絡(luò)化的微型傳感器的特征。美國(guó)陸軍已計(jì)劃開發(fā)的多層次集成式傳感器系統(tǒng)—靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信(SSNC)，是美國(guó)2001財(cái)年的一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)目標(biāo)（STO）計(jì)劃,這是網(wǎng)絡(luò)化微型傳感器在軍事領(lǐng)域的一個(gè)非常好的應(yīng)用。另外，在民用領(lǐng)域，這種傳感器可以廣泛地應(yīng)用于各種環(huán)境的監(jiān)測(cè)，尤其是在惡劣的環(huán)境和無(wú)人環(huán)境下的環(huán)境監(jiān)測(cè)。二、系統(tǒng)微型化設(shè)計(jì)在戰(zhàn)場(chǎng)上，傳感器的體積越小越好，功能越強(qiáng)大越好，然而這兩者是互相制約的。很明顯，為了實(shí)現(xiàn)一定的功能而縮小體積是硬件設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)?！爸悄軌m?！钡淖罱K目標(biāo)是將傳感器集成到與塵埃大小相同的體積上，甚至可以利用傳感器所處環(huán)境提供能量。然而在目前階段，處于原型開發(fā)與試驗(yàn)階段的傳感器體積都還有火柴盒的大小，圖1就是加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的“智能塵?！?。它集成了處理器(AT90LS8535)、EPROM、串口、無(wú)線發(fā)射模塊（TR1000）、溫度傳感器（AD7418）、光強(qiáng)傳感器（CL9P4L）。因?yàn)橄到y(tǒng)是由電池供電，所以能耗受限。為了減少功耗，各個(gè)硬件均采用小體積，低功耗的器件。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微型化，硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由主機(jī)模塊、傳感器模塊、通訊模塊、電源模塊四部分組成。主機(jī)模塊：微處理器采用ATMEL公司的AT90LS8535。AT90LS8535是8位AVR單片機(jī)，內(nèi)嵌8K內(nèi)存用于存儲(chǔ)程序代碼，還有512字節(jié)的RAM用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；外接4MHz晶振，保證較低功耗。副處理器的主要功能是存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)。傳感器模塊：光強(qiáng)傳感器采用Clairex公司的CL9P4L，它實(shí)際上就是一個(gè)光電二極管，能將光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化；溫度傳感器采用AD公司的AD7418。通訊模塊：無(wú)線收發(fā)器件采用RFM公司的TR1000。TR1000外圍電路簡(jiǎn)單，具有睡眠模式以降低功耗，可達(dá)到115.2kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，理想傳輸環(huán)境下有效通訊距離為1000m。電源模塊：電池采用Panasonic公司的CR2054。CR2054儲(chǔ)存了560mAh的電能，并且體積較小。傳感器系統(tǒng)處于收發(fā)數(shù)據(jù)的工作模式下可以連續(xù)供電35個(gè)小時(shí)，而處于休眠狀態(tài)等節(jié)能模式下能夠供電至少一年。三、感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)當(dāng)傳感器系統(tǒng)部署好了以后，所有的傳感器系統(tǒng)就自動(dòng)組成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)傳感器系統(tǒng)統(tǒng)稱為一個(gè)節(jié)點(diǎn)(node)如圖3。這些節(jié)點(diǎn)之間能夠互相通訊，同時(shí)也能夠與基站（BaseStation）進(jìn)行通訊。基站是一個(gè)中轉(zhuǎn)站，它將傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)終端上，同時(shí)將計(jì)算機(jī)終端的命令通過(guò)無(wú)線通訊模塊發(fā)送到相關(guān)節(jié)點(diǎn)。現(xiàn)階段，基站與主機(jī)均處在傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作范圍之內(nèi)，但在將來(lái)的實(shí)際使用中，基站與主機(jī)是空間獨(dú)立的，基站在傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作范圍之內(nèi)，而主機(jī)則在軍隊(duì)的指揮中心，它們將通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行通訊。根據(jù)節(jié)點(diǎn)規(guī)模的大小，傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分成兩種：平面結(jié)構(gòu)和分級(jí)結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單，所有結(jié)點(diǎn)的地位平等，所以又可以稱為對(duì)等式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點(diǎn)是完全對(duì)等的，原則上不存在瓶頸，所以比較健壯。它的缺點(diǎn)是可擴(kuò)充性差，每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都需要知道到達(dá)其他所有結(jié)點(diǎn)的路由，而維護(hù)這些動(dòng)態(tài)變化的路由信息需要大量的控制消息。分級(jí)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)被劃分為簇（Cluster），每個(gè)簇由一個(gè)簇頭(ClusterHead)和多個(gè)簇成員(ClusterMember)組成，這些簇頭形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，如圖4。簇頭結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，它可以預(yù)先指定，也可以由結(jié)點(diǎn)使用分簇算法自動(dòng)選舉產(chǎn)生。在分級(jí)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，簇成員的功能比較簡(jiǎn)單，不需要維護(hù)復(fù)雜的路由信息，這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，因此具有很好的可擴(kuò)充性。由于簇頭結(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)選舉產(chǎn)生，分級(jí)結(jié)構(gòu)也具有很強(qiáng)的抗毀性。分級(jí)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：維護(hù)分級(jí)結(jié)構(gòu)需要結(jié)點(diǎn)執(zhí)行分簇算法，簇頭結(jié)點(diǎn)可能會(huì)成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。具體的分簇算法有最小節(jié)點(diǎn)ID分簇算法、考慮能量耗費(fèi)和穩(wěn)定度的分簇算法、自適應(yīng)按需加權(quán)的分簇算法（AOW）、限制簇尺寸的分簇算法等等，必須按照系統(tǒng)本身具體的需要進(jìn)行選取與設(shè)計(jì)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小時(shí)，可以采用簡(jiǎn)單的平面式結(jié)構(gòu)，“智能塵?！蹦壳熬褪鞘褂玫钠矫媸浇Y(jié)構(gòu)；而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模增大時(shí)，就必須使用分級(jí)結(jié)構(gòu)。四、節(jié)點(diǎn)路由狀態(tài)的更新由于無(wú)線通訊存在有效通訊距離的限制，節(jié)點(diǎn)并不能直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，而是采用多跳路由（Multi-Hop）的傳輸方式往基站發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須具有報(bào)文（數(shù)據(jù)包）轉(zhuǎn)發(fā)能力，也就是說(shuō)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅要完成數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)墓ぷ?，還要具備路由器的功能—路由器部分主要負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由信息，完成報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。由于節(jié)點(diǎn)部署好了以后，某些節(jié)點(diǎn)可能會(huì)不斷的改變自身的位置，任意節(jié)點(diǎn)都有可能隨時(shí)開機(jī)與關(guān)機(jī)，因此，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔⑹莿?dòng)態(tài)更新的。在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，最終目標(biāo)是要保證整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)位置的改變、工作方式的改變與節(jié)點(diǎn)加入或退出等各種條件下都能夠正常工作，除非能正常工作的節(jié)點(diǎn)數(shù)目少到不能組成網(wǎng)絡(luò)。目前，“智能塵?！笔褂玫氖窍闰?yàn)性（proactive）路由算法，它的主要思想是：每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)一張包含到達(dá)其它節(jié)點(diǎn)的路由信息的路由表，當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送更新消息，收到更新消息的節(jié)點(diǎn)將更新自己的路由表，以維護(hù)一致的、及時(shí)的、準(zhǔn)確的路由信息，所以路由表可以準(zhǔn)確地反映網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。源節(jié)點(diǎn)一旦要發(fā)送報(bào)文，可以立即獲得到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)延小，缺點(diǎn)是開銷大。當(dāng)傳感器的規(guī)模增大時(shí)，用來(lái)維護(hù)路由所消耗的能量將按幾何級(jí)數(shù)增加，所以對(duì)一個(gè)以電池供電的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)就不適宜了。這時(shí)就必須采用新的路由算法，即反應(yīng)式(reactive)算法，這種算法的基本思想是：不要求節(jié)點(diǎn)維護(hù)及時(shí)準(zhǔn)確的路由信息，當(dāng)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文時(shí)，源節(jié)點(diǎn)才在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起路由查找過(guò)程，找到相應(yīng)的路由。反應(yīng)式路由算法開銷小，但延時(shí)比先驗(yàn)式算法大。最理想的算法是采用先驗(yàn)式與反應(yīng)式結(jié)合的混合算法，在局部范圍內(nèi)使用先驗(yàn)式算法，維護(hù)準(zhǔn)確的路由信息，并可縮小路由控制消息傳播的范圍，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，通過(guò)按需查找發(fā)現(xiàn)路由，這樣既可減少算法的開銷，時(shí)延也得到了改善?！爸悄軌m?！钡拈_發(fā)人員一直在進(jìn)行算法方面的開發(fā)與完善工作，他們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種既簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，又時(shí)延小、開銷小的算法。五、其他關(guān)鍵技術(shù)1、基于csma協(xié)議的廣播信道的工作原理及實(shí)現(xiàn)環(huán)境“智能塵?！笔褂玫氖枪蚕淼膯涡诺劳ㄓ嵎绞?，所有的節(jié)點(diǎn)都是使用這個(gè)共享的信道進(jìn)行通訊，因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)如何有效的接入與使用該信道是該傳感器網(wǎng)絡(luò)能否高效工作的核心技術(shù)。其具體使用的是CSMA（CarrierSenseMultipleAccess）協(xié)議，基本思想如下：當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)在信道上發(fā)送報(bào)文時(shí)，其它所有的節(jié)點(diǎn)都能“聽到”它的發(fā)送，并采用退避算法延遲自己的發(fā)送，當(dāng)監(jiān)測(cè)到信道空閑時(shí)，再接入信道進(jìn)行發(fā)送，這種方式也稱為一跳共享廣播信道方式。這種接入方式比較簡(jiǎn)單，但會(huì)引出“隱終端”與“暴露終端”等問(wèn)題，所以需要采用更加有效的接入控制技術(shù)，如采用控制信道與數(shù)據(jù)信道分離的雙信道接入技術(shù)。2、功率消耗模式能源是“智能塵?！弊钪匾馁Y源，如何有效的節(jié)約能源是網(wǎng)絡(luò)化微型傳感器必須考慮的關(guān)鍵技術(shù)。“智能塵?！惫ぷ鲿r(shí)按功率消耗由小到大的順序有四種模式：睡眠模式（sleep）、空閑模式（idle）、接收模式（receive）以及發(fā)送模式（transmit），有效地進(jìn)入睡眠模式與空閑模式將大大的節(jié)約能源。圖5詳細(xì)描敘了各種工作模式之間有效的轉(zhuǎn)化關(guān)系，采用合理的路由算法與信道接入方式將減少活躍模式的能耗，而如何有效的接入節(jié)能模式也是節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵。3、模塊化布板設(shè)計(jì)“智能塵?！蔽⑿突夹g(shù)在現(xiàn)階段還集中在硬件電路的設(shè)計(jì)上，通過(guò)采用體積小、功耗低的芯片與器件和采用模塊化的設(shè)計(jì)與分層布板的方法會(huì)使體積盡量減小，然而隨著微機(jī)電加工（MEMS）技術(shù)的日趨成熟，在不久的將來(lái)，“智能塵?！斌w積將會(huì)越來(lái)越小?！爸悄軌m埃”的硬件開發(fā)小組下一步的目標(biāo)是采用MEMS技術(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)，包括傳感器與處理器的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)重新布板與封裝等，將整個(gè)系統(tǒng)的體積控制到1mm3。4、微織構(gòu)系統(tǒng)的模型“智能塵?！钡乃泄δ艿膶?shí)現(xiàn)都依賴于嵌入式微型操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。加州大學(xué)伯克力分校計(jì)算機(jī)科學(xué)系“智能塵?！闭n題組基于多線程技術(shù)，開發(fā)了一種微型操作系統(tǒng)—TinyOS，其主要任務(wù)就是利用有限的資源（CPU,內(nèi)存均受限）來(lái)進(jìn)行高效率的并行操作。它的基本方法是定義一系列非常簡(jiǎn)單的組件（Component）模型，因此具有高度的模塊化特征。每個(gè)組件都完成一個(gè)特定的任務(wù)，整個(gè)操作系統(tǒng)基本上就是由一系列的組件模型組成。當(dāng)系統(tǒng)要完成某個(gè)任務(wù)時(shí)，就會(huì)調(diào)用事件調(diào)度器，事件調(diào)度器再有順序地調(diào)用各種組件，從而高效、有序地完成各種功能。六、年前后系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的穩(wěn)定性