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传感器网络实现低成本化及标准化逐渐进入实用阶段

http://cn.newmaker.com 8/26/2009 11:05:00 AM 日经BP社

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最近，利用无线网络连接传感器并收集数据的传感器网络开始从研究阶段进入了实用阶段。传感器网络得到了哪些应用？为何在最近才开始得到应用？实际参与开发的住友精密工业传感器网络事业室宫本哲（技术部门主任）就今后的课题接受了记者采访。

问：利用无线的传感器网络的开发经历了怎样的过程？

宫本：传感器网络成为关注焦点的契机是1998年～2001年开展的“SMART DUST”（智能微尘）计划。这是由美国国防部DARPA提供资金，以美国加州大学伯克利分校（University of California Berkeley）为中心开展的计划，其目的是开发使用MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技术的超小型无线传感器节点。就像“SMART DUST”的名称一样，其最终目的是使超小型传感器节点漂浮在空气中收集周围的环境信息，通过网络传输至远方。虽然还无法在空气中漂浮，但现在已经开发出了体积仅为10mm3左右的微小传感器节点样机。

之后，使用市售部件开发低成本普及型传感器节点的计划得到推进，美国Crossbow Technology投产的传感器网络平台“MICA MOTE”由此诞生。随着普及型传感器网络平台的问世，传感器网络的研究领域也开始向实际应用拓展，从中获得的反馈推动了传感器网络平台的进一步发展。

由于最初是DARPA的计划，因此在过去，掌握战场情况等军事色彩浓厚的应用为数较多，生态系统调查、工厂设备监控、人及物的跟踪、防灾等应用也在研究范围之内。

在日本国内，住友精密工业与Crossbow正在合作开发MOTE相关产品系统。在最初阶段，大学和研究机构的采用较多，这2～3年间，商店和工厂的实际采用也有所增加。用途包括管理超市生鲜柜温度的节能系统、用于办公室和工厂节能的能源监控等。传感器网络还被应用于工厂自动化设备的控制，可以通过减少布线削减变更设置、布局带来的施工成本。

在海外，上述应用开展广泛，由于宽阔的农场繁多，因此农场的环境监控采用了传感器网络。鉴于农业和室外需求较多，而且今后有望继续增加，Crossbow在去年上市了面向此类用途的传感器网络产品“eKo”。该产品在日本也已上市，得到了农业类大学和研究机构的采用。

“eKo”是配备防水机壳、干电池以及太阳能电池的传感器节点，电池寿命长达数年，减少了更换电池的麻烦。在加利福尼亚的葡萄园中，该产品在土壤湿度测量方面发挥了优化灌溉的作用，使降低成本和提高葡萄品质同时得到了实现。除此之外，石油精炼厂的设备监控也采用了该产品。在难以确保电源供应的室外，无需布线即可覆盖广大区域的传感器网络非常适用。该产品的无线通信标准采用IEEE802.15.4。

为何现在应用才开始拓展？

问：拓展传感器网络的应用为何到如今才开始得到拓展？Crossbow的系统在本世纪初就已经配备了能够借助微小内存容量运行的小型传感器OS“TinyOS”，基本技术已大致完善。

宫本：传感器网络应用开始得到开拓主要有3个理由：构成传感器节点的硬件的发展、无线通信标准的建立、研究和样机成果的积累。

首先是构成传感器节点的硬件的发展，如今，微控制器、无线IC和传感器的低成本化、低功耗化程度越来越高。在大量生产时，1个模块的成本甚至可以低于2000日元。由于利用传感器网络得到的效果因应用而异，因此，目标成本并不能统一决定，在大量应用之中，阻碍实用化的成本问题正逐一得到解决。通过降低功耗提高电池寿命的改进也在开展，在越来越多的情况下，电池寿命也和成本一样不再对实用化构成阻碍。

第二个是无线通信标准，随着ZigBee使用的物理层——IEEE802.15.4于2003年制定完成，以足够传输传感器数据的250kbps的速度低功耗、无照使用无线成为了可能。电波法的技术标准适用证明只需模块和传感器节点取得即可，使用者无需取得认证。

在此之前，传感器数据传输使用微弱无线和特定小功率无线，存在着数据传输速度不足、无线IC编程复杂等问题。

另外，由于IEEE802.15.4标准无线IC开始在各种产品中普及，因此，无线IC的成本还有望继续降低。随着协议上位端的ZigBee、WirelessHART、ISA-SP100等标准的制定，在执着于全球标准的企业应用中的采用也随之开始。

第三个理由——研究和样机成果的积累带动了实用化。比方说，工厂的设备异常监控需要通过监控振动，查出设备的异常征兆，从而预防故障，完成这一操作需要为观测到的现象与设备故障之间建立联系。在这种实用前需要时间验证的应用中，完成传感对象分析并且进入实用阶段的例子越来越多。

今后的课题是什么？

问：今后，进一步普及传感器网络还需要解决什么课题？

宫本：我认为普及有2个阶段，每个阶段有不同的课题。

首先，现在正在进行的有线系统无线化的课题是降低成本和确保可靠性。对于某些应用，成本和可靠性在目前都不构成问题，但是，为了拓展应用范围，今后仍需进行改进。

成本方面，我认为，随着传感器节点产量的增加，价格会逐渐下落，无线化应用将随之增加。

可靠性方面，有些人担心无线的可靠性不如有线。但有线同样存在可靠性问题，在使用中一般会配合故障安全措施。无线也是如此，只要配合故障安全措施就能够得到足够的可靠性。而且，在某些使用环境下，有线存在线缆腐蚀和损伤的问题，无线的可靠性较高。我认为，通过明确应用需要的可靠性、加入必要的故障安全机制，可靠性课题能够得到解决。

在下一阶段，我们的目标是创造出只有传感器网络才能实现的崭新应用。这需要继续实施技术开发，向实现节点超小型化、近乎无需电池的低功耗化等“SMART DUST”终极目标靠拢。而且，在这些技术开发中必须找到能够聚集人力和资金的应用。

上述应用需要相应领域的深厚知识，因此，单纯依靠传感器网络厂商无法顺利开展研究。随着人们对于传感器网络可能性认知的深化，我期待传感器网络厂商与在特定应用方面拥有深厚知识的厂商强强联手，推出新的应用。

系统构成要素与开发重点

问：请介绍一下传感器网络的构成要素。

宫本：大致可以分为包含传感器节点的传感器网络部分和进行传感器数据处理的网关客户端部分。在某些使用形态下还需要传感器节点的软件开发环境。

首先是传感器节点，使用频带和功率等无线部分的配置、环境耐受性能、能够使用的传感器、安装方法和电源种类由硬件部分决定。

软件中比较重要的是无线网络协议。网络形态由其决定，电池寿命也相应受到影响。网络形态包括只能够收集传感器数据向网关直接传输的星型、能够多重跳跃传输和中继的形态，以及由全部节点均可中继的网型、以部分可中继节点为中心形成的星型簇组合而成的混合星型。混合星型又可以分为能够跨簇改变中继对象的类型和不能的类型。由于可中继节点必须接收其他节点发送的数据，因此，与不进行中继单纯发送的节点相比，电池寿命明显偏短。在大多数传感器网络中，可中继节点的电池寿命极短，因而无法实现电池驱动。

接下来，传感器网络收集数据的处理方式由网关客户端部分决定。有些客户端准备了通用的传感器数据显示客户端软件，但基本来说，客户端软件需要按照应用专门准备，或是在转换数据格式后嵌入现有系统。

另外，使用自主传感器、在传感器节点内加入应用的固有处理时需要开发传感器节点软件。这时需要用到传感器节点的软件开发环境。能够在何种语言环境下开发？OS是什么？利用无线网络协议的API情况如何？这些对于提高开发效率非常重要。

把传感器节点与现有设备连接，像无线调制解调器那样使用时无需开发传感器节点软件，需要的是通过某一接口与作为无线调制解调器工作的传感器节点进行数据交换。对于RS232C等1对1通信形态的无线化，在直接无线发送UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）来源数据的“穿透”模式下也可以使用，如果是使用RS485的主从式通信这种1对N通信形态，那么就必须把无线网络内的发送对象告知无线调制解调器。

问：系统开发的重点是什么？另外，软件开发人员在编写源代码时需要注意哪些地方？

宫本：对于内存容量与处理速度等硬件资源有限的传感器节点，编程需要注意数据存储位置、读取写入时机的整体平衡。

以通过无线通信接收数据并且中继转发至其他节点为例，由于接收缓存有限，因此在写满前必须进行发送处理。但另一方面，从自身的传感器读取数据的处理也在进行，因此，如果二者不能均衡处理，数据就会丢失，降低整个网络的流量。

编程水平当然需要注意，在最初设计系统时，估算可行的数据传输率和节点数也非常重要。

而且，为了减轻传感器节点的负荷，把复杂处理留给服务器的方式同样有效。但是，作为系统架构，如果不能确定哪种格式的数据由哪层处理的策略，扩展性就会出现问题。

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