美航空航天局研制無線傳感器網絡

　　卡爾·馬克思說過，哲學家的工作不是以各種方式描述世界，而是改變世界。在過去的七年中，NASA的Kevin A. Delin就一直在思考傳感器網絡這個問題。

　

　NASA(美國航空航天局)噴氣推進實驗室的Delin發起并管理傳感器網計劃，這個實驗室位于加利福尼亞的Pasadena，在那里，八位工程師組成的團隊正致力于新一代無線傳感器網絡的開發。典型的無線傳感器網絡使用傳感器來檢測環境變化并把結果返回報告給外部控制系統，但傳感器網絡不同，它可以通過網絡共享數據，并使用嵌入式智能芯片來直接對檢測到的變化做出反應。

　

　目前為止傳感器網只是以監控角色進行部署，不過其技術的核心概念已被證明可靠。現在科研小組正在進行實驗，將傳感器網絡的功能從單純監控擴展到對周圍環境做出反應并進行控制。“當部署能夠自動改變環境條件的系統時，你必須加倍小心”Delin說，“但是技術已經成熟。”

　　 NASA對傳感器網的興趣源自他們本希望在行星上部署這樣一個網絡，而不是地球。2002-2003年冬天在南極洲進行的一次實驗中，科研人員把傳感器網部署在大于2平方公里的一塊區域上。這個網絡每五分鐘測量一次位于橫貫山脈，MacAlpine山地區的空氣溫度、濕度和土壤以及太陽光。那里刺骨的嚴寒，干燥的南極氣候和火星上的條件比較相似。

　　“火星上的傳感器網絡可以監測任何可能的生命，”Delin說，“在南極洲，微生物可以迅速繁殖然后轉入冬眠，這樣一個傳感器網絡就可以用來跟蹤它們的活動。”但是，NASA相信通過對監控區域的活動做出反應，傳感器網絡技術也可以極大的幫助美國政府增強國土安全。

　　 NASA/JPL(噴氣推進實驗室)傳感器網計劃始于1997年，當時Delin認為可以利用為通信和IT市場開發的現成技術來創造一個無線網絡，智能芯片嵌入在這個網絡中。從此以后，Delin的團隊就有機會在一系列現實環境條件下測試技術，包括位于加利福尼亞州圣馬力諾市的亨廷頓植物園，和位于亞利桑那州圖森市的一個水補給池。

　　 傳感器網絡的實施不僅給NASA帶來好處，也給提供測試條件的主人帶來利益。例如，亨廷頓植物園－在那里傳感器網測量光照等級，空氣溫度和濕度以及某些情況下的土壤溫度和水分－植物園員工發現，兩棵相同的植物需要澆不同的水，因為每棵植物周圍的土壤條件不同。

　　在圖森市西部的一個水補給池中，Delin團隊在一個傳感器網中部署了16個傳感器群，來測量水池表面水流的運動，也監視水滲入水底的運動。每個群中的傳感器測量周圍的空氣溫度，相對濕度和光照等級。另外，補給池內的傳感器群還配備有一個土壤溫度傳感器(在表層)和兩個土壤濕敏傳感器，一個剛好位于水平面以下，另一個位于半米的深處(1.5英尺)。這些土壤傳感器通過長導線與傳感器群相連，這樣這些群就可以在水面以上并無線通訊。

　　在亞利桑那州圖森市西部的一個水補給池，NASA傳感器網團隊成員Dave Johnson 和 Kevin Delin正在準備一個傳感器群的地面部署。

　　由于傳感器網絡的部署，NASA此計劃的合作者－亞利桑那大學和圖森供水(城市的供水部門)－現在已經有辦法監控位于城市20英里以外的水補給池。并且NASA也有辦法測試傳感器網檢測環境變化的能力－比如流入和流出水池的水－這種變化的發生速率是可預測和可測量的。傳感器網絡的測量結果也被用作與軌道衛星傳回來的數據進行核對。(為了檢驗衛星觀測的正確性，NASA對陸地的物體進行地面測量，同時進行衛星測量，二者的數據相比較。)

　　在部署每個傳感器網時，Delin團隊安裝12到30個網絡群，也被稱作節點。每個群包括一個連接到傳感器的微處理器或微控制器，這取決于實際應用；無線網絡技術；以及網絡操作軟件(由傳感器網絡計劃開發),能夠保證每個群可以在幾百米的傳輸范圍內，自動的與其他任何一個群進行通訊。傳感器群外面包有保護殼，由充電電池供電(就像無線電話中使用的電池)，可以持續的通過太陽能電池板充電。

　　傳感器網是一個分布式網絡，這就意味著每個群收集到的信息和數據在網絡中共享，其他的群也可以使用。不同的應用場合有不同的具體要求，比如采集什么樣的數據，記錄數據和共享數據的頻率是多少。在部署每個群之前，都要加載操作軟件和每個群唯一的ID。這個網絡的目標就算是在一系列的環境中和大范圍的區域內，提供一個遍布的，連續的，嵌入式監控現場。

　　傳感器群之間的通訊使用標準的無線電元件。它們工作在900MHZ,每個群的廣播范圍可以達到幾百米，以此通過網絡來發布數據。如何發布和何時發布，這取決于實際應用的參數；例如，我們可以設定一個群每五分鐘收集和傳輸一次數據。另外，特定的入口群可以通過因特網連接讓終端用戶訪問現場，這樣通過利用因特網把數據傳輸到計算機或工程師那里，可以在遠離現場的地方監控傳感器網。我們也可以通過這種連接來控制和調整一個傳感器網絡。

　　但是部署一個傳感器網的目的不僅僅是采集數據，并把數據傳輸給操作人員，然后操作人員根據信息做出反應。其最終目標是對采集的數據進行分析并相應的做出響應。網絡操作系統中嵌入的智能芯片就是要在不與任何終端用戶或控制系統通信的情況下，自己進行操作。

　　“傳感器網的原理不只是把數據傳輸給終端用戶－傳感器網絡外部的一臺計算機或一個工程師，”Delin說。“不像典型的無線傳感器網絡，在傳感器網中，每個群與網絡中的所有其他群共享所有的數據。如果網絡檢測到一切正常，它會繼續監視。然而，如果需要采取行動，傳感器網會自己發出指令。網絡操作系統可以控制網絡對某些活動做出響應，但是其基本目的還是監視網絡。” 例如，在亨廷頓植物園，如果傳感器網檢測到土壤干燥，它會自動打開噴水裝置。如果傳感器群安裝有測量氣壓的傳感器，那么傳感器網會分析光照和氣壓等級，來預測是否即將下雨，這樣就可能不必使用噴水裝置。

　　 根據NASA/JPL，傳感器網的設計可以把對許多環境的監控和控制擴展到許多領域，包括農業和生態學，安全和國土防御，也包括太空探索。

　　 例如，Delin說，一個傳感器網可以與火警噴水網絡的控制系統連接。如果一個傳感器群檢測到過熱或煙塵或兩者都有，它可以自動與網絡中的其他群通訊并確定這是否是一個真實事件并相應做出反應。通過確定傳感器群周圍的溫度和煙塵，傳感器網可以精確查出火源在哪里，在需要噴水的區域打開噴水裝置，并確定安全逃離通道。

　　Delin相信通過在傳感器群中加入識讀器，來檢測和識別它們廣播范圍內或領域內的標簽，RFID可以給傳感器網帶更多的功能。比如，在一座建筑的周圍安裝傳感器，裝備有主動RFID標簽的消防員就可以在合適的距離以外與之進行通訊。一個傳感器網可以很快的部署完，因為每個傳感器群已經編好程序，能夠根據網絡操作系統設定的參數，立刻檢測哪些其他的群在它們的鄰域內并與它們傳輸和接收數據。“消防員可以通過傳感器網來確定它們在建筑中的什么位置，”Delin說。

　　網絡中的每個群通過一種分布式的結構來共享所有數據，因此即使有一個群出現故障，傳感器網也可以正常工作。傳感器群可以覆蓋信號很難傳播的地方，比如建筑物或其他含有大量金屬和液體的結構。因為傳感器群是以一種網狀結構進行部署的，所以一個群一般能對四個或更多的群進行廣播。這意味著如果兩個群之間的連接被一種金屬結構堵塞，數據仍可以通過其他的群進行傳輸，從而繞過障礙物。

　　因為傳感器群能夠相隔很遠的距離自動通訊，Delin認為建立一個傳感器網需要的時間主要由以下因素限制，到達每個傳感器群地點的時間，以及記錄群的地理位置的時間，這樣我們以后才能找到它們。雖然傳感器群可以安裝GPS接收器來確定位置，但是Delin仍然堅持認為一個GPS接收器的成本和功率需求使它成為一個不太明智的選擇。

　　傳感器網也可以給制造商帶來利益。在一個工業環境中，傳感器網與控制生產過程的軟件相連接，例如，傳感器網可以跟蹤安裝有RFID標簽的產品零件，并利用和共享得到的信息，來保證自動化工序與整個制造工序保持同步。“如果某個零件生產的太多，”Delin說，“傳感器網可以自動減緩制造過程來與其他部分的制造過程相匹配。”

　　傳統的制造業控制系統中的信息存儲在遠離車間的服務器上，部署一個傳感器網和部署一個傳統控制系統的不同在于成本和部署的速度。“有線控制系統每部署一英尺要花費200美元，”Delin說。“由于傳感器網的無線能力，這些成本可以避免，另外它還有很強的適應性，可以根據產品設計的改變自動重新配置。”

　　 RFID也可以安裝在傳感器網絡中。裝備有RFID標簽的傳感器群可以安裝在移動設備上比如一臺叉車，這樣目標物體就可以由傳感器網所監控，而且成本不高。

　　自從一開始，Delin就要求利用商業可用的計算硬件和傳感器硬件來構造傳感器網絡，因為這些設備成本越來越低，市場資源越來越廣闊。“我們使用非定制硬件，但是我們自己開發軟件和包裝[RFID射頻快報注：指傳感器群外包裝]，”Dilin說。“電信和計算市場的飛速發展使微控制器－為處理有限或特定數據開發和設計的微小處理芯片－和其他元件每隔18個月就更加便宜，更加強大。大的芯片制造商很容易突破摩爾定律(摩爾定律指集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。摩爾定律是由英特爾名譽董事長戈登·摩爾經過長期觀察發現得之)。”一個傳感器網的成本取決于所用的傳感器，但是Delin說其成本可以低到“每個幾十美元。”

　　現在RFID已經進入Delin的視野。“隨著RFID技術變得越來越普及，”Delin說，“它將會成為傳感器網的一部分。”

　　 雖然傳感器網仍處于它的幼兒期，但是Delin相信利用這樣一個網絡來幫助控制環境和工業過程的潛力非常大。“現在的傳感器網絡就像PC 在‘81’年或‘82’年時的水平，”Delin說。“雖然它們現在只能夠執行相對簡單的任務，但是開發潛力是巨大的。因此，我們應該問的是，五年之內什么地方不會部署它們，而不是問，什么地方將將要部署它們。”