傳感器網絡實現低成本化及標準化 逐漸進入實用階段
http://www.debgrams.com 2009-08-26 15:24
最近，利用無線網絡連接傳感器并收集數據的傳感器網絡開始從研究階段進入了實用階段。傳感器網絡得到了哪些應用？為何在最近才開始得到應用？實際參與開發的住友精密工業傳感器網絡事業室宮本哲（技術部門主任）就今后的課題接受了記者采訪。
問：利用無線的傳感器網絡的開發經歷了怎樣的過程？
宮本：傳感器網絡成為關注焦點的契機是1998年～2001年開展的“SMART DUST”（智能微塵）計劃。這是由美國國防部DARPA提供資金，以美國加州大學伯克利分校（University of California Berkeley）為中心開展的計劃，其目的是開發使用MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術的超小型無線傳感器節點。就像“SMART DUST”的名稱一樣，其最終目的是使超小型傳感器節點漂浮在空氣中收集周圍的環境信息，通過網絡傳輸至遠方。雖然還無法在空氣中漂浮，但現在已經開發出了體積僅為10mm3左右的微小傳感器節點樣機。
之后，使用市售部件開發低成本普及型傳感器節點的計劃得到推進，美國Crossbow Technology投產的傳感器網絡平臺“MICA MOTE”由此誕生。隨著普及型傳感器網絡平臺的問世，傳感器網絡的研究領域也開始向實際應用拓展，從中獲得的反饋推動了傳感器網絡平臺的進一步發展。
由于最初是DARPA的計劃，因此在過去，掌握戰場情況等軍事色彩濃厚的應用為數較多，生態系統調查、工廠設備監控、人及物的跟蹤、防災等應用也在研究范圍之內。
在日本國內，住友精密工業與Crossbow正在合作開發MOTE相關產品系統。在最初階段，大學和研究機構的采用較多，這2～3年間，商店和工廠的實際采用也有所增加。用途包括管理超市生鮮柜溫度的節能系統、用于辦公室和工廠節能的能源監控等。傳感器網絡還被應用于工廠自動化設備的控制，可以通過減少布線削減變更設置、布局帶來的施工成本。
在海外，上述應用開展廣泛，由于寬闊的農場繁多，因此農場的環境監控采用了傳感器網絡。鑒于農業和室外需求較多，而且今后有望繼續增加，Crossbow在去年上市了面向此類用途的傳感器網絡產品“eKo”。該產品在日本也已上市，得到了農業類大學和研究機構的采用。
“eKo”是配備防水機殼、干電池以及太陽能電池的傳感器節點，電池壽命長達數年，減少了更換電池的麻煩。在加利福尼亞的葡萄園中，該產品在土壤濕度測量方面發揮了優化灌溉的作用，使降低成本和提高葡萄品質同時得到了實現。除此之外，石油精煉廠的設備監控也采用了該產品。在難以確保電源供應的室外，無需布線即可覆蓋廣大區域的傳感器網絡非常適用。該產品的無線通信標準采用IEEE802.15.4。
為何現在應用才開始拓展？
問：拓展傳感器網絡的應用為何到如今才開始得到拓展？Crossbow的系統在本世紀初就已經配備了能夠借助微小內存容量運行的小型傳感器OS“TinyOS”，基本技術已大致完善。
宮本：傳感器網絡應用開始得到開拓主要有3個理由：構成傳感器節點的硬件的發展、無線通信標準的建立、研究和樣機成果的積累。
首先是構成傳感器節點的硬件的發展，如今，微控制器、無線IC和傳感器的低成本化、低功耗化程度越來越高。在大量生產時，1個模塊的成本甚至可以低于2000日元。由于利用傳感器網絡得到的效果因應用而異，因此，目標成本并不能統一決定，在大量應用之中，阻礙實用化的成本問題正逐一得到解決。通過降低功耗提高電池壽命的改進也在開展，在越來越多的情況下，電池壽命也和成本一樣不再對實用化構成阻礙。
第二個是無線通信標準，隨著ZigBee使用的物理層——IEEE802.15.4于2003年制定完成，以足夠傳輸傳感器數據的250kbps的速度低功耗、無照使用無線成為了可能。電波法的技術標準適用證明只需模塊和傳感器節點取得即可，使用者無需取得認證。
在此之前，傳感器數據傳輸使用微弱無線和特定小功率無線，存在著數據傳輸速度不足、無線IC編程復雜等問題。
另外，由于IEEE802.15.4標準無線IC開始在各種產品中普及，因此，無線IC的成本還有望繼續降低。隨著協議上位端的ZigBee、WirelessHART、ISA-SP100等標準的制定，在執著于全球標準的企業應用中的采用也隨之開始。
第三個理由——研究和樣機成果的積累帶動了實用化。比方說，工廠的設備異常監控需要通過監控振動，查出設備的異常征兆，從而預防故障，完成這一操作需要為觀測到的現象與設備故障之間建立聯系。在這種實用前需要時間驗證的應用中，完成傳感對象分析并且進入實用階段的例子越來越多。
今后的課題是什么？
問：今后，進一步普及傳感器網絡還需要解決什么課題？
宮本：我認為普及有2個階段，每個階段有不同的課題。
首先，現在正在進行的有線系統無線化的課題是降低成本和確保可靠性。對于某些應用，成本和可靠性在目前都不構成問題，但是，為了拓展應用范圍，今后仍需進行改進。
成本方面，我認為，隨著傳感器節點產量的增加，價格會逐漸下落，無線化應用將隨之增加。
可靠性方面，有些人擔心無線的可靠性不如有線。但有線同樣存在可靠性問題，在使用中一般會配合故障安全措施。無線也是如此，只要配合故障安全措施就能夠得到足夠的可靠性。而且，在某些使用環境下，有線存在線纜腐蝕和損傷的問題，無線的可靠性較高。我認為，通過明確應用需要的可靠性、加入必要的故障安全機制，可靠性課題能夠得到解決。
在下一階段，我們的目標是創造出只有傳感器網絡才能實現的嶄新應用。這需要繼續實施技術開發，向實現節點超小型化、近乎無需電池的低功耗化等“SMART DUST”終極目標靠攏。而且，在這些技術開發中必須找到能夠聚集人力和資金的應用。
上述應用需要相應領域的深厚知識，因此，單純依靠傳感器網絡廠商無法順利開展研究。隨著人們對于傳感器網絡可能性認知的深化，我期待傳感器網絡廠商與在特定應用方面擁有深厚知識的廠商強強聯手，推出新的應用。
系統構成要素與開發重點
問：請介紹一下傳感器網絡的構成要素。
宮本：大致可以分為包含傳感器節點的傳感器網絡部分和進行傳感器數據處理的網關客戶端部分。在某些使用形態下還需要傳感器節點的軟件開發環境。
首先是傳感器節點，使用頻帶和功率等無線部分的配置、環境耐受性能、能夠使用的傳感器、安裝方法和電源種類由硬件部分決定。
軟件中比較重要的是無線網絡協議。網絡形態由其決定，電池壽命也相應受到影響。網絡形態包括只能夠收集傳感器數據向網關直接傳輸的星型、能夠多重跳躍傳輸和中繼的形態，以及由全部節點均可中繼的網型、以部分可中繼節點為中心形成的星型簇組合而成的混合星型。混合星型又可以分為能夠跨簇改變中繼對象的類型和不能的類型。由于可中繼節點必須接收其他節點發送的數據，因此，與不進行中繼單純發送的節點相比，電池壽命明顯偏短。在大多數傳感器網絡中，可中繼節點的電池壽命極短，因而無法實現電池驅動。
接下來，傳感器網絡收集數據的處理方式由網關客戶端部分決定。有些客戶端準備了通用的傳感器數據顯示客戶端軟件，但基本來說，客戶端軟件需要按照應用專門準備，或是在轉換數據格式后嵌入現有系統。
另外，使用自主傳感器、在傳感器節點內加入應用的固有處理時需要開發傳感器節點軟件。這時需要用到傳感器節點的軟件開發環境。能夠在何種語言環境下開發？OS是什么？利用無線網絡協議的API情況如何？這些對于提高開發效率非常重要。
把傳感器節點與現有設備連接，像無線調制解調器那樣使用時無需開發傳感器節點軟件，需要的是通過某一接口與作為無線調制解調器工作的傳感器節點進行數據交換。對于RS232C等1對1通信形態的無線化，在直接無線發送UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）來源數據的“穿透”模式下也可以使用，如果是使用RS485的主從式通信這種1對N通信形態，那么就必須把無線網絡內的發送對象告知無線調制解調器。
問：系統開發的重點是什么？另外，軟件開發人員在編寫源代碼時需要注意哪些地方？
宮本：對于內存容量與處理速度等硬件資源有限的傳感器節點，編程需要注意數據存儲位置、讀取寫入時機的整體平衡。
以通過無線通信接收數據并且中繼轉發至其他節點為例，由于接收緩存有限，因此在寫滿前必須進行發送處理。但另一方面，從自身的傳感器讀取數據的處理也在進行，因此，如果二者不能均衡處理，數據就會丟失，降低整個網絡的流量。
編程水平當然需要注意，在最初設計系統時，估算可行的數據傳輸率和節點數也非常重要。
而且，為了減輕傳感器節點的負荷，把復雜處理留給服務器的方式同樣有效。但是，作為系統架構，如果不能確定哪種格式的數據由哪層處理的策略，擴展性就會出現問題。
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