无线传感器网络应用实例荟萃

无线传感器网络应用实例荟萃无线传感器网络应用实例荟萃 陈建峰 西安成峰科技有限公司 西安市高新一路 16 号创业大厦 B 座 706 室 电话 8825 7625 无线传感器网络具有可快速部署 可自组织 隐蔽 性强和高容错性的特点 因此非常适合在军事上应用 利用无线传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监 控 战场的实时监视 目标的定位 战场评估 核攻击 和生物化学攻击的监测和搜索等功能 目前国际许多机 构的课题都是以战场需求为背景展开的 例如 美军开 展的如 C4KISR 计划 Smart SensorWeb 灵巧传感器 网络通信 无人值守地面传感器群 传感器组网系统 网状传感器系统 CEC 等等 在军事领域应用方面 该项技术的远景目标是 利 用飞机或火炮等发射装置 将大量廉价传感器节点按照 一定的密度布放在待测区域内 对周边的各种参数 如 温度 湿度 声音 磁场 红外线等各种信息进行采 集 然后由传感器自身构建的网络 通过网关 互联 网 卫星等信道 传回信息中心 该技术可用于敌我军情监控 在友军人员 装备及 军火上加装传感器节点以供识别 随时掌控自己情况 通过在敌方阵地部署各种传感器 做到知己知彼 先发 制人 另外 该项技术可用于智慧型武器的引导器 与 雷达 卫星等相互配合 利用自身接近环境的特点 可 避免盲区 使武器的使用效果大幅度提升 在现阶段软件 硬件 通信 传感器等技术的基础 上 以下系统已得到成功的应用 实例 2005 年 美国军方成功测试了由美国 Crossbow 产 品组建的枪声定位系统 如图 1 所示 节点被安置在建 筑物周围 能够有效地按照一定的程序组建成网络进行 突发事件 如枪声 爆炸源等 的检测 为救护 反恐提 供有力手段 实例 美国科学应用国际公司采用无线传感器网络 构 筑了一个电子周边防御系统 为美国军方提供军事防御 和情报信息 在这个系统中 采用多枚微型磁力计传感 器节点来探测某人是否携带枪支 以及是否有车辆驶 来 同时 利用声传感器 该系统还可以监视车辆或者 移动人群 1 军事领域 1 图 1 狙击手定位系统 上图 检测区域俯瞰图 下图 模型图 红色为狙击手的位置 绿色为节点位置 2 农业领域 我国是农业大国 农作物的优质高产对国家的经济 发展意义重大 在这些方面 无线传感器网络有着卓越 的技术优势 它可用于监视农作物灌溉情况 土壤空气 变更 牲畜和家禽的环境状况以及大面积的地表检测 如图 2 所示 一个典型的系统通常由环境监测节点 基 站 通信系统 互联网以及监控软硬件系统构成 如图 所示 根据需要 人们可以在待测区域安放不同功能的 传感器并组成网络 长期大面积地监测微小的气候变 化 包括温度 湿度 风力 大气 降雨量 收集有关 土地的湿度 氮浓缩量和土壤 PH 值等 从而进行科学预 测 帮助农民抗灾 减灾 科学种植 获得较高的农作 物产量 在 九五 计划中 工厂高效农业工程 已 经把智能传感器和传感器网络化的研制列为国家重点项 目 以下介绍几种国内外在这个领域所作的一些尝试 图 2 农业生态环境监测实例结构图 实例 2002 年 英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上 第一个无线葡萄园 传感器节点被分布在葡萄园的每个 角落 每隔一分钟检测一次土壤温度 湿度或该区域有 害物的数量 以确保葡萄可以健康生长 研究人员发 现 葡萄园气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的质 量 通过长年的数据记录以及相关分析 便能精确的掌 握葡萄酒的质地与葡萄生长过程中的日照 温度 湿度 的确切关系 这是一个典型的精准农业 智能耕种的实 例 见图 3 图 3 葡萄园环境监测系统示意图 实例 北京市科委计划项目 蔬菜生产智能网络传感器 体系研究与应用 正式把农用无线传感器网络示范应用 于温室蔬菜生产中 在温室环境里单个温室即可成为无 线传感器网络的一个测量控制区 采用不同的传感器节 点构成无线网络来测量土壤湿度 土壤成分 pH 值 降 水量 温度 空气湿度和气压 光照强度 CO2 浓度等 来获得农作物生长的最佳条件 为温室精准调控提供科 学依据 最终使温室中传感器 执行机构标准化 数字 化 网络化 从而达到增加作物产量 提高经济效益的 目的 图 4 多温室间无线传感器网络通信的示意图 无线传感器网络的通信便利 部署方便的优点 使 其在节水灌溉的控制中得以应用 同时 节点还具有土 壤参数 气象参数的测量能力 再与互联网 GPS 技术结 合 可以比较方便地实现灌区动态管理 作物需水信息 采集与精量控制专家系统的构建 并可进而实现高效 低能耗 低投入 多功能的农业节水灌溉平台 可在温 室 庭院花园绿地 高速路隔离带 农田井用灌溉区等 区域 实现农业与生态节水技术的定量化 规范化 模 式化 集成化 促进节水工业的快速和健康发展 实例 Digital Sun 公司发展的自动洒水系统 S Sense WirelessSensor 目前受到国际上多家媒体的报道 它使 用无线传感器感应土壤的水分 并在必要时与接收器通 信 控制灌溉系统的阀门打开 关闭 从而达到自动 节 水灌溉的目的 图 5 Digital Sun 公司自动洒水系统的原理模型 西北农林科技大学的教授认为 无线传感器网络的 诸多优势 特别适用于以下方面的生产和科学研究 例 如 大棚种植室内及土壤的温度 湿度 光照监测 珍 贵经济作物生长规律分析与测量 葡萄优质育种和生产 等 可为许多杨凌示范区内农村发展与农民增收项目带 来高科技的辅助手段 此外 该项技术还为贵重药材生 长条件检测与模拟 果园 高经济价值作物的生长条件 分析与人工干预 林业防火防盗等提供有力手段 例如 陕西秦巴山区的许多珍贵药材的生长规律 可以通过该项技术得到精确测量 通过无线信道 卫星 或互联网传输到控制中心 从而可以精确掌握这类药材 的生长周期 水分 湿度 光照 雨水等资料 根据分 析结果 农业人员就可以在人造环境下进行逼真地模 拟 有望提高产量 改善稀有药材紧缺的现状 采用无线传感器网络建设农业环境自动监测系统 用同一套网络设别完成风 光 水 电 热和农药等的 数据采集和环境控制 可有效提高农业集约化生产程 度 简化系统复杂性 降低设备成本 我国幅员辽阔 物种众多 环境和生态问题严峻 无线传感器网络可以广泛地应用于生态环境监测 生物 种群研究 气象和地理研究 洪水 火灾检测 以下列 出一些常见的应用领域 可通过跟踪珍稀鸟类 动物和昆虫的栖息 觅食习 惯等进行濒临种群的研究等 可在河流沿线分区域布设传感器节点 随时监测水 位及相关水资源被污染的信息 在山区中泥石流 滑坡等自然灾害容易发生的地方 布设节点 可提前发出预警 以便做好准备 采取 相应措施 防止进一步的恶性事故的发生 可在重点保护林区铺设大量节点随时监控内部火险 情况 一旦有危险 可立刻发出警报 并给出具体 方位及当前火势大小 布放在地震 水灾 强热带风暴灾害地区 边远或 偏僻野外地区 用于紧急和临时场合应急通信 图 6 大鸭岛生态环境监测系统 实例 2002 年 由英特尔的研究小组和加州大学伯克利 分校以及巴港大西洋大学的科学家把无线传感器网络技 术应用于监视大鸭岛海鸟的栖息情况 位于缅因州海岸 大鸭岛上的海燕由于环境恶劣 海燕又十分机警 研究 人员无法采用通常方法进行跟踪观察 为此他们使用了 包括光 湿度 气压计 红外传感器 摄像头在内的近 10 种传感器类型数百个节点 系统通过自组织无线网 络 将数据传输到 300 英尺外的基站计算机内 再由此 经卫星传输至加州的服务器 在那之后 全球的研究人 员都可以通过互联网察看该地区各个节点的数据 掌握 第一手的环境资料 为生态环境研究者提供了一个极为 有效便利的平台 实例 2005 年 澳洲的科学家利用无线传感器网络来探 测北澳大利亚蟾蜍的分布情况 由于蟾蜍的叫声响亮而 独特 因此利用声音作为检测特征非常有效 科研人员 将采集到的信号在节点上就地处理 然后将处理后的少 量结果数据发回给控制中心 通过处理 就可以大致了 解蟾蜍的分布 栖息情况 3 环保监测 图 7 北澳大利亚的蟾蜍的分布情况 实例 夏威夷大学在夏威夷火山国家公园内铺设传感器 网络 以监测那些濒临灭种的植物所在地的微小气候变 化 实例 美国俄勒冈洲研究生院在哥伦比亚河设置了 13 个 站来监测每个站所在区域的流速 盐度 温度及水位 实例 美国 ALERT 系统中利用多种传感器来监测降雨 量 河位水位和土壤水分 并依此预测爆发山洪暴发的 可能性 实例 澳洲的 CSRIOICT 研究中心将节点安置在动物身 上对动物的生理状况 脉搏 血压 和外界环境进行检 测 研制成完善的草地放牧与动物模型 实例 上海交通大学自动化系基于气体污染源浓度衰减 模型 开展了气体源预估定位系统 同样 该项技术也 可推广到放射性元素 化学元素等的跟踪定位中 研究人员认为 我国有许多优秀的自然风景区 由 于地形复杂 面积庞大 对整个景区的管理或进行搜救 工作带来极大困难 如果将传感器网络节点广泛铺设于 景区 而且进入景区的每个游人配备一个有源节点 这 样既方便管理 也可以在游客出现问题时尽快发现位置 并及时解决 为提高服务质量 保障人员安全带来双赢 的效果 我国正处在基础设施建设的高峰期 各类大型工程 的安全施工及监控是建筑设计单位长期关注的问题 如 已经建成的三峡工程 正在建设的苏通大桥 渤海海域 的大量的海洋平台和海底管线 2008 年的奥运场馆等 采用无线传感器网络 可以让大楼 桥梁和其它建筑物 能够自身感觉并意识到它们的状况 使得安装了传感器 网络的智能建筑自动告诉管理部门它们的状态信息 从 而可以让管理部门按照优先级进行定期的维修工作 实例 利用适当的传感器 例如压电传感器 加速度传 感器 超声传感器 湿度传感器等 可以有效地构建一 个三维立体的防护检测网络 参见图 8 该系统可用于监 测桥梁 高架桥 高速公路等道路环境 对许多老旧的 桥梁 桥墩长期受到水流的冲刷 传感器能夠放置在桥 墩底部 用以感测桥墩结构 也可放置在桥梁两侧或底 部 搜集桥梁的温度 湿度 震动幅度 桥墩被侵蚀程 度等 能減少断桥所造成生命财产的损失 图 8 基于无线传感器网络的桥梁结构监测系统示意图 图 9 利用无线传感器网络进行水土保持研究 实例 2003 年 哈工大欧进萍院士的课题组开发了一种 用于海洋平台和其他土木工程结构健康监测的无线传感 器网络 利用多种智能传感器 如光纤光栅传感器 纤 维增强聚合物 光纤光栅筋及其应变传感器 压电薄膜传 感器 形状记忆合金传感器 疲劳寿命丝传感器 加速 度传感器等进行建筑结构的监测 4 建筑领域 实例 2004 年 哈工大欧进萍院士的课题组应用无线传 感器网络 针对超高层建筑的动态测试开发了一种新型 系统 并应用到深圳地王大厦的环境噪声和加速度响应 测试 地王大厦高 81 层 桅杆总高 384 米 在现场测试 中 将无线传感器沿大厦竖向布置在结构的外表面 系 统成功测得了环境噪声沿建筑高度的分布以及结构的风 致震动加速度响应 实例 对珍贵的古老建筑进行保护 是文物保护单位长 期以来的一个工作重点 将具有温度 湿度 压力 加 速度 光照等传感器的节点布放在重点保护对象当中 无需拉线钻孔 便可有效地对建筑物进行长期的监测 参 见附图 11 此外 对于珍贵文物而言 在保存地点的墙 角 天花板等位置 监测环境的温度 湿度是否超过安 全值 可以更妥善地保护展览品的品质 图 10 将无线传感器网络应用在珍贵文物的保护场地 实例 美国最大的工程建筑公司贝克特营建集团公司已 在伦敦地铁系统中采用了无线传感器 并希望能进一步 应用于智能建筑 国防建设和化学工厂等方面 公司基 础设施建筑经理佛瑞德 威特林表示 这些应用还仅 仅是起步阶段 未来的应用预计将更加深入和广泛 实例 日本科技巨头富士通公司于 2004 年 12 月宣布 公司与美国施乐公司下属的帕洛阿尔托研究中心签署了 一份研究协议 研究如何在建筑物上安装联网的地震传 感器 为处于地震带的民居提供更好的监测预警机制 此外 无线传感器网络在大型工程项目 防范大型 灾害方面也有着良好的应用前景 以我国西气东输及输 油管道的建设为例 由于这些管道在很多地方都要穿越 大片无人烟的地区 这些地方的管道监控一直都是难 题 如果传感器网络技术成熟 仅西气东输这样的一个 工程就可能节省上亿元的资金 无线传感器网络在检测人体生理数据 老年人健康 状况 医院药品管理以及远程医疗等方面可以发挥出色 的作用 在病人身上安置体温采集 呼吸 血压等测量 传感器 医生可以远程了解病人的情况 利用传感器网 络长时间地收集人的生理数据 这些数据在研制新药品 的过程中非常有用 美国英特尔公司目前正在研制家庭护理的无线传感 器网络系统 该系统是美国 应对老龄化社会技术项 目 的一个环节 根据演示 该系统在鞋 家具 以及 家用电器等嵌入传感器 帮助老年人及患者 残障人士 独立地进行家庭生活 并在必要时由医务人员 社会工 作者进行帮助 实例 研究人员开发出基于多个加速度传感器的无线传 感器网络系统 用于进行人体行为模式监测 如坐 站 躺 行走 跌倒 爬行等 参见图 11 该系统使用 多个传感器节点 安装在人体几个特征部位 系统实时 地把人体因行动而产生的三维加速度信息进行提取 融 合 分类 进而由监控界面显示受检测人的行为模式 这个系统稍加产品化 便可成为一些老人及行动不便的 病人的安全助手 同时 该系统也可以应用到一些残障 人士的康复中心 对病人的各类肢体恢复进展进行精确 测量 从而为设计复健方案带来宝贵的参考依据 图 11 基于无线传感器网络技术的人体行为监测系统 实例 研究人员可以利用无线传感器网络来实现远程医 疗监视 在一个公寓内 17 个传感器节点分布在各个方 间 包括卫生间 每个传感器节点上包括了温度 湿 度 光 红外传感器及声音传感器 部分节点使用了超 声节点 根据这些节点收集到信息 监控界面实时显示 人员的活动情况 根据多传感器的信息融合 可以相当 精确地判断出被检测人正在进行的行为 例如 做饭 睡觉 看电视 淋浴等等 从而可以对老年人健康状 况 如老年痴呆症等进行精确检测 因为系统不使用摄 像机 比较容易得到病人及其家属的接受 5 医疗监护 图 12 公寓内无线传感器节点的分布图 图 13 浴室中的节点分布图 图 14 基于无线传感器网络的监控平台 用于进行老年 痴呆症患者卫生间活动监测 监控界面平台显示老人进 出卫生间的时间及活动内容 6 1 工业安全 英国石油公司总裁卡萨尔称 传感器网络可用于危 险工作环境 在煤矿 石油钻井 核电厂和组装线工作 的员工将可以得到随时监控 这些传感器网络可以告诉 工作现场有哪些员工 他们在做什么 以及他们的安全 保障等重要信息 在相关的工厂每个排放口安装相应的 无线节点 完成对工厂废水 废气污染元的监测 样本 的采集 分析和流量测定 无线传感器网络技术几乎 在我们的各项业务中都将得到了应用 我们不会仅停留 在几十只或几百只的使用规模 最终 这个数字将会数 以万计 煤矿 石化 冶金行业对工作人员安全 易燃 易 爆 有毒物质的监测的成本一直居高不下 无线传感器 网络把部分操作人员从高危环境中解脱出来的同时 提 高险情的反应精度和速度 我国大型煤矿六百多家 中型煤矿两千多家 中小 型煤矿一万余家 煤炭行业对先进的井下安全生产保障 系统的需求巨大 陕西彬长矿区的孙斌建高工认为 无 线传感器网络对运动目标的跟踪功能 对周边环境的多 传感器融合监测功能 使其在井下安全生产的诸多环节 有着很大的发展空间 实例 北京邮电大学的研究人员开展了煤矿瓦斯报警和 矿工定位无线传感器网络系统的研究 一个节点上包括 了温湿度传感器 瓦斯传感器 粉尘传感器等 传感器 网络经防爆处理和技术优化后 可用于危险工作环境 在煤矿工作的员工及其周围环境将可以得到随时监控 图 15 煤矿安全检测与定位系统 北京邮电大学 实例 成峰公司正在与陕西天和集团共同研发矿工井下 区段定位系统 其结构框图如图 16 所示 各个工作地点 放置一定数量的传感器节点 通过接收矿工随身携带的 节点所发射的具有唯一识别码的无线信号进行人员定 位 同时各个传感器节点还可以进行温度 湿度 光 声音 风速等参量的实时检测 并将结果传输至基站 进而传至管理中心 6 工业领域 图 16 煤矿安全环境监测无线传感器网络的基本结构 6 2 先进制造 随着制造业技术的发展 各类生产设备越来越复杂 精密 现在工作人员从生产流水线到复杂机器设备 都 尝试着安装相应的传感器节点 以便时刻掌握设备的工 作健康状况 及早发现问题及早处理 从而有效地减少 损失 降低事故发生率 实例 电子科技大学 中国空气动力研究与发展中心以 及北京航天指挥控制中心的研究人员 利用无线传感器 网络进行大型风洞测控环境的监测 对旋转机构 气源 系统 风洞运行系统 以及其他没有基础设施而有线传 感器系统安装又不方便或不安全的应用环境进行全方位 检测 实例 美国英特尔公司为俄勒冈的一家芯片制造厂安装 了 200 台无线传感器 用来监控部分工厂设备的振动情 况 并在测量结果超出规定时提供监测报告 英特尔研 究中心的主管助理汉斯 穆德尔说 这项计划目前虽然 只涵盖了工厂 4000 种可测部件中的少数部件 但是效果 却非常显著 如今 研究人员再也不需要每隔两三个月 就到每台机器处来回巡视了 我国高科技企业林立 在诸如集成电路芯片生产 大型精密设备状态监测等方面有着巨大的技术需求和市 场 无线传感器网络技术在这些领域将大有作为 6 3 交通控制管理 实例 1995 年美国交通部提出了 国家职能交通系统项 目规划 预计到 2025 年全面投入使用 该系统综合运 用大量传感器网络 配合 GPS 系统 区域网络系统等资 源 目的是使所有车辆都能保持在高效 低耗的最佳运 行状态 前后自动保持车距 推荐最佳路线 并就潜在 的故障发出警告 目前在美国的宾夕法尼亚州的匹兹堡 市就已经建有这样的交通信息系统 并由电台媒体附带 产生了一定的商业价值 实例 武汉理工大学开展了无线传感器网络在火车车厢 环境中的测控应用 对车厢内的空气质量 安全隐患等 等进行全程检测 实例 中科院沈阳自动化所开展了基于无线传感器网络 的高速公路交通监控系统的研究 利用该项技术来弥补 传统设备 如图像监视系统 在能见度低 路面结冰等 情况下 无法对高速路段进行有效监控的问题 也可克 服因为关闭高速路而产生的影响交通 延误商机以及阻 碍人们出行等负面因素 另外 对一些天气突变性强的 地区 该项技术能极大地帮助降低汽车追尾等恶性交通 事故 6 4 安防系统 实例 英国的一家博物馆利用无线传感器网络设计了一 个报警系统 他们将节点放在珍贵文物或艺术品的底部 或背面 通过侦测灯光的亮度是否改变 测量物品是否 遭受到振动等因素 来确保展览品的安全 6 5 仓储物流管理 利用无线传感器网络的多传感器高度集成 以及部 署方便 组网灵活的特点 可用来进行粮食 蔬菜 水 果 蛋肉存储仓库的温度 湿度控制 中央空调系统的 监测与控制 以及厂房环境控制 特殊实验室环境的控 制等 为保障存货质量安全 降低能耗提供解决方案 实例 著名的沃尔玛连锁店已经投入资金 在其货物上 加装无线传感器节点和射频识别条型码芯片 RFID 以 保证其各类货物处在最佳的储藏环境 同时 使该公司 和供应商能够跟踪从生产到收款台的商品流向 图 17 超级市场中应用无线传感器网络进行各种物流检 测和环境监测 智能家居系统的设计目标是将住宅内的各种家居设 备联系起来 使他们能够自动运行 相互协作 为居住 者提供尽可能多的便利和舒适 实例 传统的水 电表有抄表员读取读数 随着社会的 发展及高层建筑的普及 传统操作给抄表人员带来越来 越多的麻烦 浙江大学计算机系的研究人员开发了一种 基于无线传感器网络的无线水表系统 具有高度的自动 化性能 抄表人员无需访问每户人家 只需在楼下按下 抄表键 即可获得该楼的所有水表的读数 实例 复旦大学 电子科技大学等单位研制了基于无线 传感器网络的智能楼宇系统 其典型结构包括 照明控 制 警报门禁 家电控制的 PC 机系统 各个部分可相互 通信 最终由 PC 机通过互联网将信息发布在网络上 主 人可以通过任何互联网终端检测家庭情况 该系统可对 火患 盗窃等安全隐患进行检测报警 并能集中抄表 实例 电子樟脑丸是一种典型的智能家居产品 该设备 实际上是具有温度和湿度传感器的无线传感器网络设 备 它不能代替樟脑丸的防蛀 防霉作用 但是当它检 测到衣橱中的温度湿度不合适衣物保存时 可通过手机 短信或电话留言等方式 通知主人作适当处理 8 空间 海洋探索 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想 借助于 航天器布撒的传感器节点实现对星球表面大范围 长时 期 近距离的监测和探索 是一种经济可行的方案 NASA 的 JPL 实验室研制的 SensorWebs 就是为将来的火 星探测 选定着陆场地等需求进行技术准备的 现在该 项目已在佛罗里达宇航中心的环境监测项目中进行测试 和完善 图 18 美国宇航局的空间探索计划中无线传感器网络的 应用模式示意图 7 智能家居系统 21 世纪是人类深入开发利用海洋资源的世纪 海洋 物理研究 数据采集 交通导航 资源勘探 污染监 控 灾难预防 以及对水下军事目标的监测 定位 跟 踪与分类等 都迫切需要高度智能化 自主性强 分布 式 全天候的信息采集 传输 处理及融合技术 印度 洋海啸之后 全球领导人在印尼雅加达举行峰会 议程 的首要事务就是计划在印度洋构建传感器网络 以便对 未来的海底地震做出预警 根据目前欧美各国在研项目的文献资料 可以大致 将水下传感器网络的组成结构可分为以下几类 针对这些要求 基于多传感器的水下分布式信息采 集 网络通信 信息处理技术得到国家广泛关注 并随 着近些年通信技术 DSP 技术 MEMS 传感器技术等相关 领域的迅猛发展 成为我国国民经济及军事国防领域一 项亟待研究开发的重要课题 1 基于水面浮标的 射频 水声通信 可任意升降的