实现无线传感器网络的大规模工业部署

《实现无线传感器网络的大规模工业部署》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、2008年8月12日实现无线传感器网络的大规模工业部署123作者：P.B.Chou、J.M.Reason和R.Crepaldi1.就职于美国纽约IBMTJWatson研究中心，电子邮件：pchou@us.ibm.com2.就职于美国纽约IBMTJWatson研究中心，电子邮件：reason@us.ibm.com3.就职于美国伊利诺斯州伊利诺伊大学香槟分校，电子邮件：rcrepal2@uiuc.edu摘要无线传感器网络（WSN）由体积很小的分布式节点组成。节点装有一个微控制器和一个或多个传感器，通常由电池供电，可通过内置的收发器与其他节点进

2、行通信。由于WSN技术可形成点对点网状网络，所以可以通过持续感应物理环境将现实的感应数据送入虚拟空间。此过程很难由有线基础架构实现，即便实现，监控费用也会很高。本文首先将介绍WSN这种新兴技术，以及它的一些早期应用情况。我们将以货运铁路行业为例，着重介绍WSN在该行业的应用及其优势。我们将从基于WSN的传感基础架构入手，介绍它如何在现有基础架构之上帮助铁路公司提高其资产利用率、运营安全和企业赢利能力。应用这种车载WSN的货运火车由无动力且无电线的车厢组成，它通过利用点对点的多中继段无线联网能力，可持续及时地提供有关火车车厢编号和状况的数据

3、。我们将根据应用需求来探讨必须应对的挑战，包括总成本、端到端可靠性、紧急警报交付延迟以及使用寿命。我们将根据在开发针对铁路应用的试验台过程中累积的经验，与大家分享我们对这种技术的最新发展趋势的认识，并建议技术供应商和企业领导者在适当领域进行合作，以便加速这种技术的发展和应用。关键词：现实的感应、分布式计算、点对点网络和射频1.简介随着无所不在的数字网络的出现，企业开始将传感器和执行器纳入其IT基础架构，以便能够持续收集环境信息并主动、及时地对现实事件进行响应。若某一应用或环境无法实现有线基础架构或实现成本过高，无线传感器网络（WSN）不失

4、为一种易于实现的低成本技术。无线传感器网络由体积很小电池供电的无线节点组成。它们由三个主要组件组成：射频收发器、一个或多个传感器，以及一个微控制器。为节省成本和降低功耗，这种技术特意对微控制器的计算能力、车载存储器容量和通信范围（例如，室外几百英尺范围内）进行了限制。为了利用低功率收发器来覆盖较大的地理区域，WSN中的消息是通过多中继段网状网络路由协议从源传递到目的地的。这些协议通常允许多对一和一对多的通信范例。在多对一通信范例中，中间节点将来自对等节点的消息路由到中央收集网络节点，通常再由功能更强大的网关将数据汇总并转发给企业。在一对多

5、范例中，网关将查询和命令（可能来自企业应用程序）分发到传感器节点上。WSN仍然是一个引人关注且富有挑战性的研究主题，当前它已被应用到多个领域中，通常用于持续、自主地收集数据。例如，“结构化运行状况监控”（StructuralHealthMonitoring）项目[2]就利用由64个节点组成的网络监控加州金门大桥上的外力分布。系统可以生成结构化振动数据，这种数据不仅空间密度更高、精确度更好，而且与有线解决方案相比，实现成本更低。在[3]中，地质学家通过部署WSN来监控活火山的表面。相较于使用有线传感器节点的其他解决方案，WSN的成本较低，因

6、此完全可以通过增加节点的数目来实现更高的空间密度。尽管网络只有61%的时间在运行，存在可靠性问题，但是它在19天之内就检测出230多次火山事件。“管道监控”项目（Pipenet）[4]充分说明在美国自来水网络这一大规模的分布式系统中，WSN如何助其发现并预防故障。它利用振动传感器进行高频采样，以检测漏水情况。近年来，除应用试验外，我们还开发出了多个WSN试验台。ExScal[1]项目将1000多个节点部署在1300×300平方米的区域内，它很好地说明了如何通过超大规模的节点部署来长期降低数据采集成本。这类试验台有助于确定小型室内试验所不能

7、检测到的问题，例如，电池寿命和数据可靠性。这种大型的室外部署说明过去关于室内实验的许多假设在当今的现实世界里已不能成立。除了学术活动外，商业性WSN系统已初步成型，它由芯片组供应商、射频模块供应商、封装设备供应商、中间件供应商、解决方案和系统集成服务供应商组成，主要针对的目标应用包括工业监控和控制、构建控制和自动化、高级测量基础架构以及结构/农业/环境监控。在下一部分中，我们将描述WSN如何被应用于监控货运火车。我们从描述监控货运火车的业务和技术背景入手，过渡到探讨为什么要采用基于WSN的方法。然后，我们将根据这一问题的需求来说明WSN的

8、优势以及由此带来的挑战。2.WSN在铁路行业中的应用在货运铁路行业及其客户的投资中，包含火车头和车厢在内的火车是非常重要的一部分。以北美的快运货运火车为例，它可以由150多节不同类型的车厢组成