美航空航天局研制无线传感器网络

　　卡尔·马克思说过，哲学家的工作不是以各种方式描述世界，而是改变世界。在过去的七年中，NASA的Kevin A. Delin就一直在思考传感器网络这个问题。

　

　NASA(美国航空航天局)喷气推进实验室的Delin发起并管理传感器网计划，这个实验室位于加利福尼亚的Pasadena，在那里，八位工程师组成的团队正致力于新一代无线传感器网络的开发。典型的无线传感器网络使用传感器来检测环境变化并把结果返回报告给外部控制系统，但传感器网络不同，它可以通过网络共享数据，并使用嵌入式智能芯片来直接对检测到的变化做出反应。

　

　目前为止传感器网只是以监控角色进行部署，不过其技术的核心概念已被证明可靠。现在科研小组正在进行实验，将传感器网络的功能从单纯监控扩展到对周围环境做出反应并进行控制。“当部署能够自动改变环境条件的系统时，你必须加倍小心”Delin说，“但是技术已经成熟。”

　　 NASA对传感器网的兴趣源自他们本希望在行星上部署这样一个网络，而不是地球。2002-2003年冬天在南极洲进行的一次实验中，科研人员把传感器网部署在大于2平方公里的一块区域上。这个网络每五分钟测量一次位于横贯山脉，MacAlpine山地区的空气温度、湿度和土壤以及太阳光。那里刺骨的严寒，干燥的南极气候和火星上的条件比较相似。

　　“火星上的传感器网络可以监测任何可能的生命，”Delin说，“在南极洲，微生物可以迅速繁殖然后转入冬眠，这样一个传感器网络就可以用来跟踪它们的活动。”但是，NASA相信通过对监控区域的活动做出反应，传感器网络技术也可以极大的帮助美国政府增强国土安全。

　　 NASA/JPL(喷气推进实验室)传感器网计划始于1997年，当时Delin认为可以利用为通信和IT市场开发的现成技术来创造一个无线网络，智能芯片嵌入在这个网络中。从此以后，Delin的团队就有机会在一系列现实环境条件下测试技术，包括位于加利福尼亚州圣马力诺市的亨廷顿植物园，和位于亚利桑那州图森市的一个水补给池。

　　 传感器网络的实施不仅给NASA带来好处，也给提供测试条件的主人带来利益。例如，亨廷顿植物园－在那里传感器网测量光照等级，空气温度和湿度以及某些情况下的土壤温度和水分－植物园员工发现，两棵相同的植物需要浇不同的水，因为每棵植物周围的土壤条件不同。

　　在图森市西部的一个水补给池中，Delin团队在一个传感器网中部署了16个传感器群，来测量水池表面水流的运动，也监视水渗入水底的运动。每个群中的传感器测量周围的空气温度，相对湿度和光照等级。另外，补给池内的传感器群还配备有一个土壤温度传感器(在表层)和两个土壤湿敏传感器，一个刚好位于水平面以下，另一个位于半米的深处(1.5英尺)。这些土壤传感器通过长导线与传感器群相连，这样这些群就可以在水面以上并无线通讯。

　　在亚利桑那州图森市西部的一个水补给池，NASA传感器网团队成员Dave Johnson 和 Kevin Delin正在准备一个传感器群的地面部署。

　　由于传感器网络的部署，NASA此计划的合作者－亚利桑那大学和图森供水(城市的供水部门)－现在已经有办法监控位于城市20英里以外的水补给池。并且NASA也有办法测试传感器网检测环境变化的能力－比如流入和流出水池的水－这种变化的发生速率是可预测和可测量的。传感器网络的测量结果也被用作与轨道卫星传回来的数据进行核对。(为了检验卫星观测的正确性，NASA对陆地的物体进行地面测量，同时进行卫星测量，二者的数据相比较。)

　　在部署每个传感器网时，Delin团队安装12到30个网络群，也被称作节点。每个群包括一个连接到传感器的微处理器或微控制器，这取决于实际应用；无线网络技术；以及网络操作软件(由传感器网络计划开发),能够保证每个群可以在几百米的传输范围内，自动的与其他任何一个群进行通讯。传感器群外面包有保护壳，由充电电池供电(就像无线电话中使用的电池)，可以持续的通过太阳能电池板充电。

　　传感器网是一个分布式网络，这就意味着每个群收集到的信息和数据在网络中共享，其他的群也可以使用。不同的应用场合有不同的具体要求，比如采集什么样的数据，记录数据和共享数据的频率是多少。在部署每个群之前，都要加载操作软件和每个群唯一的ID。这个网络的目标就算是在一系列的环境中和大范围的区域内，提供一个遍布的，连续的，嵌入式监控现场。

　　传感器群之间的通讯使用标准的无线电元件。它们工作在900MHZ,每个群的广播范围可以达到几百米，以此通过网络来发布数据。如何发布和何时发布，这取决于实际应用的参数；例如，我们可以设定一个群每五分钟收集和传输一次数据。另外，特定的入口群可以通过因特网连接让终端用户访问现场，这样通过利用因特网把数据传输到计算机或工程师那里，可以在远离现场的地方监控传感器网。我们也可以通过这种连接来控制和调整一个传感器网络。

　　但是部署一个传感器网的目的不仅仅是采集数据，并把数据传输给操作人员，然后操作人员根据信息做出反应。其最终目标是对采集的数据进行分析并相应的做出响应。网络操作系统中嵌入的智能芯片就是要在不与任何终端用户或控制系统通信的情况下，自己进行操作。

　　“传感器网的原理不只是把数据传输给终端用户－传感器网络外部的一台计算机或一个工程师，”Delin说。“不像典型的无线传感器网络，在传感器网中，每个群与网络中的所有其他群共享所有的数据。如果网络检测到一切正常，它会继续监视。然而，如果需要采取行动，传感器网会自己发出指令。网络操作系统可以控制网络对某些活动做出响应，但是其基本目的还是监视网络。” 例如，在亨廷顿植物园，如果传感器网检测到土壤干燥，它会自动打开喷水装置。如果传感器群安装有测量气压的传感器，那么传感器网会分析光照和气压等级，来预测是否即将下雨，这样就可能不必使用喷水装置。

　　 根据NASA/JPL，传感器网的设计可以把对许多环境的监控和控制扩展到许多领域，包括农业和生态学，安全和国土防御，也包括太空探索。

　　 例如，Delin说，一个传感器网可以与火警喷水网络的控制系统连接。如果一个传感器群检测到过热或烟尘或两者都有，它可以自动与网络中的其他群通讯并确定这是否是一个真实事件并相应做出反应。通过确定传感器群周围的温度和烟尘，传感器网可以精确查出火源在哪里，在需要喷水的区域打开喷水装置，并确定安全逃离通道。

　　Delin相信通过在传感器群中加入识读器，来检测和识别它们广播范围内或领域内的标签，RFID可以给传感器网带更多的功能。比如，在一座建筑的周围安装传感器，装备有主动RFID标签的消防员就可以在合适的距离以外与之进行通讯。一个传感器网可以很快的部署完，因为每个传感器群已经编好程序，能够根据网络操作系统设定的参数，立刻检测哪些其他的群在它们的邻域内并与它们传输和接收数据。“消防员可以通过传感器网来确定它们在建筑中的什么位置，”Delin说。

　　网络中的每个群通过一种分布式的结构来共享所有数据，因此即使有一个群出现故障，传感器网也可以正常工作。传感器群可以覆盖信号很难传播的地方，比如建筑物或其他含有大量金属和液体的结构。因为传感器群是以一种网状结构进行部署的，所以一个群一般能对四个或更多的群进行广播。这意味着如果两个群之间的连接被一种金属结构堵塞，数据仍可以通过其他的群进行传输，从而绕过障碍物。

　　因为传感器群能够相隔很远的距离自动通讯，Delin认为建立一个传感器网需要的时间主要由以下因素限制，到达每个传感器群地点的时间，以及记录群的地理位置的时间，这样我们以后才能找到它们。虽然传感器群可以安装GPS接收器来确定位置，但是Delin仍然坚持认为一个GPS接收器的成本和功率需求使它成为一个不太明智的选择。

　　传感器网也可以给制造商带来利益。在一个工业环境中，传感器网与控制生产过程的软件相连接，例如，传感器网可以跟踪安装有RFID标签的产品零件，并利用和共享得到的信息，来保证自动化工序与整个制造工序保持同步。“如果某个零件生产的太多，”Delin说，“传感器网可以自动减缓制造过程来与其他部分的制造过程相匹配。”

　　传统的制造业控制系统中的信息存储在远离车间的服务器上，部署一个传感器网和部署一个传统控制系统的不同在于成本和部署的速度。“有线控制系统每部署一英尺要花费200美元，”Delin说。“由于传感器网的无线能力，这些成本可以避免，另外它还有很强的适应性，可以根据产品设计的改变自动重新配置。”

　　 RFID也可以安装在传感器网络中。装备有RFID标签的传感器群可以安装在移动设备上比如一台叉车，这样目标物体就可以由传感器网所监控，而且成本不高。

　　自从一开始，Delin就要求利用商业可用的计算硬件和传感器硬件来构造传感器网络，因为这些设备成本越来越低，市场资源越来越广阔。“我们使用非定制硬件，但是我们自己开发软件和包装[RFID射频快报注：指传感器群外包装]，”Dilin说。“电信和计算市场的飞速发展使微控制器－为处理有限或特定数据开发和设计的微小处理芯片－和其他元件每隔18个月就更加便宜，更加强大。大的芯片制造商很容易突破摩尔定律(摩尔定律指集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。摩尔定律是由英特尔名誉董事长戈登·摩尔经过长期观察发现得之)。”一个传感器网的成本取决于所用的传感器，但是Delin说其成本可以低到“每个几十美元。”

　　现在RFID已经进入Delin的视野。“随着RFID技术变得越来越普及，”Delin说，“它将会成为传感器网的一部分。”

　　 虽然传感器网仍处于它的幼儿期，但是Delin相信利用这样一个网络来帮助控制环境和工业过程的潜力非常大。“现在的传感器网络就像PC 在‘81’年或‘82’年时的水平，”Delin说。“虽然它们现在只能够执行相对简单的任务，但是开发潜力是巨大的。因此，我们应该问的是，五年之内什么地方不会部署它们，而不是问，什么地方将将要部署它们。”