2023年无线传感器网络应用实例荟萃.doc

无线传感器网络应用实例荟萃 陈建峰 西安成峰科技，西安市高新一路16号创业大厦B座706室, ：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方案、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 防止盲区，使武器的使用效果大幅度提升。 在现阶段软件、硬件、通信、传感器等技术的根底 上，以下系统已得到成功的应用。 实例：2023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〔以以下图〕 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 开展意义重大。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〞方案中，“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：2023 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。通过常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 确实切关系。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：北京市科委方案项目“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正确条件，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，从而到达增加作物产量、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，可以比拟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、标准化、模 式化、集成化，促进节水工业的快速和健康开展。 实例：Digital Sun公司开展的自动洒水系统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翻开/关闭，从而到达自动、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开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，降低设备本钱。 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。以以下 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、遥远或 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：2023 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，海燕又十分机敏，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效劳器。在那之后，全球的研究人 员都可以通过互联网观察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：2023 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爆发的 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。为提高效劳质量，保障人员安全带来双赢 的效果。 我国正处在根底设施建设的顶峰期，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、2023 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：2023 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：2023 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外表，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