隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、衛(wèi)生等行業(yè)的發(fā)展，以及人們對(duì)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)安全的日益重視，就需要一種技術(shù)和產(chǎn)品能在一定范圍內(nèi)方便地進(jìn)行實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測(cè)和采集多種信息并進(jìn)行處理。伴隨著這樣的市場(chǎng)需求和技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensors Network簡(jiǎn)稱WSN)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并已成為當(dāng)前測(cè)控領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。

美國(guó)軍方早在1978年就開(kāi)始部署，美國(guó)能源部也在2002年將工業(yè)無(wú)線技術(shù)作為到2020年降低工業(yè)整體能耗5%的手段。而美國(guó)總統(tǒng)科技顧問(wèn)委員會(huì)在“面向21世紀(jì)的聯(lián)邦能源研究與發(fā)展規(guī)劃”中指出，工業(yè)無(wú)線技術(shù)的廣泛應(yīng)用將使工業(yè)生產(chǎn)效率提高10%，并使排放和污染降低25%。

我國(guó)政府也在國(guó)家“十一五”規(guī)劃和《國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》中將“傳感網(wǎng)絡(luò)及信息處理”列入其中，國(guó)家863、973計(jì)劃中也將WSN列為支持項(xiàng)目。此外國(guó)家自然科學(xué)基金、各省市和大型企業(yè)等也都有資助，為WSN的快速發(fā)展創(chuàng)造了條件。

任重道遠(yuǎn)

WSN出現(xiàn)以后，1999年美國(guó)商業(yè)周刊將WSN列為21世紀(jì)最具影響的21項(xiàng)技術(shù)之一；2003年MIT(美國(guó)麻省理工學(xué)院)技術(shù)評(píng)論在預(yù)測(cè)未來(lái)技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，就將其列為改變世界的十大新技術(shù)之一；2003年美國(guó)商業(yè)周刊又在其未來(lái)技術(shù)“專測(cè)”中發(fā)表文章指出WSN是全球未來(lái)的四大技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，將掀起新的產(chǎn)業(yè)浪潮。

有關(guān)WSN標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議的制定

在IEEE(美國(guó)電子電氣工程師協(xié)會(huì))802.15標(biāo)準(zhǔn)中，家用和辦公領(lǐng)域已有藍(lán)牙、Zigbee，而在工業(yè)領(lǐng)域中則有HART7.1，ISA100和中國(guó)的WIA-PA。

其中HART7.1(無(wú)線HART)已于2008年9月19日正式獲得IEC的認(rèn)可，成為一種公共可用規(guī)范(IEC/PAS62591Ed.1)。這是第一個(gè)獲得這一級(jí)別國(guó)際認(rèn)證的工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)。而ISA100想提交IEC成為IEC的標(biāo)準(zhǔn)卻未能實(shí)現(xiàn)。

WIA-PA(WirelessforIndustryAutomation-ProcessAutomation)是由我國(guó)中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所牽頭制定的中國(guó)WSN標(biāo)準(zhǔn)，目前正在審查中。其目標(biāo)是先成為我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，再申請(qǐng)成為IEC的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

WSN的特點(diǎn)

WSN的特點(diǎn)可用12字概括，即“低耗自組、異構(gòu)互連、泛在協(xié)同”。

低耗自組

“低耗自組”是WSN最重要的特點(diǎn)。因?yàn)楹碾姸鄤t不能用電池供電，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)線化，因此低耗是關(guān)鍵。“自組”則是在WSN的網(wǎng)狀(mesh)網(wǎng)絡(luò)中具有自組織性(adhoc)，及網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)分布式算法來(lái)協(xié)調(diào)彼此的行為，無(wú)需人工干預(yù)和任何其他預(yù)置的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，可在任何時(shí)間、地點(diǎn)快速展開(kāi)并自動(dòng)組網(wǎng)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)退出或加入，或一個(gè)節(jié)點(diǎn)與某一接點(diǎn)通信路徑被阻斷時(shí)，WSN都能重新自動(dòng)進(jìn)行組織恢復(fù)工作。因此，WSN有自組(織)、自優(yōu)(化)、自痊(愈)的特點(diǎn)。

異構(gòu)互連

“異構(gòu)互連”包括兩個(gè)部分：節(jié)點(diǎn)級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)的異構(gòu)互連。前者指在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)允許不同結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)(如傳感器、變送器、路由器等)的互連；而后者指異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連，如不同協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)的互連。節(jié)點(diǎn)級(jí)異構(gòu)互連的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)適用于WSN的開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)，核心是通信協(xié)議的設(shè)計(jì)和研究包括了無(wú)線信號(hào)的調(diào)制解調(diào)、MAC協(xié)議及路由算法等。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間異構(gòu)互連的關(guān)鍵是網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)和配置。總之，異構(gòu)互連大大解決了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)性問(wèn)題。

泛在協(xié)同

在自然界中，需感知的事物無(wú)處不在，即便在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，一個(gè)大型機(jī)組或項(xiàng)目需要測(cè)量或控制的參數(shù)也動(dòng)輒成千上萬(wàn)，“泛在”就是指這種應(yīng)用狀況。但每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量、傳感、存儲(chǔ)和計(jì)算能力相當(dāng)有限，而對(duì)大量節(jié)點(diǎn)之間所測(cè)得的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行協(xié)同處理和控制的有效利用，對(duì)增加企業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，提高產(chǎn)生效益是十分重要的。因此，這也是WSN的關(guān)鍵技術(shù)和特點(diǎn)之一。

目前WSN在中國(guó)的推廣

目前已有兩家國(guó)外公司推出了WSN的產(chǎn)品，一種符合無(wú)線HART7.1標(biāo)準(zhǔn)；另一種采用ISA100標(biāo)準(zhǔn)。但大多只限于溫度、壓力流量及物位變送器。國(guó)內(nèi)川儀和重慶郵電大學(xué)合作也已生產(chǎn)出無(wú)線系列變送器及執(zhí)行器的樣機(jī)，而中國(guó)的WIA-PA在鞍鋼冷軋機(jī)上也已試用成功(測(cè)點(diǎn)已達(dá)400點(diǎn))。

WSN的應(yīng)用

由于市場(chǎng)的國(guó)際化，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，各大廠商無(wú)不朝著高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)低耗、環(huán)保與安全的方向發(fā)展。生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大(如火電和核電機(jī)組已達(dá)百萬(wàn)千瓦，煉油也達(dá)千萬(wàn)噸以上，乙烯也已上升到百萬(wàn)噸級(jí))，其測(cè)控點(diǎn)數(shù)也不斷增加；另外由于環(huán)保與安全方面的要求，更使測(cè)控點(diǎn)數(shù)達(dá)到近萬(wàn)點(diǎn)。如果采用有線方案，則電纜根數(shù)也是成千上萬(wàn)，不但使工程設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，工程投資增加，也使安裝及維護(hù)成本上升。無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用可以減少費(fèi)用達(dá)90%以上，因此WSN技術(shù)的應(yīng)用勢(shì)不可擋。

目前無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)即Wi-Fi(IEEE802.11)已在工業(yè)上得到應(yīng)用，廣域網(wǎng)(WWLAN)即WiMax(IEEE802.16)也在開(kāi)始應(yīng)用，WSN屬于個(gè)域網(wǎng)(WPAN)，IEEE802.15則正在發(fā)展之中。其難點(diǎn)在于一方面要求低耗，另一方面要保證通信的實(shí)時(shí)性、安全性與可靠性，這二者是互相矛盾的。因此要設(shè)法找出其平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)總體優(yōu)化。如在節(jié)能方面，除了采用低耗芯片和發(fā)展高性能電池外，還采取各節(jié)點(diǎn)在不通信時(shí)進(jìn)行睡眠、半睡眠，或者利用光能和機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化成電能等措施。

目前國(guó)內(nèi)外各研發(fā)機(jī)構(gòu)在上述各領(lǐng)域的研究，已經(jīng)獲得了一些可喜的成果。目前國(guó)內(nèi)HART無(wú)線通信的距離是200m之內(nèi)，電池壽命為5~10年，可靠性達(dá)99%。可以看出目前只能成為有線的補(bǔ)充，應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集方面，還不能應(yīng)用在控制或安全場(chǎng)合。