鄭增威 霍梅梅

浙江大學(xué)城市學(xué)院計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對現(xiàn)代城市發(fā)展影響的若干關(guān)鍵應(yīng)用分析

鄭增威 霍梅梅

浙江大學(xué)城市學(xué)院計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所

傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等的發(fā)展，使得由電池供電的集無線通信能力、計(jì)算能力和數(shù)據(jù)存儲能力于一身的無線傳感器節(jié)點(diǎn)變得越來越廉價(jià)。由數(shù)量不等的無線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正被廣泛配置在各種不同領(lǐng)域的應(yīng)用中，如醫(yī)療監(jiān)護(hù)、農(nóng)作物土壤監(jiān)測、邊境保護(hù)、航海航空探索、戰(zhàn)場和敵方環(huán)境偵察等，將對人類生活帶來深遠(yuǎn)的影響，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為當(dāng)前國際上備受關(guān)注的、由多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比其它傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)，有著自己顯著的特點(diǎn)：

⒈無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。為了獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量可能達(dá)到成千上萬，甚至更多。

⒉無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是自組織網(wǎng)絡(luò)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)被放置在沒有基礎(chǔ)設(shè)施的地方。傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定。節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系也不能預(yù)先知道，如通過飛機(jī)撒播大量傳感器節(jié)點(diǎn)到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不能到達(dá)或危險(xiǎn)的區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，能夠自動進(jìn)行配置和管理，通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。

⒊通信方式采用多跳路由。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通信距離有限，一般在幾十到幾百米范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)只能與它的“鄰居”直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。

⒋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨處移動；一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行；一個(gè)節(jié)點(diǎn)也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。

⒌以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，通信的目的是傳送數(shù)據(jù)。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或者傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習(xí)慣。所以通常說傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。

⒍與應(yīng)用高度相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。不同的應(yīng)用背景對傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求不同，其硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必然會有很大差異。所以傳感器網(wǎng)絡(luò)不能像傳統(tǒng)Internet一樣，有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺。針對每一個(gè)具體應(yīng)用來研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。

物聯(lián)網(wǎng)是傳感器網(wǎng)絡(luò)概念的進(jìn)一步擴(kuò)大和延伸，佩帶有“眼睛、耳朵、嘴巴”等傳感器的任何物體都可以連入網(wǎng)絡(luò)，無所不在地滲入人類的生活。

⒈智能家居環(huán)境。衣食住行是生活最基本的內(nèi)容，先來看看無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與我們的居住環(huán)境的關(guān)系。一旦家中漏水或者冒煙，水禁、煙感報(bào)警器就會迅速響起，并根據(jù)實(shí)際情況做出迅速反應(yīng)，通知家人和社區(qū)，甚至可以自動啟動滅火器；假如有外人闖入家門，提醒短信馬上會發(fā)送到房主手機(jī)上；房屋“看到”主人回家立即響起美妙的背景音樂；……這樣的智能家居將給人們生活帶來便利、安全和舒適，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和普及，智能家居將很快進(jìn)入到千家萬戶當(dāng)中。

中國智能家居網(wǎng)在2009年初根據(jù)行業(yè)實(shí)際的發(fā)展，重新定義了智能家居這一名詞的含義：智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。智能家居系統(tǒng)包含的主要子系統(tǒng)有智能家居（中央）控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)，這些是必備系統(tǒng)。家居布線系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、背景音樂系統(tǒng)、家庭影院與多媒體系統(tǒng)、家庭環(huán)境控制系統(tǒng)為可選系統(tǒng)。在智能家居環(huán)境的認(rèn)定上，只有完整地安裝了所有的必備系統(tǒng)，并且至少選裝了一種及其以上的可選系統(tǒng)的智能家居才能稱為智能家居。根據(jù)中國智能家居網(wǎng)的信息，諾基亞已經(jīng)開發(fā)出一種智能家庭移動平臺，將用于發(fā)展從安全到家庭能源管理等家庭服務(wù)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。諾基亞將與其合作伙伴推出一項(xiàng)可以通過個(gè)人電腦或手機(jī)控制的家庭供暖管理服務(wù)，被稱為“Home Control Center”的平臺將允許用戶通過智能手機(jī)或個(gè)人電腦來控制其提供的一系列新服務(wù)。同時(shí)，該平臺是開放的，允許第三方被整合到其系統(tǒng)中。

美國是最先開始研究智能家居的，但普及工作做得比較好的卻是韓國。智能家居在上世紀(jì)90年代進(jìn)入中國，現(xiàn)在正如火如荼的發(fā)展中。目前我國每年竣工的建筑面積為20億平米，預(yù)計(jì)到2020年我國將竣工的建筑面積為300億平米，其中智能家居/建筑的產(chǎn)值至少在1-2萬億元以上。智能家居的概念正逐漸的被人們所接受，目前，杭州市很多新建的小區(qū)和樓盤都裝有智能家居的產(chǎn)品，相信我們的家居生活環(huán)境離智能化會越來越近。

⒉智能交通服務(wù)。再來談?wù)劅o線傳感器網(wǎng)絡(luò)與城市交通的關(guān)系。交通擁堵、環(huán)境污染已是現(xiàn)代大城市面臨的突出問題，智能交通系統(tǒng)作為能夠有效緩解城市交通問題的手段之一,成為近十幾年來國內(nèi)外各級政府和技術(shù)研究人員關(guān)注的熱門話題。

1995年，美國交通部提出了到2025年全面投入使用的“國家智能交通系統(tǒng)項(xiàng)目規(guī)劃”。該計(jì)劃利用大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，配合GPS定位系統(tǒng)等資源，除了能使所有車輛都保持在高效低耗的最佳運(yùn)行狀態(tài)、自動保持車距外，還能推薦最佳行駛路線，對潛在的故障發(fā)出警告等，減少道路擁塞現(xiàn)象出現(xiàn)，有效提高道路資源利用率。

根據(jù)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》，我國科技部于2006年啟動實(shí)施“十一五”國家科技支撐計(jì)劃“國家綜合智能交通技術(shù)集成應(yīng)用示范”重大項(xiàng)目，設(shè)立包括北京奧運(yùn)智能交通管理與服務(wù)綜合系統(tǒng)、上海世博智能交通技術(shù)綜合集成系統(tǒng)、廣州亞運(yùn)智能交通綜合信息平臺系統(tǒng)三個(gè)城市智能交通系統(tǒng)的7個(gè)課題，以提供人性化交通運(yùn)輸服務(wù)、發(fā)展交通系統(tǒng)智能化技術(shù)和安全高速的交通運(yùn)輸技術(shù)為研究重點(diǎn)。

上海世博智能交通技術(shù)綜合集成系統(tǒng)，運(yùn)用綜合交通動態(tài)信息獲取、復(fù)雜環(huán)境交通狀態(tài)分析、綜合交通信息平臺構(gòu)建等3項(xiàng)技術(shù)，建立了上海綜合交通信息平臺，整合了城市快速道路、地面道路、軌道交通、公共交通四大系統(tǒng)143類信息。上海市交管部門某負(fù)責(zé)人在2009智能交通年會上，介紹了該綜合信息平臺不僅涵蓋了上海市的快速路、主干道、支路的道路信息，還特別設(shè)立了世博交通專題信息，不僅覆蓋了上海市的軌道、公交、輪渡等線路、班次、站點(diǎn)信息，更包含了長三角24個(gè)城市的專線巴士信息。

杭州市的智能交通建設(shè)也取得了顯著的成就，尤其在交通控制系統(tǒng)、智能化交通管理系統(tǒng)和先進(jìn)的公共交通系統(tǒng)等方面。杭州市綜合交通研究中心目前正與希臘、西班牙、芬蘭、英國等12家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)一個(gè)“全球智能出行規(guī)劃系統(tǒng)”，杭州市是該系統(tǒng)成果示范城市之一。通過智能交通系統(tǒng)的建設(shè)，今后人們出行可以隨時(shí)隨地獲取道路交通信息，方便選擇最通暢便捷的出行路徑。

⒊智能醫(yī)療服務(wù)。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，它在醫(yī)療健康方面也得到了一定的應(yīng)用，醫(yī)生可以利用傳感器網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)對病人的各項(xiàng)健康指標(biāo)以及活動情況進(jìn)行監(jiān)測，為遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展提供了很大的便利。傳感器網(wǎng)絡(luò)有可能極大地影響醫(yī)療的許多方面。在醫(yī)院或診所，每一個(gè)配備著多種類無線傳感器的病人的生命體征將允許醫(yī)生和護(hù)士實(shí)時(shí)監(jiān)測其生理狀況。

羅徹斯特大學(xué)的技術(shù)人員使用無線傳感器創(chuàng)建了一個(gè)智能醫(yī)療房間，使用微塵來測量居住者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天24小時(shí)的活動狀況。2004年3月英特爾公司演示了家庭護(hù)理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在鞋、家具和家用電器等家居用品和設(shè)備中嵌入半導(dǎo)體傳感器，利用無線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)，高效傳遞必要的信息，從而幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士在家中方便接受護(hù)理和遠(yuǎn)程健康監(jiān)控。英特爾公司主管預(yù)防性健康保險(xiǎn)研究的董事Eric Dishman稱，“在開發(fā)家庭用護(hù)理技術(shù)方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是非常有前途的領(lǐng)域”。

哈佛大學(xué)的Mercury項(xiàng)目研究了用于一種高保真的運(yùn)動分析的可穿戴式傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺。哈佛大學(xué)CodeBlue項(xiàng)目提供了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施，他們研制了無線脈搏血氧傳感器，無線心電圖傳感器和三軸加速運(yùn)動傳感器。除了硬件平臺，CodeBlue項(xiàng)目也提供了可擴(kuò)展的軟件基礎(chǔ)設(shè)施，旨在提供路由、命名、發(fā)現(xiàn)和醫(yī)療安全的無線感應(yīng)器，PDA、個(gè)人電腦和其他設(shè)備，可用于監(jiān)測和治療指定醫(yī)療機(jī)構(gòu)中的病人。

南京郵電大學(xué)的863項(xiàng)目《基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療健康護(hù)理系統(tǒng)》，研究了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療健康護(hù)理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、可穿戴UbiCell醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)及醫(yī)療傳感器設(shè)備驅(qū)動、基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療信息采集與處理技術(shù)、醫(yī)療健康護(hù)理系統(tǒng)中基站PC及PDA功能軟件的研發(fā)，目前該項(xiàng)目正在推廣中。

全球人口老齡化、人們生活水平提高和偏遠(yuǎn)地區(qū)對醫(yī)療服務(wù)需求增加等因素正促使傳統(tǒng)醫(yī)療方式的變革，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使得遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)成為可能，足不出戶便可隨時(shí)獲得醫(yī)療專家的健康服務(wù)，人們的生活質(zhì)量將得到很大的提高。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用很廣泛，它還可以應(yīng)用到城市的環(huán)境監(jiān)測、物流、建筑物的結(jié)構(gòu)健康檢測以及機(jī)器人的控制等等。隨著人們生活水平的不斷提高，人們對生存條件的要求也越來越高，無處不在的無線傳感器以及它們構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)將為人們的生產(chǎn)生活帶來極大的便利。