现代网络传感器技术及其应用

黄明阳

摘 要：随着网络时代的到来和集成化技术的快速普及，单个或少数传感器的应用已经不能满足现代检测技术和智能控制技术的发展，而各种智能传感器的大量使用导致在分布式控制系统中对各个传感器在信息交换层面提出更高的要求。因此，由分布式数据采集系统组成的网络传感器技术收到人们越来越大的重视，这项技术是基于通信工程、模电数电、微机电系统等综合技术，具有收集并处理各个传感器信息和监控整个外界环境等各项功能，具有完全自主运行的网络系统。本文从网络传感器的概念和原理讲起，介绍并总结了网络传感器的各项关键技术，并对网络传感器的应用和未来新型网络传感器技术的发展方向做出了展望。

关键词：网络传感器；信息交换；通信协议

中图分类号：TP391.44 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）07-0031-02

1 网络传感器的原理及结构

1.1 网络传感器的概念和结构

传统分布式传感器网络自动监控系统结构如图1所示，测控装置中的微处理器（MCU）监控各个传感器所采集的数据，并将数据进行简单的处理后与上位机完成通信。网络传感器的硬件组成一般包括五部分，分别是传感器、信息处理器、储存器、收发器及电源。此系统的效率依赖于MCU，若MCU发生故障，则微机处理系统不能收到系统内各个传感器的数据。从而影响整个系统的稳定性和可靠性。将一种通用的数据采集模块与传统的传感器相连，可以满足各种系统的使用，从而构成了适合于监测用的不同形式的网络传感器。网络传感器即传感器网络监测系统，主要硬件由敏感元件、转换元件、信号调理、微处理器及数据通信模块等实现，而软件部分则包括数据处理和相应网络控制软件组成，底层的敏感元件既有传统传感器，如电阻传感器、光敏传感器、温度传感器、压敏传感器等，也有各类新型的智能传感器。总而言之，大量的各类传感器以自组织和多跳形式组成了网络传感器，通过网络和软件的协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的各类信息，并报告用户。

网络传感器一般分为有线和无线两大类。有线网络传感器技术主要体现在传感器的传统应用与拓展和总线技术相结合的方面，所有信号均通过有线传播；而无线传感器网络则是一种通过无线通信传递信息的传感器技术。

1.2 网络传感器的功能

网络传感器结构复杂，功能众多，但其重要功能包含以下三点：

（1）网络传感器可以实施远程采集信息数据，并进行分类储存和应用。例如在某地采集的数据通过传输系统传送到远处的各个用户中心，或者先将数据储存起来以便后续调用。

（2）传感器网络上的各个用户可以在远程对同一目标过程进行监控。例如，一个项目各个部门可以同时在相距遥远的各地测量、监控同一生产过程，不必亲临现场便可实时收集各方面的数据，通过建立数据库进行分析，大大提高了工作效率。

（3）不同任务的传感器、仪器仪表与计算机组成网络后，可凭借智能化软、硬件，灵活调用各种计算机、仪器仪表和传感器各自的资源特性和潜力，区别不同时空条件对象的类别特征，测出临界值并做不同的特征响应，完成各种形式、各种要求的任务。

2 网络传感器的信息交换体系

由于计算机和相关硬件只能识别数字信号，所以网络传感器的运行需要传感器的信号数字化，即将采集的模拟信号转换成数字信号，并与网络上的计算机和仪器仪表进行信息交换。而传感器网络系统的信息交换体系涉及协议、总线、器件标准总线、复合传输、隐藏和数据链接控制等。

协议是传感器为保证各分布式系统之间进行信息交换而制定的一套规则或协定，在选择一套体系的协议时必须考虑传感器网络体系的功能和使用的硬件、软件和所处环境等情况。总线是网络传感器上各分布式系统之间进行信息交换，并与外部设备进行信息交换的电路设备，总线的输入输出接口一般分为串行和并行两种形式，并行在传感器网络中不经常使用。器件标准总线是指把控制元件（传感器、执行器）连接起来的电路元件。复合传输是指若干个信息源结合起来通过同一通道进行传输，传输到用户时再进行信息分离工作，可以在一定程度上提高网络传感器的工作效率。隐藏是在限定时间内确保最高优先级的信息进入进行传送，从而使一个确定性系统可以预见信号的未来行动。数据链接控制是将用户所有通信要求组装成以帧为单位的串行数据进行的传送执行协议。

3 网络传感器测控系统体系结构

网络传感器的布局结构形式多种多样，既有使全部互连形式的分布式传感器网络系统，也有多个传感器和一台计算机或单片机组成的智能传感器，还有多个传感器计算机网络站和一台服务器组成的树状结构传感器网络。而各种结构的传感器布局形式的总线连接方式可以使星状、树状、网状，如图2所示，而其中的节点包括终端传感器节点、带有路由器功能的节点和带有协调器或汇总功能的节点。

从广义上看，多传感器网络系统可以组成个人网、局域网、广域网甚至连上互联网实现全球的互通互联。在局域网内，一个部门或公司可以在远程对其生产线的各方面状况进行动态的监控。而当传感器网络接入互联网后，则可以将人类目前使用的这一最大网络延伸到更多的人类活动领域。例如，我国居民可以实时获得世界各地的天气情况，还没出门的居民在家里就可以获得城市交通状况。而随着经济全球化和制造全球化的普及，更多企业可以通过网络传感器在世界各地监测设备运行情况和企业商品库存等动态事物，从而极大地提高现代企业的信息化水平。

4 网络传感器的通信协议

随着通信技术的日新月异，网络传感器的通信协议有很多种类，如IEEE协议、蓝牙协议、ZigBee协议、CAN协议、Lon Talk协议等。现介绍两种广泛使用的网络传感器通信协议。

（1）IEEE协议。IEEE标准网络协议因其低速度、低功耗、高质量和低成本而被认为是无线网络传感器和无线个人局域网的理想实现技术，它基于开放系统的互联模型。在众多型号中，IEEE 802.11最为通用，IEEE 802.11采用2.4GHz和5GHz这两个频段。其中2.4GHz的频段为世界上绝大多数国家采用。5GHz频段在一些国家和地區的使用情况比较复杂，加上高载波频率所带来了负面效果，使得802.11a的普及受到了限制，虽然它是协议组的第一个版本。

（2）蓝牙协议。蓝牙是一种低成本、低功耗的短距离无线通信技术，由许多组件和抽象层组成。蓝牙技术具有不同的通信方式，如点对点通信、点对多点通信方式和较为复杂的散射网方式。蓝牙技术规范的目的是使符合该规范的各种应用之间能够实现互操作。互操作的远端设备需要使用相同的协议栈，不同的应用需要不同的协议栈。但是，所有的应用都要使用蓝牙技术规范中的数据链路层和物理层。数据传输可随时在主设备和其他设备之间进行（应用极少的广播模式除外）。主设备可选择要访问的从设备；通常来说，网络传感器的主机与底层各个传感器通过蓝牙协议相连，主机不断请求访问传感器单元，从而使传感器可以不断地向主机传送采集的数据。而蓝牙协议一般由蓝牙无线层、基带层、链路管理层、链路逻辑控制和适配协议层和服务发现协议组成。

5 无线网络传感器

随着电子技术和无线通信的飞速发展，无线网络传感器因其低成本、高灵活度的特点逐渐成为学术界、工业界研究和应用热点。无线网络传感器（WSN）涉及嵌入式计算、分布式处理、无线通信和传感器等技术，是一种全新的信息获取技术。无线网络传感器一般由特定分布的集成傳感器模块、数据处理模块、无线通信模块及其节点通过自组织的方式组成。

WSN的系统架构如图3所示，包括传感器节点、网关、云服务（互联网或物联网）、用户终端（手机或电脑）等。WSN具有灵活度大、监测精度高、抗毁性强、覆盖区域大等特点，它借助于节点中内置的各种类型的传感器，通过自组织方式协作地实时监测、感知和采集各种环境或对象的信息，并对其进行处理，随后通过自组多跳的无线网络将获取的信息发送给终端用户，实现了自然界、信息界和人类社会的有效连通，大大提高了人们的生产生活效率。

6 网络传感器的未来发展

传感器应用至今，经过无数次迭代，已经进化到现在的网络化模式。网络传感器作为一种全新的信息获取和处理技术，具有监测精度高、覆盖区域广、可远程测量、快速部署和低成本等特点，所以现如今基于网络传感器的各项高新技术应用层出不穷。网络传感器已经广泛应用于军事侦查、环境监测、医疗护理、空间探测、无人驾驶和智能家居等众多领域。作为一个新兴领域，至今网络传感器在信息传递、网络协议、能量优化、降低成本等方面已经取得了重大进展。

而未来网络传感器的发展方向必定向以下三个方向发展：一是智能化，传感器网络将直接接入我们的生活，通过手机和电脑我们可以实时监控，使传感器融入生活；二是集成化，以后的传感器将直接集成在我们的各种终端上，例如手机，电视，电脑等各种家用电器；三是可移动化，随着无线网络的大规模覆盖，未来的传感器接入网络后，可以实现移动化工作。随着各项技术的日新月异，未来传感器多种传感功能与数据处理、存储、双向通信等的集成，可全部或部分实现信号探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通讯，以及内部自检、自校、自补偿、自诊断等功能，展现出其低成本、高精度的信息采集、可数据存储和通信、编程自动化和功能多样化等特点。

参考文献

[1]王雪文，张志勇.传感器原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004（2）：15-18.

[2]陈林星.无线网络传感器技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2009（3）：56-59.

[3]蔡自兴.智能控制原理及应用[M].北京：北京大学出版社，2010（1）：5-10.