无线传感器介绍及行业应用领域

         无线传感器网络是由在空间上相互离散的众多传感器相互协作组成的传感器网络系统。通常被用来监测在不同地点的物理或者环境参量，例如光，温度，湿度，声音，振动，压力，运动或者污染等等。无线传感器网络的发展起初是源于军队应用的需要，例如战区战场监控。然而，无线传感器网络现在被更广泛的用于民用以及工业领域，包括自然和人居环境监控，医疗监护，家用电器自动化，交通控制，气象监测等领域。

        在无线传感器网络中的每一个节点都配有无线电发射和接收装置，能够和网络中的其他节点进行通讯。此外，每一个节点都有自己的微控制器，能量源(通常是电池)。单个的传感器节点的形状有很多种，有可能像个鞋盒子，也有可能像一颗谷粒。无线传感器网络的成本也差别很大，从数百万美元到几分钱，都有可能，这取决于网络的规模和复杂程度。 传感器的尺寸和费用预算的限制也会导致传感器网络性能的局限，例如存储空间、计算性能、网络速度以及带宽。

       无线传感器网络通常会组成一个无线自组织网络，即每一个传感器节点都支持多跳路由算法(每一个节点都能作为网络内其他节点的数据中继站，将传感器数据传输到基站)。

应用案例

污水处理厂的水质监控

         一个无线传感器节点上连接一个液位传感器，一个pH值传感器，一个流量计和一个电导率传感器。许多个这样的节点被放置在污水处理池的各个位置，用来监测每个处理池中各处的污水处理状况，通过节点自动组成的智能网络，将各个节点的数据回传到远程控制中心的机房终端显示器上。由于无线传感器摆脱了信号电缆的束缚，因此可以任意安放在各个位置，并且可以随时对位置进行更换而不影响这个系统的监控，同时因为没有电缆，也不用担心发生漏电事故。

建筑物强度结构健康监测
         在地震中，对人的生命财产安全造成最大伤害的就是建筑物的倒塌。而现今大都市中，摩天大楼林立，在汶川大地震中，北京地区也有震感，华贸·国贸等高层写字楼均有晃动，大量人员有不适感，但直至通过广播，网络确认地震发生后，写字楼人员方开始撤离。如果震中发生在北京附近这几分钟的迟疑就会带来高层写字楼数千生命的消逝，而北京至少拥有数百栋高层写字楼。
        加速度计依然是监测建筑物的最简单有效方式。美国加州大学伯克利分校对旧金山金门大桥部署过建筑健康监测系统。其本意是用来检测桥体在风力作用下的各个关键受力点的振动状况，整体数据建模后就可以分析出桥体受损老化严重的部分从而进行有针对性的修补。

       桥体和高层建筑有一个共同的特点，就是建筑结构及其敏感，因此其前端的测量点部署很难采用有线方式，否则极易损害建筑结构受力。
        而无线技术，特别是不需供电的低功耗无线技术，在解决建筑物健康监测前端100米数据获取中具有极其重大的意义。节点具有无线能力，体积较为小巧，可以很容易的安装在建筑物的关键受力点上，而不影响建筑物外观。具有低功耗能力，节点一经部署不需要频繁更换。省去了复杂耗时的布线操作，只要打开节点开关，位于建筑物监控中心的接受终端就可以实时获取数据，与建筑报警系统联动后，一旦探测到可能威胁到建筑物的震动信息，立即发出报警通知建筑物内人员立即撤离。平时该系统收集的数据还可以用来监测建筑物老化状况，为建筑物维护提供辅助决策信息。

桥梁强度结构健康监测
         近年来中国连续发生的几起桥梁垮塌事故是人们加强了桥梁健康状况的重视，相关部门也意识到桥梁并不是一个一次性投入后就可以放任不管的公共交通基础设施，它的健康状况同样关乎着人民的生命和国家经济的安全。利用传统的传感器和测量监控设备对桥梁健康进行监测需要在整个桥面上铺设信号和供电电缆，不仅浪费资源而且铺设起来工程复杂庞大，特别是像杭州湾大桥和港珠澳大桥这种长距离、大跨度的巨型桥梁。而使用无线传感器网络来进行桥梁健康监测，就显得简单方便的多了，只需要将无线传感器节点固定在桥梁的关键受力点处，并沿桥布置，各个节点就会自动组织形成网络并且回传相关的测量数据。另外，我们还开发了专门的无线传感平台，可以连接多种传感器。这样，即使在建设桥梁时预埋进桥体的传感器也可以通过无线节点进行监测。不但充分利用了资源，还节省了技术升级所带来的成本投入。

原油输油管线温度压力监测
        随着世界能源消耗量的增加，各个国家越来越依赖于从别国进口能源，特别是石油和天然气等基础能源原料，而石油输油管线又是其中最为重要的一种。但是世界原油储藏分布在一些高海拔国家，比如俄罗斯和加拿大。而原油的属性又决定它必须达到一定温度才能被稀释，具有良好的粘度特性和流动性。同时，又本着节约能源的目的，我们又要把加热的温度控制在一个合理的范围内，因此，就需要对石油输油管道的温度进行监测。在确保原油能够达到良好流动性的同时降低加热的能耗。在原有管道沿线布设无线传感器网络是最为经济合理的方案，这样可以大大节省铺设信号和供电电缆的成本。同时又能实现数据的网络只能传输。 同时在节点上连接压力计又能够监测输油管线是否发生泄漏和偷盗事故，并及时报告事故位置。

通过无线网络监控储存罐
通过无线网络监控室外储存罐内液位,并提供电源转换功能

      与无线网络相连的传感器监控储存罐内的液位.因为只有120V交流可用,所以无线网络节点能够转换成可用的线电源.无线网络几点基于可抵御各种天气环境的设计,避免了耗时的维护工作.

地质灾害的预防监测-山体滑坡
         香港由于存在大量山地地貌，城市居民人口众多，要求土地必须保持较高的利用率，因此大量建筑和道路都位于山区附近。由于地处中国南方，地理位置决定了该地区降雨量常年偏高，尤其在每年夏季的梅雨季节，会出现大量的降水。不稳定的山地地貌在受到雨水侵蚀后，容易产生山体滑坡现象，对居民生命财产安全造成巨大的威胁。
         过去数十年内在某些极其危险地域发生了多次山地滑坡现象，因此政府部门试图部署一种灵活稳定的系统对山体滑坡进行监测和预警。该市政府部门尝试部署过多套有线方式的监测网络，但是由于监测区域往往为人迹罕至的山间，缺乏道路，野外布线，电源供给等都受到限制，使得有线系统部署起来非常困难。此外有线方式往往采用就近部署数据记录仪的方式记录采集数据，需要专人定时前往监测点下载数据，系统得不到实时数据，灵活性较差。有关方面的专家为此专门制定了应用无线传感器网络的解决方案。

        山体滑坡的监测主要依靠两种传感器的作用，液位传感器以及倾角传感器。在山体容易发生危险的区域，将会沿着山势走向竖直设置多个孔洞，如图所示。每个孔洞都会在最下端部署一个液位传感器，在不同深度部署数个倾角传感器。由于该地区的山体滑坡现象主要是由雨水侵蚀产生的，因此地下水位深度是标识山体滑坡危险度的第一指标。该数据由部署在孔洞最下端的液位深度传感器采集并由无线网络发送。

         通过倾角传感器我们可以监测山体的运动状况，山体往往由多层土壤或岩石组成，不同层次间由于物理构成和侵蚀程度不同，其运动速度不同。发生这种现象时我们部署在不同深度的倾角传感器将会返回不同的倾角数据，如图所示。在无线网络获取到各个倾角传感器的数据后，通过数据融合处理，专业人员就可以依据此判断出山体滑坡的趋势和强度，并判断其威胁性大小。山体滑坡在地震之后的灾区随处可见，尤其是交通要道两侧的山体滑坡对救援进度更是会造成巨大的威胁，相信无数人仍然记得在听到理县到汶川的生命线在打通后不到一天的时间就又因山体滑坡而中断时那揪心的感觉。