最近，利用無線網(wǎng)絡(luò)連接傳感器并收集數(shù)據(jù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)開始從研究階段進(jìn)入了實(shí)用階段。傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了哪些應(yīng)用？為何在最近才開始得到應(yīng)用？實(shí)際參與開發(fā)的住友精密工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)事業(yè)室宮本哲（技術(shù)部門主任）就今后的課題接受了記者采訪。
問：利用無線的傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)經(jīng)歷了怎樣的過程？
宮本：傳感器網(wǎng)絡(luò)成為關(guān)注焦點(diǎn)的契機(jī)是1998年～2001年開展的“SMART DUST”（智能微塵）計(jì)劃。這是由美國國防部DARPA提供資金，以美國加州大學(xué)伯克利分校（University of California Berkeley）為中心開展的計(jì)劃，其目的是開發(fā)使用MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術(shù)的超小型無線傳感器節(jié)點(diǎn)。就像“SMART DUST”的名稱一樣，其最終目的是使超小型傳感器節(jié)點(diǎn)漂浮在空氣中收集周圍的環(huán)境信息，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)方。雖然還無法在空氣中漂浮，但現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出了體積僅為10mm3左右的微小傳感器節(jié)點(diǎn)樣機(jī)。
之后，使用市售部件開發(fā)低成本普及型傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)劃得到推進(jìn)，美國Crossbow Technology投產(chǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)“MICA MOTE”由此誕生。隨著普及型傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的問世，傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究領(lǐng)域也開始向?qū)嶋H應(yīng)用拓展，從中獲得的反饋推動(dòng)了傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展。
由于最初是DARPA的計(jì)劃，因此在過去，掌握戰(zhàn)場情況等軍事色彩濃厚的應(yīng)用為數(shù)較多，生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查、工廠設(shè)備監(jiān)控、人及物的跟蹤、防災(zāi)等應(yīng)用也在研究范圍之內(nèi)。
在日本國內(nèi)，住友精密工業(yè)與Crossbow正在合作開發(fā)MOTE相關(guān)產(chǎn)品系統(tǒng)。在最初階段，大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的采用較多，這2～3年間，商店和工廠的實(shí)際采用也有所增加。用途包括管理超市生鮮柜溫度的節(jié)能系統(tǒng)、用于辦公室和工廠節(jié)能的能源監(jiān)控等。傳感器網(wǎng)絡(luò)還被應(yīng)用于工廠自動(dòng)化設(shè)備的控制，可以通過減少布線削減變更設(shè)置、布局帶來的施工成本。
在海外，上述應(yīng)用開展廣泛，由于寬闊的農(nóng)場繁多，因此農(nóng)場的環(huán)境監(jiān)控采用了傳感器網(wǎng)絡(luò)。鑒于農(nóng)業(yè)和室外需求較多，而且今后有望繼續(xù)增加，Crossbow在去年上市了面向此類用途的傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品“eKo”。該產(chǎn)品在日本也已上市，得到了農(nóng)業(yè)類大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的采用。
“eKo”是配備防水機(jī)殼、干電池以及太陽能電池的傳感器節(jié)點(diǎn)，電池壽命長達(dá)數(shù)年，減少了更換電池的麻煩。在加利福尼亞的葡萄園中，該產(chǎn)品在土壤濕度測量方面發(fā)揮了優(yōu)化灌溉的作用，使降低成本和提高葡萄品質(zhì)同時(shí)得到了實(shí)現(xiàn)。除此之外，石油精煉廠的設(shè)備監(jiān)控也采用了該產(chǎn)品。在難以確保電源供應(yīng)的室外，無需布線即可覆蓋廣大區(qū)域的傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適用。該產(chǎn)品的無線通信標(biāo)準(zhǔn)采用IEEE802.15.4。
為何現(xiàn)在應(yīng)用才開始拓展？
問：拓展傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用為何到如今才開始得到拓展？Crossbow的系統(tǒng)在本世紀(jì)初就已經(jīng)配備了能夠借助微小內(nèi)存容量運(yùn)行的小型傳感器OS“TinyOS”，基本技術(shù)已大致完善。
宮本：傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開始得到開拓主要有3個(gè)理由：構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件的發(fā)展、無線通信標(biāo)準(zhǔn)的建立、研究和樣機(jī)成果的積累。
首先是構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件的發(fā)展，如今，微控制器、無線IC和傳感器的低成本化、低功耗化程度越來越高。在大量生產(chǎn)時(shí)，1個(gè)模塊的成本甚至可以低于2000日元。由于利用傳感器網(wǎng)絡(luò)得到的效果因應(yīng)用而異，因此，目標(biāo)成本并不能統(tǒng)一決定，在大量應(yīng)用之中，阻礙實(shí)用化的成本問題正逐一得到解決。通過降低功耗提高電池壽命的改進(jìn)也在開展，在越來越多的情況下，電池壽命也和成本一樣不再對(duì)實(shí)用化構(gòu)成阻礙。
第二個(gè)是無線通信標(biāo)準(zhǔn)，隨著ZigBee使用的物理層——IEEE802.15.4于2003年制定完成，以足夠傳輸傳感器數(shù)據(jù)的250kbps的速度低功耗、無照使用無線成為了可能。電波法的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)適用證明只需模塊和傳感器節(jié)點(diǎn)取得即可，使用者無需取得認(rèn)證。
在此之前，傳感器數(shù)據(jù)傳輸使用微弱無線和特定小功率無線，存在著數(shù)據(jù)傳輸速度不足、無線IC編程復(fù)雜等問題。
另外，由于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)無線IC開始在各種產(chǎn)品中普及，因此，無線IC的成本還有望繼續(xù)降低。隨著協(xié)議上位端的ZigBee、WirelessHART、ISA-SP100等標(biāo)準(zhǔn)的制定，在執(zhí)著于全球標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)應(yīng)用中的采用也隨之開始。
第三個(gè)理由——研究和樣機(jī)成果的積累帶動(dòng)了實(shí)用化。比方說，工廠的設(shè)備異常監(jiān)控需要通過監(jiān)控振動(dòng)，查出設(shè)備的異常征兆，從而預(yù)防故障，完成這一操作需要為觀測到的現(xiàn)象與設(shè)備故障之間建立聯(lián)系。在這種實(shí)用前需要時(shí)間驗(yàn)證的應(yīng)用中，完成傳感對(duì)象分析并且進(jìn)入實(shí)用階段的例子越來越多。
今后的課題是什么？
問：今后，進(jìn)一步普及傳感器網(wǎng)絡(luò)還需要解決什么課題？
宮本：我認(rèn)為普及有2個(gè)階段，每個(gè)階段有不同的課題。
首先，現(xiàn)在正在進(jìn)行的有線系統(tǒng)無線化的課題是降低成本和確�？煽啃浴�(duì)于某些應(yīng)用，成本和可靠性在目前都不構(gòu)成問題，但是，為了拓展應(yīng)用范圍，今后仍需進(jìn)行改進(jìn)。
成本方面，我認(rèn)為，隨著傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)量的增加，價(jià)格會(huì)逐漸下落，無線化應(yīng)用將隨之增加。
可靠性方面，有些人擔(dān)心無線的可靠性不如有線。但有線同樣存在可靠性問題，在使用中一般會(huì)配合故障安全措施。無線也是如此，只要配合故障安全措施就能夠得到足夠的可靠性。而且，在某些使用環(huán)境下，有線存在線纜腐蝕和損傷的問題，無線的可靠性較高。我認(rèn)為，通過明確應(yīng)用需要的可靠性、加入必要的故障安全機(jī)制，可靠性課題能夠得到解決。
在下一階段，我們的目標(biāo)是創(chuàng)造出只有傳感器網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)的嶄新應(yīng)用。這需要繼續(xù)實(shí)施技術(shù)開發(fā)，向?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)超小型化、近乎無需電池的低功耗化等“SMART DUST”終極目標(biāo)靠攏。而且，在這些技術(shù)開發(fā)中必須找到能夠聚集人力和資金的應(yīng)用。
上述應(yīng)用需要相應(yīng)領(lǐng)域的深厚知識(shí)，因此，單純依靠傳感器網(wǎng)絡(luò)廠商無法順利開展研究。隨著人們對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)可能性認(rèn)知的深化，我期待傳感器網(wǎng)絡(luò)廠商與在特定應(yīng)用方面擁有深厚知識(shí)的廠商強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，推出新的應(yīng)用。
系統(tǒng)構(gòu)成要素與開發(fā)重點(diǎn)
問：請(qǐng)介紹一下傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成要素。
宮本：大致可以分為包含傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)部分和進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)處理的網(wǎng)關(guān)客戶端部分。在某些使用形態(tài)下還需要傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件開發(fā)環(huán)境。
首先是傳感器節(jié)點(diǎn)，使用頻帶和功率等無線部分的配置、環(huán)境耐受性能、能夠使用的傳感器、安裝方法和電源種類由硬件部分決定。
軟件中比較重要的是無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)形態(tài)由其決定，電池壽命也相應(yīng)受到影響。網(wǎng)絡(luò)形態(tài)包括只能夠收集傳感器數(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)直接傳輸?shù)男切�、能夠多重跳躍傳輸和中繼的形態(tài)，以及由全部節(jié)點(diǎn)均可中繼的網(wǎng)型、以部分可中繼節(jié)點(diǎn)為中心形成的星型簇組合而成的混合星型�；旌闲切陀挚梢苑譃槟軌蚩绱馗淖冎欣^對(duì)象的類型和不能的類型。由于可中繼節(jié)點(diǎn)必須接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，因此，與不進(jìn)行中繼單純發(fā)送的節(jié)點(diǎn)相比，電池壽命明顯偏短。在大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可中繼節(jié)點(diǎn)的電池壽命極短，因而無法實(shí)現(xiàn)電池驅(qū)動(dòng)。
接下來，傳感器網(wǎng)絡(luò)收集數(shù)據(jù)的處理方式由網(wǎng)關(guān)客戶端部分決定。有些客戶端準(zhǔn)備了通用的傳感器數(shù)據(jù)顯示客戶端軟件，但基本來說，客戶端軟件需要按照應(yīng)用專門準(zhǔn)備，或是在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式后嵌入現(xiàn)有系統(tǒng)。
另外，使用自主傳感器、在傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)加入應(yīng)用的固有處理時(shí)需要開發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)軟件。這時(shí)需要用到傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件開發(fā)環(huán)境。能夠在何種語言環(huán)境下開發(fā)？OS是什么？利用無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的API情況如何？這些對(duì)于提高開發(fā)效率非常重要。
把傳感器節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)有設(shè)備連接，像無線調(diào)制解調(diào)器那樣使用時(shí)無需開發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)軟件，需要的是通過某一接口與作為無線調(diào)制解調(diào)器工作的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。對(duì)于RS232C等1對(duì)1通信形態(tài)的無線化，在直接無線發(fā)送UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）來源數(shù)據(jù)的“穿透”模式下也可以使用，如果是使用RS485的主從式通信這種1對(duì)N通信形態(tài)，那么就必須把無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的發(fā)送對(duì)象告知無線調(diào)制解調(diào)器。
問：系統(tǒng)開發(fā)的重點(diǎn)是什么？另外，軟件開發(fā)人員在編寫源代碼時(shí)需要注意哪些地方？
宮本：對(duì)于內(nèi)存容量與處理速度等硬件資源有限的傳感器節(jié)點(diǎn)，編程需要注意數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置、讀取寫入時(shí)機(jī)的整體平衡。
以通過無線通信接收數(shù)據(jù)并且中繼轉(zhuǎn)發(fā)至其他節(jié)點(diǎn)為例，由于接收緩存有限，因此在寫滿前必須進(jìn)行發(fā)送處理。但另一方面，從自身的傳感器讀取數(shù)據(jù)的處理也在進(jìn)行，因此，如果二者不能均衡處理，數(shù)據(jù)就會(huì)丟失，降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的流量。
編程水平當(dāng)然需要注意，在最初設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，估算可行的數(shù)據(jù)傳輸率和節(jié)點(diǎn)數(shù)也非常重要。
而且，為了減輕傳感器節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷，把復(fù)雜處理留給服務(wù)器的方式同樣有效。但是，作為系統(tǒng)架構(gòu)，如果不能確定哪種格式的數(shù)據(jù)由哪層處理的策略，擴(kuò)展性就會(huì)出現(xiàn)問題。
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