无线传感器网络：原理与挑战

无线传感器网络

1.1. 简要历史回顾

尽管目前在研究实验室以及工业界都对此进行了广泛讨论，但无线传感器网络这一概念其实相当古老。我们并不声称这是该技术的首次应用实例，但值得注意的是，例如，自1967年起美军在越南战争期间就部署了此类传感器1。这项技术至今仍在军事领域得到应用，其微型化系统属于无人值守地面传感器（UGS）的范畴。

第二个值得注意的历史里程碑是2003年加州大学伯克利分校提出的新概念所引发的关注，这一概念促成了另一类设备的诞生。在智能尘埃的标题下，一种新型系统结构被公布，该结构在立方毫米级别上集成了传感器、信号处理和无线通信（无线电或光学）。这一新概念源于此前十年由兰德公司（美国智库）和国防高级研究计划局（DARPA）在美国开展并资助的多项研究。这种革命性结构一方面得益于微电子学领域的进步以及

1　20,000套配备电池的系统由飞机或直升机投放。这些系统设计用于探测车队的通过，配备了地震或声学传感器。着陆后，系统的大部分沉入地下，仅有无线电天线露出地面。飞机将测量数据中继到控制中心。

微型化，另一方面则源于微机电系统（MEMS）技术，而微机电系统本身是一种较新的技术形式，因为它起源于微电子学。MEMS的主要贡献在于其可用于制造微型化的传感器或执行器。然而，自从这些研究发表以来，伯克利的研究人员就承认，一方面关于能量及其存储的问题，另一方面关于无线信息传输2的问题，似乎将成为系统完全微型化的障碍物。

当时考虑的应用涉及将这些系统广泛应用于服装、建筑、土木工程基础设施、动物以及人类自身。然而，这种普遍化的渗透在过去和现在都受到两个因素的制约：技术上的局限性，以及最重要的是需要部署这些超微型无线传感器网络的可行应用极为稀少。正如前文所述，尽管存在诸多问题，这一概念极大地激发了大学研究和工业开发实验室[BEL 12]的研究热情，如今已出现了切实可行的应用，包括使用所谓的轮胎压力测量系统（TPMS）进行轮胎压力测量，或对工业机械进行远程监控。然而，所部署的系统在不计入无线电天线的情况下，体积仍达到数立方厘米量级。

1.2. 一些原理和定义

在本节中，我们将提供一些关于无线网络结构及其节点功能结构的参考。

1.2.1. 无线传感器网络的结构

无线传感器网络将组成该网络节点的系统（被不公平地称为传感器）汇聚在一起。可能存在大量

这些节点的数量可能较多，也可能相对较少。每个节点都必须能够将其传感器收集到的信息传输到一个汇聚点。这种传输可以是直接的，也可以通过中继进行转发；在后一种情况下，每个节点（或其中一部分）将充当一个中继，最终还可能充当路由器。对于无线链路而言，via 中继的传输方式可以降低天线辐射功率，因为接收到的功率与节点间距离的平方成反比3。尽管这种方式具有吸引力，但从帧发送同步、碰撞管理以及消息路由的角度来看，使用中继仍然是一种较为复杂的方法。

最后，一些节点可用于数据聚合，以减少传输流量，并避免过载位于汇聚点附近的中继节点。因此，这些节点不一定完全相同。

该网络可以手动部署，其中每个节点占据一个明确位置，或随机地部署（自然散布）。网络的拓扑结构可以是固定的（如在建筑、船舶、飞机或工厂中的部署），也可以随时间变化（如在多个移动物体上、液体环境中或协作无人机上的部署）。在节点部署后被视为不可访问的情况下（如散布到自然界中、遗失在混凝土结构中，或放置于飞机的不可访问区域——除非进行大规模拆卸），则必须考虑容错性和自组织能力。

3　在自由空间中。在存在大量障碍物的复杂环境中，衰减更快，这进一步增加了使用中继的优势。

1.2.2. 节点结构

无线传感器网络的一个节点至少应具备：
– 一个传感器；
– 一个用于模拟（处理传感器输出、模数转换和射频电平）和数字处理（滤波、存储、时钟和调制）信号的单元；
– 一个无线传输装置；
– 一个电源（由于节点与任何电缆网络隔离，因此这是必需的）。

它可能还配备有：
– 无线接收装置；
– 一个执行器；
– 一个专用定位单元（如全球定位系统，可实现时间参考的获取）。

所有这些在包装方面都可能受到设计任务书的限制：
– 重量；
– 体积；
– 环境条件（温度、压力、振动和加速度、电磁辐射、化学物质、爆炸性环境等）。

该单元的功能由一个操作系统控制，大多数情况下，该系统必须在保持期望功能的同时保持节能。我们将在后文更详细地探讨这一点，但对于这些能量自主节点而言，这是一种需要节省的资源。当然有必要安装专用嵌入式软件以及适配的无线电调制。从材料角度来看，一种传统方法是仅对系统的部分组件进行供电

在特定运行阶段所需的组件；例如，当没有预期的数据传输时，不会向无线电电路4供应能量。然而，在实施这种传统策略时必须格外小心；集成电路在启动或停止的瞬态过程中消耗的能量通常比稳态时更多。因此，有必要进行评估，该评估需考虑瞬态和稳态下的能量消耗以及开关操作的频率。

4　一般来说，这些是耗能最多的组件。

1.3. 能量问题

选择使用无线网络意味着每个节点都将是能量自主的，因为这些节点无法通过电缆获得供电via。因此，显而易见的解决方案是从节点内部的能量储备中获取能量，该储备采用电化学电池。稍加深入的分析将需要其他解决方案，如图1.2所示，我们现在将从左到右总结这些解决方案（见图1.2）。

我们将在后文看到，能量自主是一个强有力的限制条件；因此，认真权衡放弃有线网络选项（图1.2中的选项(a)）所带来的后果是十分自然的，尤其是考虑到其在能量供给方面的贡献。在某些情况下，适应节点需求的能源网络并不会离节点太远：例如，在卫星本体中，或在陆地车辆的某些部件中。在这种类型的环境中，能量自主可能在可靠性、复杂性或重量5方面更多地成为一种劣势而非优势。

然而，在本卷中，我们将关注无线网络，因此需要考虑能源自主问题。无布线具有多个明显优势，包括：
– 部署速度要快得多；
– 在必要时，更容易调整节点定位；
– 在某些情况下（长电缆），由于无布线，不仅具有重量优势，还能实现成本降低；
– 节点（车载网络）周围环境中最终存在的能源网络几乎无污染（除电磁污染外）。

正如前所述，因此最简单的解决方案是使用由不可充电（一次）电化学电池提供的能量储备（图1.2中的选项(b)）。电化学储能是一项成熟的技术，已有高效的锂基产品可用，其特点包括：
– 高能量密度6 （约 500 瓦时/千克）；
– 低自放电（一年内约 1%）；
– 使用寿命达数年。

5　作为其研发活动的一部分，本书作者多次被要求设计一种环境能量收集源，其重量不得超过将节点与几厘米或几米远的能源网络相连所需的电缆重量。6　与电子电路集成密度方面取得的进步（摩尔定律）相比，电池中存储的能量密度方面的进展要缓慢得多。

然而，有一些使用限制不应忽视：
– 性能高度依赖于温度，且工作范围受限（例如，高效电池的工作范围为–60°C至+ 85°C，尽管在低温下串联电阻会显著增加）；
– 与化学炸药相比具有高能量密度，如果不遵循标准使用指南（温度和电流），在发生火灾或爆炸时存在很大风险7；
– 最后但也许最重要的是，能量储备显然是有限的，一旦能量耗尽就需要更换电池。这种持续更换的需求以及有限的自主性可能会根据传感器网络的使用方式成为主要障碍。

为了提高自主性水平，甚至实现完全自主，可以采用环境能量收集。该原理基于通过特定换能器将节点周围环境中自然存在的能量流转化为电能。通过光伏过程收集光能就是这一原理的一个很好例证；正如我们将看到的，其他能源也同样适用。这种能量转换的实现方式有三种不同途径：
– 换能器与不可充电（一次）电池协同工作（图1.2中的选项(c)），为节点消耗的部分能量提供支持，并延长系统的自主性；
– 换能器与可充电（二次）电池协同工作（也在图1.2的选项(c)中表示），当能够向负载提供足够能量时，可充电电池起到中间（或缓冲）储能的作用；
– 换能器与静电储能系统协同工作，无需化学反应（图1.2中的选项(d)）。我们将进一步详细研究这种结构，但目前需要注意的是，尽管通过电容器或超级电容器储存静电能量在能量方面性能有所降低

7　因此，这些高性能电池配备了被动保护装置（保险丝、与排气口相连的薄弱点，以便气体逸出，防止发生不受控制的爆炸）。
与电化学储能相比，其密度更高，危险性更低，且能够实现几乎无限次的充放电循环。

还应注意的是，与不可充电电池相比，可充电电化学电池在一般使用中存在更多限制：通常无法在负温度（低于0°C）下进行充电。为了延长其使用寿命，还需要复杂的电子电路来控制充电过程（以恒定电流和/或电压充电、检测充电结束、选择是否注入补充电流以补偿自放电）。最后，它们的能量密度低于不可充电电池，但如果使用不当，同样存在相同的风险8。

1.4. 航空学

自航空领域诞生以来，出现了许多技术突破。最近的技术突破涉及在结构部件中使用复合材料以及计算机化、电子和电气系统日益重要的地位。民用航空——尽管经历了“危机”——仍然是一个充满活力的领域，正处于显著增长时期，无论是在制造商、航空公司还是机场方面均如此，甚至可被视为对经济的重要贡献者之一。

然而，进入21世纪初，航空领域面临着一系列挑战，包括交通量增长、安全与安保、环境保护（空气污染、噪音和飞机回收）、短期能源危机（燃料价格上涨）以及长期能源危机（化石燃料9的枯竭）。为应对这些挑战，目前正在实施或计划采取相关措施：
– 空中交通管理；
– 机场设计；
– 发动机（例如，Open Rotor）；
– 空气动力学；
– 建筑材料，减轻重量；
– 多电飞机（MEA）。

多电飞机（MEA）是一种概念，其中飞机上传统的动力网络（机械、气动和液压），均由发动机燃烧煤油提供能量，将逐步被以电力为主的动力网络所取代（推进系统除外，该特定方面涉及所谓的 electric飞机）。这一概念旨在减轻重量，并降低生产和维护成本。

MEA概念属于一个更广泛的框架，该框架可分为三个阶段：
– 电传操纵（电动飞行指令，随协和飞机和空客A320引入民用航空）；
– 线控驱动（消除传感器与执行器之间的物理、机械、气动或液压连接）；
– 线传供电（电动执行器）。

然而，电动执行器无法像液压执行器那样利用fluid排出局部产生的多余热量（尤其是在高密封情况下）。当执行器安装在为提高空气动力学性能而精心设计成气密的机翼中，从而完全消除气流时，可能需要增设风道来冷却电动执行器（图1.3）。读者不必对这些看似略微偏离主题的细节感到惊讶：它们表明，只要有充分的理由，飞机制造商也愿意局部牺牲飞机的空气动力学效率。我们将在本卷关于气动声学应用的章节中进一步讨论这一点。

总的来说，在更广泛的创新背景下，传感器网络将发挥越来越重要的作用：实现客舱环境控制，连接个人电子设备，协助飞行员进行决策，通过改进的射频识别标签识别货物及可拆卸设备（如救生衣），并在地面和飞行中实现飞机与其环境的安全且最优的集成。

新的网络近似推导出汽车。在其他方面，也包含了可用于其组件环境中的灰尘、碰撞等特定情况。这对于维护至关重要。传统上，可预测性网络将节省时间并减少维护成本。

然而，由于复杂性。图1.4 战斗机 电缆的重要性 每单位电缆的

从该图中可以明显看出，航空领域的布线长度非常大，这涉及到极为复杂的网络，可以通过布线长度与飞机或汽车的线性米进行比较来评估其复杂程度。最后，以A380为例，我们了解到这一近似数值，值得一提的是，制造商在试飞过程中额外使用的电缆长度为300公里，加上原本已有的500公里。在试飞框架下，这些附加网络尤其难以部署到并未为此设计的飞机中。随着复合材料在飞机中日益广泛的应用，由于难以（甚至无法）在隔板或结构部件中适当地创建电缆通道，这种困难将进一步增加。

因此，航空领域存在一个矛盾现象：新型传感器网络的功能需求不断增加，但却面临着不能使已十分复杂的电线系统过载的问题。因此，自然会要求使用无线传感器网络，前提是这些网络必须是能量自主的，这一方面我们将在下一章中更详细地讨论。