无线传感器网络研究现状与进展

（一）智能传感器的定义

智能传感器的提法最早出现于20世纪70年代，当时提出将传感元件和信号处理单元整合于一个芯片上。随后，众多学者对智能传感器进行了定义，K.Najafi定义智能传感器：可提供数字化输出，能够进行双向通信，并能够执行命令和逻辑函数的传感器，这个定义把通信作为体现智能的一个重要方面。D.Hofmann定义智能传感器：具有信息处理功能，并具有可扩展的硬件和软件模块的传感器，其中模块化是降低成本的一个重要理念。G.Smith和M.Bowen定义智能传感器：通过整合微处理器可以实现部分或完全的信号调节功能的传感器。IEEE 1451智能传感器接口标准中对智能的定义是本地的数据存储和处理能力，并具有独立的网络通信接口和整合的数字传感器。

总结各种关于智能传感器的定义可以发现，智能传感器的特征主要集中在三个方面：①微型化和模块化，即在有限的尺度上整合更多的功能模块，包括测量模块、计算模块、通信模块等；②信号处理能力，即具有校准、修正、偏移、放大等多种数据处理和信息提取的功能；③系统通信，即具有标准化的接口和通信协议，使多个传感器可以组成一个系统，系统内每个传感器作为一个独立个体可与其他传感器进行通信交流。同时具有以上三个特征的传感器可认为是智能传感器。

（二）智能传感器的结构

智能传感器由3个或4个功能模块组成，包括传感器接口模块、计算模块、无线收发模块，某些传感器还附带有激励模块。传感器接口模块包括可以连接应变、加速度、温度、湿度等多种传感器的接口和将模拟信号转换为数字信号的信号转换器。计算模块包括执行计算任务的微处理器核心和运行程序与存储数据的内存。无线收发模块包括进行智能传感器之间通信交流的无线信号收发器和天线；激励模块包括激励装置和将数字信号转换为模拟信号的信号转换器。

（三）无线传感器网络测试原理

无线传感器网络由数据获取节点、数据传输网络和控制管理中心三部分组成，其核心组成部分是集成有传感器模块、数据处理模块和通信模块的微小节点。单个传感器节点上集成的形式多样的传感器模块，可感知所在周边环境中的多种信号变化，从而探测温度、湿度、物质浓度、光强度、压力、加速度、位移等众多物理量。多个传感器节点通过协议自组成一个分布式网络，把节点处理后的数据，通过无线多跳的方式直接传输给网关，或通过中继节点传输给网关，再由网关通过外界网络传回控制管理中心。中继节点的结构和无线传感器网络的基本节点相同，只是没有连接测量传感器，它只负责传输数据，保证全网的通信畅通。网关则是用来沟通无线传感器网络与已有的IP网络的设备。

（四）无线传感器系统的研制开发

C.R.Farrar等人开发了一个智能无线传感平台（husky），通过一个用Java语言编写的损伤探测算法程序包，执行一系列损伤探测算法来进行结构监测。J.P.Sheu等人提出了一种由静止节点和动态节点共同组成的传感器网络，开发出了可移动的无线传感器节点，使无线传感器网络具有节点置换，自动部署等功能，并提出一种基于接收信号强度的算法，可在未知节点位置信息的情况下，自动寻找并替换电量不足节点。M.Bocca等设计了一种由加速度计和温湿度计组成的传感器平台，并提出一种方法保证采样过程中高精度的时间同步，在一座木桥模型上与有线传感器数据进行了比较验证，结果显示无线传感器节点数据可以精确地识别被测结构的自然频率。此外，还有很多学者进行了智能传感器的研发工作。

除了学术研究中开发的无线传感器平台，工业界也开发了很多商业化的平台。Mote是最著名的商业化平台之一，最初由加州大学伯克利分校研发，随后由Crossbow公司将其商业化。Mote无论在硬件还是软件方面都是一个对公众开源的无线传感平台，这就给其他研究人员在其基础上进行改进提供了极大的方便。英特尔公司在Mote基础上，开发了Imote和Imote2，其中Imote2主要由32位的微处理器和2.4GHz的天线组成，是当前功能最强大和最具前途的智能无线传感器平台之一。(www.xing528.com)

T.Nagayama等基于商业化的Imote2无线传感器平台，结合分级网络架构和一系列的损伤探测算法，开发了一个自主的结构健康监测系统。传感器节点可自动进行损伤探测，不需要集中式的数据采集和处理，实现了分布式的结构健康监测，并在实验室内一个桁架模型上进行了损伤探测的验证测试。J.A.Rice等基于Imote2平台设计了一种新的传感器面板，开发了无线传感器网络管理软件，并在韩国的一座斜拉桥上进行了行全尺度结构健康监测试验。L.E.Linderman等人对Imote2智能传感器平台的无线通信特征进行了试验研究，对其无线通信能力以及内置和外置天线的性能进行了定量评价。结果表明，外置天线的传输和接收可靠性都明显优于内置天线，传感器的工作环境，包括建筑材料和其他的无线通信网络都会影响数据传输率，造成数据包的丢失。S.H.Sim等人基于随机减量技术提出了一种分布式数据采集方法，进行数据压缩和特征提取，并在Imote2平台上进行了实际测试，对使用该方法进行数据传输的有效性和系统识别的精度进行了验证。

（五）无线传感器网络优化研究

在无线传感器网络中，节点之间的感知覆盖范围和无线通信连通性是首要关注的对象。无线通信的数据传输距离和带宽有一定限制，如果节点持续保持高功率传输信号要耗费大量电能，因此，监测过程中，每个无线传感器都直接把数据信息从节点上传到接收网关是不现实的。J.Tang等人给出了一种双层架构，多个底层节点组成集合，每个集合有一个中继节点，为集合的控制节点，底层节点负责测量数据并传输到中继节点，中继节点去除冗余信息，提取有用信息，传回接收网关，这样大大减少数据量，降低网络工作强度，延长网络寿命。J.Tang等人进一步提出每个传感器节点应至少被2个中继节点覆盖，避免由于中继节点失效带来的网络瘫痪，并通过一种最优化算法来确定中继节点的位置。

Y.Gao等人对于一种密集布置的传感器网络，提出一种分布式计算策略，中继节点用底层节点得到的局部测量信息评估集合范围内结构单元的状态，把损伤探测结果，在周边集合之间交流，确定哪些信息传回控制管理中心。H.Jabbar等人提出了一种节能的传感器网络设计，通过设定不参与工作的传感器为空闲状态，达到节能目的，并提出一种算法，利用软件自动管理传感器的感知测量过程，改进系统整体性能。A.T.Zimmerman和J.P.Lynch利用无线传感器网络自组织、自愈合的特性，提出了一种多处理器并行计算框架，充分利用大规模无线传感器网络内的计算资源进行工程分析，并利用一个三层的钢结构模型，进行了测试验证。S.H.Sim等人针对智能传感器网络节点之间无线通信能力的限制，提出了一种分布式分级算法进行模态分析，确定结构的全局模态属性，并通过数值模型验证了方法的有效性。J.C.Patra等人提出了一种基于拉盖尔神经网络的计算方法，降低无线传感器网络的计算复杂性，自动补偿传感器自身以及环境因素对采集数据的影响，通过一个压力传感器进行了试验验证。E.Sazonov等人针对无线传感器网络的电量限制问题，设计了一种新型的无线传感器系统，获取桥梁结构上车辆通行产生的震动，并将其转化为可供传感器使用的电能，在一座乡村高速公路桥上进行了现场测试，验证了其可行性。

（六）无线传感器网络监测应用研究

李宏伟和欧进萍在实验室中建立和开发了一个原型监测系统，将选用的无线传感器节点布置在一个2层结构模型上，进行了无线传感器网络监测的试验研究。K.Chintalapudi等人分别在一个震动测试平台和一个废弃的办公楼上进行了无线传感器网络的现场测试研究。J.P.Lynch等人在一座混凝土箱梁桥上安装了无线传感器网络，进行了桥梁震动响应的无线传感器网络研究。A.T.Zimmerman等人基于智能无线传感平台开发了一个分布式模态识别系统进行结构模态识别，并在密西根东南部一个著名的剧院结构上进行了测试验证。H.Jiang等人利用无线传感器网络进行矿山隧道监测，提出了一种可靠的算法传送监测视频，并在实际的矿山隧道中进行了应用测试。N.A.Hoult等人利用商业化无线传感器平台对悬索桥的地下锚室，公路桥的混凝土裂缝，地铁隧道结构的位移进行现场测试研究。

（七）无线传感器网络应用实例

伦敦地铁隧道的大多数线路已经有近百年的历史，随时间推移，隧道衬砌在地层压力的作用下产生了退化和变形，影响隧道内列车的正常运行。为了监测隧道结构的变形，P.J.Bennett等人在伦敦地铁隧道Jubilee线上选取了200m长的示范段，试验安装了无线传感器网络，在这一段区域内存在大量混凝土衬砌碎裂情况。隧道内安装的无线传感器网络，采用倾角计和裂缝计监测隧道结构变形，采用温度传感器和相对湿度传感器监测隧道内环境变化。在所选监测区域内共安装了26个网络节点和1个网关，其中16个倾角计节点测量隧道变形，4个裂缝计节点测量管片环向接头变形，2个裂缝计节点测量管片纵向接缝变形，4个中继节点不安装传感器，仅负责传输数据，1个网关节点通过转发设备与计算机连接。每个倾角计节点和位移计节点都附带有温度传感器和相对湿度传感器，无须另外安装温度和相对湿度传感器。测量数据从传感器模块直接上传到网关或通过中继节点上传到网关。