物联网低成本长期环境监测：可复用无线传感器网络平台

### 物联网低成本长期环境监测：可复用无线传感器网络平台 #### 1. 引言 物联网（IoT）通过互联网协议，为各种现实生活中的物体提供了虚拟视图，从汽车、茶杯、建筑物到森林中的树木，无所不包。其魅力在于能够普遍访问任何我们感兴趣的“事物”的状态和位置。无线传感器网络（WSN）非常适合用于物联网表示的长期环境数据采集。为了实现适用于一系列长期环境监测物联网应用的优化WSN平台，从一开始就需要考虑诸如低成本、大量传感器、快速部署、长寿命、低维护和高服务质量等应用需求。此外，在所有设计层面上，都应考虑平台及其所有组件的低工作量复用。 自物联网概念提出十多年来，计算机能够在无需人工交互的情况下访问有关物体和环境的数据。从一开始，射频识别（RFID）和无线传感器网络（WSN）就被视为该范式的关键推动技术。虽然前者在低成本识别和跟踪方面已经成熟，但WSN为物联网应用带来了更丰富的传感和驱动能力。 然而，WSN应用的多样性使得为其硬件和软件定义“典型”要求变得越来越困难。通用的WSN组件通常需要根据特定的应用需求和环境条件进行调整，这往往会对整体解决方案的复杂性、成本、可靠性和维护产生不利影响，进而限制了WSN的采用，包括在物联网应用中的使用。 可复用的WSN平台正受到越来越多的关注，因为它们试图解决这些问题。这些平台通常通过利用目标应用类别的知识（如领域、WSN设备、感兴趣的现象）来优化关键的WSN应用参数，如成本、生产率、可靠性、互操作性和维护。 在物联网应用领域中，环境/地球监测正受到越来越多的关注，因为环境技术已成为全球可持续发展的关键领域。WSN环境监测包括室内和室外应用，室外应用可分为城市部署（如交通、照明或污染监测）和自然环境部署（如化学危害、地震和洪水检测、火山和栖息地监测、天气预报、精准农业）。 自然环境监测在技术和物流方面尤其具有挑战性，因为其通常具有恶劣的操作条件，并且部署和维护时实地访问的难度和成本较高。此外，物联网应用对低成本、高服务可用性和低维护的典型要求进一步增加了挑战。 通用的WSN平台可以在广泛的物联网环境监测应用中取得良好效果，但许多物联网应用（如在自然环境中长时间运行的应用）可能有严格的要求，如极低的成本、大量节点、长时间无人值守服务、易于部署和低维护，这使得通用的WSN平台不太适用。 为了具有成本效益，传感器节点通常在非常有限的能源储备下运行。过早的能源耗尽会严重限制网络服务，因此需要考虑物联网应用对成本、部署、维护和服务可用性的要求来解决这个问题。在极端气候环境（如冰川、永久冻土或火山）中的监测应用中，这些问题变得更加重要。 自然环境部署和通信协议的开发与实验表明，优化WSN以实现可靠运行通常既耗时又昂贵。可复用的硬件和软件平台可以更好地满足物联网应用对长期、低成本和可靠服务的要求，其中包括灵活的支持互联网的服务器，用于收集、存储和处理现场数据。 #### 2. 平台在WSN应用开发中的作用 自物联网范式早期以来，WSN丰富的功能使其成为连接物理世界和数字世界的最佳候选者之一。凭借小尺寸、板载处理能力、长时间无人值守运行以及由于多跳故障恢复无线通信而易于部署的特点，它们可以以最不引人注意的方式发挥这一作用，是智能尘埃概念的自然演进。 然而，WSN应用尚未充分发挥其潜力。大多数WSN平台中存在的多种技术，以及应用领域和规格的日益多样化，由于所需技能和开发时间的高成本，仍然是大规模采用的障碍。 WSN应用开发的典型价值流程如下： - **WSN应用终端用户**：提供应用领域、要监测的条件以及用于显示现场状态和警报的用户界面。 - **系统集成商**：利用现有的WSN技术来满足应用需求。在时间和成本压力下，他们理想情况下希望找到能够端到端完全满足WSN应用需求的完整WSN平台。 开发和维护一个完整、灵活且可靠的WSN平台成本高昂，需要广泛的专业知识、先进的网络和用户界面设计、底层固件和集成开发环境（IDE）以及用于高级应用定义的代码生成技术。质量保证也非常重要，因为整体不可靠性的认知仍然是WSN更广泛采用的限制因素。 商业WSN开发平台通常由硬件供应商为其设备提供，这些平台通常侧重于利用供应商硬件的特性，往往以硬件为中心，而不是以WSN应用为中心。因此，它们可能需要进行重大扩展或调整才能适当地覆盖更广泛的应用。此外，它们在某些方面往往明显落后于WSN领域的最新技术。 大多数现有的嵌入式（如TinyOS、freeRTOS、Contiki）或服务器（如GSN）开源项目在很大程度上与供应商和硬件无关，但它们也不能满足完整的WSN应用需求，需要进行大量的调整和集成才能有效使用。 此外，前期集成到现有开发流程中的努力以及专有解决方案对供应商硬件的锁定，往往会导致严重的阻碍问题，影响使用和商业潜力。所有这些方面最终导致系统集成商的努力浪费、交付机会的错过或表现不佳、更高的开发成本和风险。对于新进入者来说，这些还增加了现有的进入和差异化障碍，有效地限制了新WSN解决方案的采用。 一个完整的、从传感器到用户界面的WSN平台将使系统集成商能够将大部分资源用于满足用户的需求。理想情况下，WSN平台应该是灵活的、可靠的、与硬件无关（无锁定），并且能够不断更新以跟上WSN领域的最新技术。 然而，构建和维护这样一个平台的成本很高，需要复杂的跨学科技能，系统集成商作为主要受益者，很难承担这些成本。虽然底层技术供应商可以很好地覆盖某些特定领域，但他们的关注点通常过于狭窄，无法成功解决一个完整的端到端平台问题。 尽管如此，技术供应商的专有或开源贡献对于构建高质量的完整平台至关重要。例如，WSN平台的硬件支持对系统集成商和硬件供应商都很重要。因此，硬件端口可以为各方增加价值，它们可以由系统集成商、硬件供应商赞助，或者由研究或开源社区出于真正的兴趣为最流行和时尚的硬件进行开发。 实际上，大学研究和开源社区已经为完整的WSN平台提供了有价值的元素。在固件和软件方面，有开发工具、通信协议、嵌入式操作系统、安全功能以及为现场设备实现的一些标准，而服务器端则受益于先进的Linux、用户界面和网络工具与技术。 #### 3. 物联网环境监测要求 WSN数据采集在物联网环境监测应用中具有挑战性，特别是在自然环境领域。这些应用可能需要大量传感器、低成本、高可靠性和长时间免维护运行。同时，节点可能会暴露在多变和极端的气候条件下，部署现场可能难以到达且成本高昂，现场设备的重量、尺寸和坚固性也可能很重要，例如如果它们需要用背包运输。 以野火监测为例，使用现场分布式温度传感器的应用概括了大多数这些要求和条件。在最简单的事件驱动形式中，每个传感器节点定期测量周围空气温度，在板上进行处理以降低能耗，并在温度超过阈值时向监控人员发送警报。为了实现快速响应时间，即使是小面积的覆盖也需要大量的传感器节点，这使得该应用成为事件驱动的高密度物联网应用类别中成本、网络和部署问题的代表。 在最简单的星型网络拓扑中，传感器节点直接连接到网关，每个网关自主连接到服务器。理想情况下，确定性的现场部署程序确保每个传感器节点能够与多个网关通信，以避免单点故障。 这个应用可以属于所有三种WSN类别：事件驱动（如上述）、时间驱动（例如，如果传感器节点定期发送温度读数或统计数据）和查询驱动（例如，如果操作员可以请求当前温度）。这意味着支持该应用运行的基础设施可以用于广泛的类似长期环境监测应用，如： - 湖泊、溪流、城市污水的水位监测； - 城市、实验室、仓库中的气体浓度监测； - 土壤特性（如湿度）监测； - 静态结构（如桥梁、大坝）的倾斜度监测； - 监测山体滑坡等位置变化； - 照明条件监测，可作为组合传感的一部分或独立监测，例如检测黑暗场所的入侵； - 火灾的红外辐射监测，或检测人类或动物的存在