节能减排新触角―无线传感网:节能减排

　　（武文权）被戏称为“建筑物皮肤”的无线传感网，在节能减排改造项目中将大有用武之地。 　　有关统计数据显示，中国建筑能耗和使用能耗已经占到国家每年总能耗的30%以上，且每年平均以1%的速度递增。目前我国城乡既有建筑总面积约为400亿平方米，其中，95%以上达不到节能标准，属高耗能建筑，能耗比同等气候条件下发达国家要高出2～3倍。按发达国家经验，进行建筑节能改造是有效途径。如果中国建筑都能实行高水平的节能改造，至少能节能20%。
　　“感知”是节能减排前提
　　随着半导体、微系统、无线通信和计算机等技术的发展，上世纪90年代开始出现的无线传感网技术WSN（Wireless Sensor Networks）发展至今，已经进入了产业发展的初期。以下介绍两种已经投入使用的系统。
　　
　　●建筑能耗监测系统
　　建筑所必须的电梯动力、照明、空调、消防、通风、高低压配电等用能信息的传递是建筑节能和工业节能的基础，高效实现建筑节能信息化的关键问题之一是解决这些信息的传输问题。在建筑大楼中，特别是既有建筑，遇到的最大问题是需要综合布线，工程量大、成本高昂、对大楼环境具有破坏性。因此对建筑大楼最佳的信息传递方式是通过无线方式，传统的GSM、WLAN、SCADA等无线系统存在功耗高、设备和运行成本高、组网不灵活等局限，而无线传感网技术正是解决这一难题的最佳解决方案。
　　基于无线传感网技术开发的建筑能耗监测系统应运而生。系统的特点是基于无线传感网技术进行信息的采集和传输，一方面无线传感网节点自身采集温度参数，另一方面它们与各种用能设备连接，通过无线自组网方式自动采集分散在各地的电、水、冷、暖等实时数据，使用户能随时监测现场耗能设备的运行数据，并且通过数据存储和处理实施能耗诊断、能耗评估和能耗改造。系统适用于各种既有建筑和新建建筑，组网方便，不占空间，无需综合布线施工，项目实施快速简捷（如图1、图2所示）。
　　
　　
　　●基于无线传感网技术的分体空调节能管理系统
　　对于使用分体空调的单位而言，最大的问题是无法对分体空调进行有效的管理和控制，从而导致过高的空调能耗和舒适度的损失。基于无线传感网技术的分体空调节能管理系统，让用户能够方便地在本地和远程管理本单位的分体空调，并通过优化管理达到节能的目的。
　　系统通过无线传感网节点，根据自身温度、湿度的检测算法或者预先设定的模式，以红外线方式对分体空调实现合理控制，通过节点组成的网络实现分体空调的集中化管理。每一个节点可以自动组网，向主节点（网关）发送各种信息，甚至可以包括每一台分体空调的设备运行状态参数。通过后台的管理平台，用户可以实现各种工作模式（例如定时定温、定时节能控制、定时费用控制等）的选择和数据统计分析等功能，从而可以实现分体空调的高效管理，达到良好的节能效果。
　　
　　无线传感网走向应用
　　在整个信息技术朝着“泛在网络”（Ubiquitous Computing Networks）方向发展的进程中，无线传感网作为其中重要的组成部分，已经由概念开始走向实际的应用。
　　1988年，美国施乐公司的马克•魏瑟博士第一次提出了“泛在计算”（Ubiquitous Computing）概念，随着这一概念的不断发展，世界上一些国家已经把泛在理论融入到了社会经济发展规划和战略中。2003年和2005年联合国召开的两次全球信息社会高峰会议都呼吁世界各国积极行动起来，建立泛在的信息社会（UIS: Ubiquitous Information Society）。2005年4月，国际电信联盟在日内瓦召开了泛在网络社会建设研讨会，对泛在网络社会建设的理论、技术进行了探讨，并介绍了美国、日本、韩国、英国、意大利的应用案例。日、韩等国已经将其视为新一轮经济增长的强力引擎和改善民生的重要手段。
　　泛在网络的本质是情景感知（Context Awareness），将微小的计算机嵌入到各种物体中和人们生活中的每一个角落，被智能化了的物体和角落通过相互之间的自动感知，主动为人们提供各种服务，而不是像现在的个人电脑一样，需要人坐在电脑前面操作复杂的机器。情景感知可以通过标识（IDentifier）识别或者传感器主动获取信息实现，并且都通过无线通信的方式。通过标识识别感知即是目前发展势头正猛的RFID，通过传感器感知即是无线传感网。所以，RFID与无线传感网应该统一到泛在网络的范畴中。目前RFID的实际应用已经很多，而无线传感网的实际应用也已经开始了。
　　无线传感网的技术特点是节点体积微小、超低功耗、支持大规模的节点数量，以自组织的方式组成多跳的和高可靠的无线通信网络。节点的硬件核心是8/16/32位嵌入式微控制器。节点体积微小是由于需要嵌入到物体中的需要，这种需要也要求节点在绝大多数情况下自己解决供电，所以超低功耗是无线传感网节点的另一个基本要求。微小的体积和超低功耗决定了节点的无线通信距离短，对于需要较远距离传输的需求，则通过多跳的网络实现。而自组织的方式是根据情景感知需要自动实现的要求决定的。在无线通信链路本身不稳定的情况下实现一个自组织的、多跳的和高可靠的网络是一项技术挑战，是无线传感网技术实现的难点和重点。
　　
　　标准决定出路
　　目前，无线传感网技术已经发展到了可以将一部分传感器、嵌入式MCU和无线通信收发器集成到一颗芯片的程度。美国和欧洲的一些大大小小的半导体公司已经推出这样的芯片了，例如TI、Freescale、Jennic、Ember、Nordic等。同时推出的还有温度、湿度、光照、加速度、红外、气体检测等低功耗传感器芯片。所以，目前已经可以制造出微小的无线传感网节点硬件了。尽管还没有形成一种能成为标准的主流协议，但作为软件核心的无线传感网通信协议已经出现。此外，无线传感网技术范畴中的统一标识、操作系统、安全机制、广域分布式数据库和后台服务等内容正在不断发展和完善。总之，技术的发展已经允许开始进行无线传感网的实际应用了。
　　但是，目前开始开展的无线传感网的应用都是基于私有技术实现，还处于一种比较分散和孤立的状态。在通信方面影响力较大的Zigbee技术由于频段绕射能力、组网以及功耗等方面的问题只适合于解决某些需求，离无线传感网的要求还比较远。所以，无线传感网的技术进展急需在应用开始推进的过程中从一开始就制定并逐步形成一种占主流的标准技术。而且，由于无线传感网与RFID技术的目标一致，标准应该将两者统一起来，形成一个完整的泛在网络的技术体系。
　　目前，国际标准化组织/国际电工委员会ISO/IEC正在组织成立无线传感网工作小组。我国信息技术标准化技术委员会也已经成立了无线传感网工作小组，标准的制定正在进行。工作组由国内从事无线传感网研究的主要单位以及相关企业共同组成，正在努力制定无线传感网的标准并同时将标准落实到芯片，实现产业化，因为产业化的成功才意味着标准的成功，要克服标准与产业脱离的问题。值得欣喜的是，国内已经出现了有能力设计和生产符合中国无线个域网通信标准的并有望成为无线传感网主流硬件的芯片公司。
　　我国无线传感网的研究起步不晚，中国科学院从1999年就专设相关知识创新工程开始了无线传感网的研究，并在国家中长期科学技术规划纲要中明确将无线传感网作为一项优先发展主题。目前，无线传感网已经成为国内有关大学和研究所的研究热点之一。所以，为无线传感网标准的制定奠定了很好的学术基础。而国外近年来无线传感网的学术研究一直都很活跃，而且，一些大的半导体公司甚至已经将无线传感网作为将来发展的业务之一。国外最近几年也出现了专门从事无线传感网的公司。
　　需要特别指出的是，无线传感网在日本的发展甚至比美国和欧洲更加完善，日本的T-Engine论坛/uID中心早已将无线传感网和RFID甚至传统的条形码等统一成了一个完整的技术体系，称为uID技术。包含ucode标识、各种ucode标签、新形式的终端―泛在通、广域分布式泛在数据库及操作协议ucodeRP、eTRON安全架构、UWB无线传感网硬件、多跳无线通信协议等具体内容，是一个很完整的泛在网络的技术体系。
　　无线传感网必须向标准化的趋势发展，不然，私有技术下的各种系统即便解决了无线通信上的频率干扰问题，也不能很好地实现彼此兼容和互联互通。这样势必带来巨大的技术转换成本，信息难以实现后台的集中化和进一步精确化，难以形成统一的泛在网络体系，从而无法得到快速、多样和精确的服务。
　　
　　最新市场进展
　　分析无线传感网的技术本质，如果说因特网构成了虚拟的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线传感网就是将虚拟的信息世界与人们生活的真实物理世界连接在一起。所以，分析无线传感网的应用，那范围一定极其广泛，待挖掘的新兴应用远无止境。
　　随着无线传感网技术的不断成熟，势必会出现越来越多的创新型产品，出现新兴的网络设备制造商、新兴的软件和服务商以及新兴的互联网经济。
　　无线传感网在国外已经被初步用于环境监测、工业自动化、智能家居、智能楼宇、精密农业、智能交通、物流、医疗护理、供应链管理、物品管理、智能导游、移动信息服务等广泛的领域。
　　国内的一些从事无线传感网研究和应用的活跃单位也已经在节能减排、电力线安全、新兴电信信息服务、环境监测、精密农业、智能导游、煤矿安全、车辆定位、智能交通等领域开始了应用。特别需要提及的是国内第一个无线传感网产业发展联盟于2007年11月在杭州成立，可见产业嗅觉灵敏的地区和企业已经看到了无线传感网产业的广阔前景并开始发力。
　　总之，无线传感网的市场进展情况是它目前正处于刚刚开始的阶段，相信随着技术和市场的不断发展，无线传感网技术将以强劲的势头迅速渗透到各行各业，体现出巨大的产业发展前景。
　　
　　（作者系杭州家和智能控制有限公司上海研发中心主任）