现代网络技术下构建智能计量的应用

刘璞君

摘 要：无线传感器网络是未来建筑智能计量发展趋势所向。无线计量网络能够解决过去物理路由传输的问题，克服高温危险区线路建设困难。并通过消除构建后定期维护来降低大量线路的成本。还有是，无线测计量网络具有自组织性和修复性，高度移动的能力，计量节点易于构建。笔者凭多年的从业经验针对无线传感器网络技术分析，并就无线传感器网络在计量学中的应用展开探讨。

关键词：智能计量；无线网络；传感器

一、引言

伴随着技术的进步，网络取代了过去的有线通信，成为生活中不可或缺的一部分。早在1993年，日本日立公司就提出流量计量系统的构思，但由于线路配置和测量设备的设置限制，计量网络只能以一定的高成本监测仪器存在。直到2000年，加利福尼亚大学伯克利分校基于无线传输提出了一个无线计量网络，以解决有线传输问题。由于应用范围广泛，学术界和行业都在投资这一领域，使无线计量网络迅速发展。在无线计量网络中，计量设备和无线网络是两个核心。整个系统由计量节点的通信能力，组件可以承载各种计量设备，测量温度，湿度，亮度，加速度，压力，声音等组成，计量节点具有自适应能力，组织网络，每个代表网络中的一个节点，通过网络将计量设备收集回信息到主控方。目前由于mems和纳米技术的进步，测量设备的精密化，可以使计量设备组件大量散布在环境中，组合成一张无线计量网。

二、无线计量网络技术介绍

无线计量网络最初由加州大学柏克莱分校的智能粉尘计划提出，并由美国国防部赞助，应用于军事相关的情报汇集。这计划主要是发展一套微小的计量节点，大小如粉尘一般，可悬浮在空中，负责监视敌军和汇集情报。而后加州大学洛杉矶分校、麻省理工学院陆续研发不同的计量节点，以扩展无线计量网络的应用，例如生态环境的监测、仪器的测定等。无线计量设备网络平台可分为软件和硬件两大主轴。软件包含通讯协议、计量节点所使用的操作系统、定位功能所需的算法、网络的安全和管理等；硬件则有计量节点硬件、微计量设备电路模组等。自无线计量网络概念提出后，各研究团队都开发各自的平台，种类繁多，其中以加州大学柏克莱分校研发的Mofe最具代表性。这些平台彼此不相容，加上成本过于昂贵，造成无线计量网络的发展近乎被垄断，相关研究和应用无法普及化。无线计量设备网络主要由众多的计量设备节点构成，每一个节点都包含4大单元：计量单元、处理单元、无线传输单元及电源供应单元。

1.计量单元。由种类繁多的微计量设备所构成，负责环境参数和信息的量测，如温度、湿度、光度、加速度、压力、声音、烟、红外线、化学物品等，并把汇集到的类比信号传送到信号转换元件，转换成数位信号。

2.处理单元。类似个人电脑中的中央处理机，负责执行程序代码、协调并控制不同的单元，或接收命令启动计量单元汇集环境信息，并在经过处理后，透过传输单元把数据发送回去。这单元包含小型储存单元，以储存汇集到的环境信息。

3.无线传输单元。主要对计量节点与其他节点之间作通信，并将计量设备的数据传输到数据采集器，可根据环境要求选择不同的传输频带，包括红外线，无线电波等。

4.电源供应单元。主要用来提供计量设备节点硬件动作所需的能源，一般可选择标准的锂电池，或可从环境中获取能量的太阳能电池。在平台规划中，依在计量网络中所扮演的角色，节点分为基础节点与进阶节点。针对这两种不同的功能需求，分别设计合适的硬件规格，并设置网关扮演无线计量网络系统和主控端的媒介。

4.1 基层节点是无线计量网络的底层，计算能力最低，能耗最低，测量和通信能力最大，分布最广，负责测量各种环境，数据收集返回。在硬件设计中，微处理器选用silicon Lab C8051F411，供助于脉冲可以让基站在全速运行时传输数据，其余时间处于备机状态，达到节能。

4.2进阶节点是系统中的中间硬件，负责建立、维护路由和管理网络，可下令允许新节点加入或要求节点离开网络。相较于基础节点，进阶节点须有较高的运算能力，且耗能较多，因此在硬件设计上，选用由德州仪器设计、运算能力较强且低耗能的设置。

4.3网关是做为无线计量网络和使用者之间沟通的桥梁，整合不同RF通讯协议，可利用USB界面轻易地和个人电脑连接，且大部分工作由电脑完成，硬件本身进行指令和数据传递。因电源直接由电脑提供，所以不需和节点一样考虑耗能问题。

无线计量网络平台以Zig Bee为主要无线通讯协议。Zi邸ee针对无线计量网络需求，制定低消耗功率、低速率（250Kbs）、短距离（50—100 m）、网络架构简单的通讯协议，并可支持星形、网形、树形等网络拓朴。

三、无线计量网络的应用

纵观无线计量设备网络技术除平台开发外，可作远距离医疗诊断应用，智能家居和环境安全应用，生态监测和预警应用，滑坡监测，微观气候监测和智能建筑应用智能数字生活空间，独立家庭远程监控管理系统应用等。无线测量网络可以解决过去物理线路传输面的问题，克服诸如高温危险区设置线路困难，并且落成后节省维护，并降低了大量线路的成本，估计可以减少约80%。还有无线测光网络具有自组织，修复网络，高度移动的能力，计量节点易于构建。在测量领域，我们所要求的无线传输必须高度可靠，并且能抵抗各种电磁干扰。使用无线传感器网络进行测量的优点，具体如下：

1.成本低。每一个传感器的价格都不高，而且每一个传感器都是智能的，能完成信息的收集和处理工作，也能够完成相互之间的通信而无需再进行额外的投入。

2.低功耗。在设计时就是以低功耗为目的，频繁地去给无线计量网络去更换电池是不现实的。

3.监测更准确。计量节点密度越高，其监测结果就会越准确，而由于计量节点成本不高，在实际使用时进行高密度的部署并不会带来成本的大幅上升，因此可以通过高密度部署计量节点换来更准确的监测结果。

4.监测更可靠。无线计量网络还有一个巨大的优势，就是它的网络是自组织的，也正是因为它是自组织的，所以它还具有自我修复能力，这些都无需人工干预，当有一个节点损坏时，无线计量网络会很快修复好，并不会对计量结果带来很大的影响。

5.实时性好。无线计量网络对目标状态改变的发现是非常及时的，而且它并不依赖于一个节点去发现这种状态的改变，所以會具备较高的及时性。

四、总结

我国拥有电子相关制造业的优势，加上学术界具备软件、硬件和人机界面研发能力，若能凝聚产学界的力量，制定共同平台规范，并依据这规范量身打造无线计量设备硬件和优良的无线计量网络平台，必可为无线计量网络奠定发展的良好基础。我国提出无线计量设备网络技术前瞻研究项目计划，想建立一套完整的无线计量设备网络共同平台和研发跨领域的整合应用服务，结合产学界力量，并本着学术资源共享的原则，把这些硬件设计架构和软件程序开放给各界自由使用。结合我国电子产业的丰富资源和学术界的优异研发能力，共同打造无线计量网络平台，并以平台为基础，做实地应用示范，必能使无线计量网络普及化。这个新兴技术发展潜力无穷，可应用在军事、环境、健康、居住环境等领域，若能结合无线计量技术与创新想法，尝试各种应用，有可能对未来生活产生革命性的影响。

参考文献：

[1]刘明初，王伟勇.市场导向下的现代计量管理工作发展研究[J].全国商情（理论研究），2013（07）.

[2]刘滨.计量检测与质量管理的关系探讨[J].科技创新与应用，2013（30）.