摘 要：介紹了在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應用無線傳感器網絡技術的幾點優(yōu)勢，分析了基于無線傳感器網絡技術的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的體系結構，給出了三個典型應用領域中該系統(tǒng)的創(chuàng)新性構建方案，并對該類系統(tǒng)中的幾種關鍵技術進行了研究，最后對無線傳感器網絡技術的應用前景進行了展望。

關鍵詞：無線傳感器網絡;節(jié)點;能源管理;數據融合

1 引言

近年來，隨著無線傳感器網絡技術的迅猛發(fā)展，以及人們對于環(huán)境保護和環(huán)境監(jiān)督提出的更高要求，越來越多的企業(yè)和機構都致力于在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應用無線傳感器網絡技術的研究。通過在監(jiān)測區(qū)域內布署大量的廉價微型傳感器節(jié)點，經由無線通信方式形成一個多跳的網絡系統(tǒng)，從而實現網絡覆蓋區(qū)域內感知對象的信息的采集量化、處理融合和傳輸應用。與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測手段相比，使用傳感器網絡進行環(huán)境監(jiān)測有三個顯著的優(yōu)勢：一是網絡的自組性提供了廉價而且快速部署網絡的可能;二是現場采集的數據可通過中間節(jié)點進行（路由）傳送，在不增加功耗和成本的前提下，可將系統(tǒng)性能提高一個數量級;三是網絡的健壯性、抗毀性滿足了某些特定應用的需求。無線傳感器網絡技術是應用性非常強的技術，它在當前我國環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用潛力是巨大的。

2 系統(tǒng)概述

環(huán)境監(jiān)測應用中無線傳感器網絡屬于層次型的異構網絡結構，最底層為部署在實際監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點。向上層依次為傳輸網絡，基站，最終連接到Internet。傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成，傳感器節(jié)點的體系結構如圖1所示。為獲得準確的數據，傳感器節(jié)點的部署密度往往很大，并且可能部署在若干個不相鄰的監(jiān)控區(qū)域內，從而形成多個傳感器網絡。傳感器節(jié)點將感應到的數據傳送到一個網關節(jié)點，網關節(jié)點負責將傳感器節(jié)點傳來的數據經由一個傳輸網絡發(fā)送到基站上。傳輸網絡是負責協(xié)同各個傳感器網絡網關節(jié)點、綜合網關節(jié)點信息的局部網絡?；臼悄軌蚝虸nternet相連的一臺計算機（或衛(wèi)星通信站），它將傳感數據通過Internet發(fā)送到數據處理中心，同時它還具有一個本地數據庫副本以緩存最新的傳感數據。監(jiān)護人員（或用戶）可以通過任意一臺連入Internet的終端訪問數據中心，或者向基站發(fā)出命令?；跓o線傳感器網絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)適合于在煤礦、油田安全監(jiān)測，溫室環(huán)境監(jiān)測、環(huán)保部門的大氣監(jiān)測、突發(fā)性環(huán)境事故的預測及分析、特殊污染企業(yè)的監(jiān)測，生物群種的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及家庭、辦公室及商場空氣質量監(jiān)測等領域應用。

圖1 傳感器節(jié)點體系結構

3 系統(tǒng)應用特點及架構

3.1 系統(tǒng)特點

利用無線傳感器網絡實現環(huán)境監(jiān)測的應用領域一般具有以下特點：

（1）無人環(huán)境、環(huán)境惡劣或超遠距離情況下信息的采集和傳送，保證系統(tǒng)工業(yè)級品質安全可靠。

（2）生物群種對于外來因素非常敏感，人類直接進行的生態(tài)環(huán)境監(jiān)控可能反而會破壞環(huán)境的完整性，包括影響生態(tài)環(huán)境中種群的習性和分布等。

（3）需要較大范圍的通信覆蓋，網絡中的設備相對比較多，但僅僅用于監(jiān)測或控制。

（4）系統(tǒng)實施、運行費用要低，無需鋪設大量電纜，支持臨時性安裝，系統(tǒng)易于擴展和更新。

（5）具有數據存儲和歸檔能力，能夠使大量的傳感數據存儲到后臺或遠程數據庫，并能夠進行離線的數據挖掘，數據分析也是系統(tǒng)實現中非常重要的一個方面。

3.2 系統(tǒng)架構

3.2.1 礦井安全監(jiān)控

礦井利用無線傳感器網絡實現井下安全監(jiān)控的系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。傳感器節(jié)點負責井下多點數據采集，主要包括CO、 、 、瓦斯、風速和氣壓等參數，通過井場監(jiān)控終端（基站）和地面基站傳送給后臺監(jiān)控中心。后臺監(jiān)護人員通過該監(jiān)測系統(tǒng)可及時、有效、全面的掌握礦井情況，有利于礦井實施指揮調度、安全監(jiān)測，從而可以有效的防止礦井事故的發(fā)生。

圖2 礦井無線傳感器網絡環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結構框圖

3.2.2 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

傳感器網絡在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面的應用非常典型。美國加州大學伯克利分校計算機系Intel實驗室和大西洋學院（The College of the Atlantic, COA）聯(lián)合開展了一個名為 “in-situ”的利用傳感器網絡監(jiān)控海島生態(tài)環(huán)境的項目。該研究組在大鴨島（Great Duck Island）上部署了由43個傳感器節(jié)點組成的傳感器網絡，節(jié)點上安裝有多種傳感器以監(jiān)測海島上不同類型的數據。如使用光敏傳感器、數字溫濕度傳感器和壓力傳感器監(jiān)測海燕地下巢穴的微觀環(huán)境;使用低能耗的被動紅外傳感器監(jiān)測巢穴的使用情況，系統(tǒng)的結構框圖如圖3所示。

圖3 生態(tài)環(huán)境無線傳感器網絡環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結構框圖

3.2.3 智能家居

無線傳感器網絡還可以應用于家居中，其家用遠程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的結構框圖如圖4所示。通過在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網絡與Internet連接在一起，用戶可以通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)完成對家電的遠程遙控，例如用戶可以在回家之前半小時打開空調，這樣回家的時候就可以直接享受適合的室溫，從而給用戶提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環(huán)境。

圖4 家用無線傳感器網絡環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結構框圖

4 關鍵技術研究

4.1 能量管理

應用于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網絡中的節(jié)點一般都采用電池供電，要求頻繁更換電池或者頻繁充電是不太現實的，因此在傳感器網絡中，能量消耗是一個需要十分仔細考慮的問題。節(jié)點節(jié)省能量的最主要方式是休眠機制。當節(jié)點目前沒有傳感任務并且不需要為其他節(jié)點轉發(fā)傳感數據時，關閉節(jié)點的無線通信模塊、數據采集模塊甚至計算模塊以節(jié)省能量。這樣，一個傳感任務發(fā)生時，只有與之相鄰的區(qū)域內的傳感器節(jié)點處于活動狀態(tài)，從而形成一個活動區(qū)域?；顒訁^(qū)域隨著數據向網關節(jié)點傳送而移動，這樣原先活動的節(jié)點在離開活動區(qū)域后可以轉到休眠模式從而節(jié)省能量。另外，節(jié)點間也可以通過“輪換值班”來減少能量消耗。這些節(jié)點大部分時間都處于休眠狀態(tài)，只是周期性蘇醒過來發(fā)送數據或者檢測信道的狀態(tài)，以確定是否有屬于自己的消息，但這種機制要求應用設計者在電池消耗和消息延遲之間做出權衡。

4.2 定位技術

位置信息是傳感器節(jié)點采集數據中不可缺少的部分，沒有位置信息的監(jiān)測消息通常毫無意義。確定事件發(fā)生的位置或采集數據的節(jié)點位置是傳感器網絡最基本的功能之一。為了提供有效的位置信息，隨機部署的傳感器節(jié)點必須能夠在布置后確定自身位置。根據定位過程中是否實際測量節(jié)點間的距離或角度，把傳感器網絡中的定位分類為基于距離的定位和距離無關的定位。其中基于距離的定位分為基于TOA的定位、基于TDOA的定位、基于AOA的定位和基于RSSI的定位等。距離無關的定位機制主要有質心算法、DV-Hop算法、Amorphous算法和APIT算法等。由于距離無關定位機制對節(jié)點的硬件要求較低，并且受環(huán)境因素的影響較小，雖然定位誤差相應有所增加，但定位精度能夠滿足多數傳感器網絡應用的要求，是目前大家重點關注的定位機制。

4.3 數據融合技術

環(huán)境監(jiān)測應用的最終目標是對監(jiān)測環(huán)境的數據采樣和數據收集。采樣頻率和精度由具體應用確定，并由控制中心向傳感器網絡發(fā)出指令。對于傳感器節(jié)點來說，需要考慮采樣數據量和能量消耗之間的折中。處于監(jiān)控區(qū)域邊緣的節(jié)點由于只需要將收集的數據發(fā)送給基站，能量消耗相對較少，而靠近基站的節(jié)點由于同時還需要為邊緣節(jié)點路由數據，消耗的能量要多2個數量級左右。因此，邊緣節(jié)點必須對采集到的數據進行一定的壓縮和融合處理后再發(fā)送給基站。Intel實驗室的實驗中使用了標準的Huffman算法和Lempel-Ziv算法對原始數據進行壓縮，使得數據通信量減少了2～4個數量級。如果使用類似于GSM語音壓縮機制的有損算法進一步處理，還可以獲得更好的壓縮效果。表1表明了幾種經典壓縮算法的壓縮效果。

表1 幾種經典壓縮算法對傳感數據的壓縮效果

4.4 安全管理

傳統(tǒng)網絡中的許多安全策略和機制不再適合于無線傳感器網絡，主要表現在以下四個方面：

（1）無線傳感器網絡缺乏基礎設施支持，沒有中心授權和認證機構，節(jié)點的計算能力很低，這些都使得傳統(tǒng)的加密和認證機制在無線傳感器網絡中難以實現，并且節(jié)點之間難以建立起信任關系;

（2）有限的計算和能源資源往往需要系統(tǒng)對各種技術綜合考慮，以減少系統(tǒng)代碼的數量，如安全路由技術等;

（3）無線傳感器網絡任務的協(xié)作特性和路由的局部特性使節(jié)點之間存在安全耦合，單個節(jié)點的安全泄露必然威脅網絡的安全，所以在考慮安全算法的時候要盡量減小這種耦合性;

（4）在無線傳感器網絡中，由于節(jié)點的移動性和無線信道的時變特性，使得網絡拓撲結構、網絡成員及其各成員之間的信任關系處于動態(tài)變化之中。目前無線傳感器網絡SPINS安全框架在機密性、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮性、認證廣播方面已經定義了完整有效的機制和算法，安全管理方面目前以密鑰預分布模型作為安全初始化和維護的主要機制，其中隨機密鑰對模型、基于多項式的密鑰對模型等是目前最有代表性的算法。

5 展望

環(huán)境監(jiān)測是一類典型的傳感器網絡應用，在實際的應用中還有很多關鍵技術，包括節(jié)點部署、遠程控制、數據采樣和通信機制等。由于傳感器網絡具有很強的應用相關性，在環(huán)境監(jiān)測應用中的關鍵技術需要根據實際情況進行具體的研究。并且隨著無線傳感器網絡技術的日益成熟和完善，我們還可以在各個方面開展許多新的應用，比如軍用傳感網絡可以監(jiān)測戰(zhàn)場的態(tài)勢;交通傳感網絡可以配置在交通要道用于監(jiān)測交通的流量，包括車輛的數量、種類、速度和方向等相關參數;監(jiān)視傳感網絡可以用于商場、銀行等場合來提高安全性?？梢灶A見，隨著無線傳感設備性價比的提高以及相關研究的不斷深入和傳感網絡應用的不斷普及，無線傳感器網絡將給人們的工作和生活帶來更多的方便。

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