摘 要：介紹了在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的幾點(diǎn)優(yōu)勢，分析了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，給出了三個(gè)典型應(yīng)用領(lǐng)域中該系統(tǒng)的創(chuàng)新性構(gòu)建方案，并對該類系統(tǒng)中的幾種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，最后對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);節(jié)點(diǎn);能源管理;數(shù)據(jù)融合

1 引言

近年來，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及人們對于環(huán)境保護(hù)和環(huán)境監(jiān)督提出的更高要求，越來越多的企業(yè)和機(jī)構(gòu)都致力于在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布署大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，經(jīng)由無線通信方式形成一個(gè)多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的信息的采集量化、處理融合和傳輸應(yīng)用。與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測手段相比，使用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測有三個(gè)顯著的優(yōu)勢：一是網(wǎng)絡(luò)的自組性提供了廉價(jià)而且快速部署網(wǎng)絡(luò)的可能;二是現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)可通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(gè)數(shù)量級;三是網(wǎng)絡(luò)的健壯性、抗毀性滿足了某些特定應(yīng)用的需求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是應(yīng)用性非常強(qiáng)的技術(shù)，它在當(dāng)前我國環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力是巨大的。

2 系統(tǒng)概述

環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于層次型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最底層為部署在實(shí)際監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點(diǎn)。向上層依次為傳輸網(wǎng)絡(luò)，基站，最終連接到Internet。傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成，傳感器節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。為獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)的部署密度往往很大，并且可能部署在若干個(gè)不相鄰的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，從而形成多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)將感應(yīng)到的數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將傳感器節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)經(jīng)由一個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基站上。傳輸網(wǎng)絡(luò)是負(fù)責(zé)協(xié)同各個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、綜合網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)信息的局部網(wǎng)絡(luò)?；臼悄軌蚝虸nternet相連的一臺(tái)計(jì)算機(jī)（或衛(wèi)星通信站），它將傳感數(shù)據(jù)通過Internet發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，同時(shí)它還具有一個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)庫副本以緩存最新的傳感數(shù)據(jù)。監(jiān)護(hù)人員（或用戶）可以通過任意一臺(tái)連入Internet的終端訪問數(shù)據(jù)中心，或者向基站發(fā)出命令。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yù)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(zhì)量監(jiān)測等領(lǐng)域應(yīng)用。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)及架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用領(lǐng)域一般具有以下特點(diǎn)：

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

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

（3）需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備相對比較多，但僅僅用于監(jiān)測或控制。

（4）系統(tǒng)實(shí)施、運(yùn)行費(fèi)用要低，無需鋪設(shè)大量電纜，支持臨時(shí)性安裝，系統(tǒng)易于擴(kuò)展和更新。

（5）具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歸檔能力，能夠使大量的傳感數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到后臺(tái)或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，并能夠進(jìn)行離線的數(shù)據(jù)挖掘，數(shù)據(jù)分析也是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中非常重要的一個(gè)方面。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

3.2.1 礦井安全監(jiān)控

礦井利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)井下安全監(jiān)控的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)井下多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，主要包括CO、 、 、瓦斯、風(fēng)速和氣壓等參數(shù)，通過井場監(jiān)控終端（基站）和地面基站傳送給后臺(tái)監(jiān)控中心。后臺(tái)監(jiān)護(hù)人員通過該監(jiān)測系統(tǒng)可及時(shí)、有效、全面的掌握礦井情況，有利于礦井實(shí)施指揮調(diào)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(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2.2 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

傳感器網(wǎng)絡(luò)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用非常典型。美國加州大學(xué)伯克利分校計(jì)算機(jī)系Intel實(shí)驗(yàn)室和大西洋學(xué)院（The College of the Atlantic, COA）聯(lián)合開展了一個(gè)名為 “in-situ”的利用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控海島生態(tài)環(huán)境的項(xiàng)目。該研究組在大鴨島（Great Duck Island）上部署了由43個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)上安裝有多種傳感器以監(jiān)測海島上不同類型的數(shù)據(jù)。如使用光敏傳感器、數(shù)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(dòng)紅外傳感器監(jiān)測巢穴的使用情況，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 生態(tài)環(huán)境無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2.3 智能家居

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以應(yīng)用于家居中，其家用遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。通過在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線網(wǎng)絡(luò)與Internet連接在一起，用戶可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)完成對家電的遠(yuǎn)程遙控，例如用戶可以在回家之前半小時(shí)打開空調(diào)，這樣回家的時(shí)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(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 能量管理

應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)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(xiàn)實(shí)的，因此在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，能量消耗是一個(gè)需要十分仔細(xì)考慮的問題。節(jié)點(diǎn)節(jié)省能量的最主要方式是休眠機(jī)制。當(dāng)節(jié)點(diǎn)目前沒有傳感任務(wù)并且不需要為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)傳感數(shù)據(jù)時(shí)，關(guān)閉節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊甚至計(jì)算模塊以節(jié)省能量。這樣，一個(gè)傳感任務(wù)發(fā)生時(shí)，只有與之相鄰的區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)，從而形成一個(gè)活動(dòng)區(qū)域?；顒?dòng)區(qū)域隨著數(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳送而移動(dòng)，這樣原先活動(dòng)的節(jié)點(diǎn)在離開活動(dòng)區(qū)域后可以轉(zhuǎn)到休眠模式從而節(jié)省能量。另外，節(jié)點(diǎn)間也可以通過“輪換值班”來減少能量消耗。這些節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，只是周期性蘇醒過來發(fā)送數(shù)據(jù)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(jī)制要求應(yīng)用設(shè)計(jì)者在電池消耗和消息延遲之間做出權(quán)衡。

4.2 定位技術(shù)

位置信息是傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一。為了提供有效的位置信息，隨機(jī)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)必須能夠在布置后確定自身位置。根據(jù)定位過程中是否實(shí)際測量節(jié)點(diǎn)間的距離或角度，把傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位分類為基于距離的定位和距離無關(guān)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(guān)的定位機(jī)制主要有質(zhì)心算法、DV-Hop算法、Amorphous算法和APIT算法等。由于距離無關(guān)定位機(jī)制對節(jié)點(diǎn)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(yīng)有所增加，但定位精度能夠滿足多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求，是目前大家重點(diǎn)關(guān)注的定位機(jī)制。

4.3 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用的最終目標(biāo)是對監(jiān)測環(huán)境的數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)收集。采樣頻率和精度由具體應(yīng)用確定，并由控制中心向傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)出指令。對于傳感器節(jié)點(diǎn)來說，需要考慮采樣數(shù)據(jù)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(diǎn)由于只需要將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，能量消耗相對較少，而靠近基站的節(jié)點(diǎn)由于同時(shí)還需要為邊緣節(jié)點(diǎn)路由數(shù)據(jù)，消耗的能量要多2個(gè)數(shù)量級左右。因此，邊緣節(jié)點(diǎn)必須對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的壓縮和融合處理后再發(fā)送給基站。Intel實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)中使用了標(biāo)準(zhǔn)的Huffman算法和Lempel-Ziv算法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，使得數(shù)據(jù)通信量減少了2～4個(gè)數(shù)量級。如果使用類似于GSM語音壓縮機(jī)制的有損算法進(jìn)一步處理，還可以獲得更好的壓縮效果。表1表明了幾種經(jīng)典壓縮算法的壓縮效果。

表1 幾種經(jīng)典壓縮算法對傳感數(shù)據(jù)的壓縮效果

4.4 安全管理

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的許多安全策略和機(jī)制不再適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)缺乏基礎(chǔ)設(shè)施支持，沒有中心授權(quán)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力很低，這些都使得傳統(tǒng)的加密和認(rèn)證機(jī)制在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中難以實(shí)現(xiàn)，并且節(jié)點(diǎn)之間難以建立起信任關(guān)系;

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

（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的協(xié)作特性和路由的局部特性使節(jié)點(diǎn)之間存在安全耦合，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的安全泄露必然威脅網(wǎng)絡(luò)的安全，所以在考慮安全算法的時(shí)候要盡量減小這種耦合性;

（4）在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性和無線信道的時(shí)變特性，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)成員及其各成員之間的信任關(guān)系處于動(dòng)態(tài)變化之中。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)SPINS安全框架在機(jī)密性、點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證、完整性鑒別、新鮮性、認(rèn)證廣播方面已經(jīng)定義了完整有效的機(jī)制和算法，安全管理方面目前以密鑰預(yù)分布模型作為安全初始化和維護(hù)的主要機(jī)制，其中隨機(jī)密鑰對模型、基于多項(xiàng)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(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，在實(shí)際的應(yīng)用中還有很多關(guān)鍵技術(shù)，包括節(jié)點(diǎn)部署、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采樣和通信機(jī)制等。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的應(yīng)用相關(guān)性，在環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體的研究。并且隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟和完善，我們還可以在各個(gè)方面開展許多新的應(yīng)用，比如軍用傳感網(wǎng)絡(luò)可以監(jiān)測戰(zhàn)場的態(tài)勢;交通傳感網(wǎng)絡(luò)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(shù)量、種類、速度和方向等相關(guān)參數(shù);監(jiān)視傳感網(wǎng)絡(luò)可以用于商場、銀行等場合來提高安全性?？梢灶A(yù)見，隨著無線傳感設(shè)備性價(jià)比的提高以及相關(guān)研究的不斷深入和傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷普及，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將給人們的工作和生活帶來更多的方便。

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