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)用前景進行了展望。

　　關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);節(jié)點;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(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)布署大量的廉價微型傳感器節(jié)點，經(jīng)由無線通信方式形成一個多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而實現(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)進行環(huán)境監(jiān)測有三個顯著的優(yōu)勢：一是網(wǎng)絡(luò)的自組性提供了廉價而且快速部署網(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(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)用性非常強的技術(shù)，它在當前我國環(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)，最底層為部署在實際監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點。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)點的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。為獲得準確的數(shù)據(jù)，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(nèi)，從而形成多個傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點將感應(yīng)到的數(shù)據(jù)傳送到一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點負責將傳感器節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)經(jīng)由一個傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基站上。傳輸網(wǎng)絡(luò)是負責協(xié)同各個傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點、綜合網(wǎng)關(guān)節(jié)點信息的局部網(wǎng)絡(luò)�；�站是能夠和Internet相連的一臺計算機（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，同時它還具有一個本地數(shù)據(jù)庫副本以緩存最新的傳感數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)中心，或者向基站發(fā)出命令�；�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)點體系結(jié)構(gòu)

　　3 系統(tǒng)應(yīng)用特點及架構(gòu)

　　3.1 系統(tǒng)特點

　　利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用領(lǐng)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(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(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)實施、運行費用要低，無需鋪設(shè)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(shù)據(jù)存儲和歸檔能力，能夠使大量的傳感數(shù)據(jù)存儲到后臺或遠程數(shù)據(jù)庫，并能夠進行離線的數(shù)據(jù)挖掘，數(shù)據(jù)分析也是系統(tǒng)實現(xiàn)中非常重要的一個方面。

　　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)點負責井下多點數(shù)據(jù)采集，主要包括CO、 、 、瓦斯、風速和氣壓等參數(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(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)伯克利分校計算機系Intel實驗室和大西洋學(xué)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)，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(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，通過無線網(wǎng)絡(luò)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(diào)，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(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)實的，因此在傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wù)并且不需要為其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)傳感數(shù)據(jù)時，關(guān)閉節(jié)點的無線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊甚至計算模塊以節(jié)省能量。這樣，一個傳感任務(wù)發(fā)生時，只有與之相鄰的區(qū)域內(nèi)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(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)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(zhuǎn)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(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，但這種機制要求應(yīng)用設(shè)計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(jù)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(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(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，是目前大家重點關(guān)注的定位機制。

　　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)點由于同時還需要為邊緣節(jié)點路由數(shù)據(jù)，消耗的能量要多2個數(shù)量級左右。因此，邊緣節(jié)點必須對采集到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行壓縮，使得數(shù)據(jù)通信量減少了2～4個數(shù)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(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)和認證機構(gòu)，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(wǎng)絡(luò)中難以實現(xiàn)，并且節(jié)點之間難以建立起信任關(guān)系;（2）有限的計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)點之間存在安全耦合，單個節(jié)點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)點的移動性和無線信道的時變特性，使得網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)成員及其各成員之間的信任關(guān)系處于動態(tài)變化之中。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jīng)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(yù)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(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，在實際的應(yīng)用中還有很多關(guān)鍵技術(shù)，包括節(jié)點部署、遠程控制、數(shù)據(jù)采樣和通信機制等。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強的應(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)實際情況進行具體的研究。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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