導(dǎo)讀：傳感器節(jié)點可以不在節(jié)點中包含模數(shù)轉(zhuǎn)化器，而是使用數(shù)字換能器接口。本文介紹了環(huán)境監(jiān)測的節(jié)點硬件組成，并從低成本、功耗低、生存周期長、高精度等方面闡述了無線傳感器網(wǎng)路應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，關(guān)鍵技術(shù)，傳感器節(jié)點

1 前言

環(huán)境保護越來越受到重視，環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境保護的基礎(chǔ)，其目的是為環(huán)境保護提供科學(xué)的依據(jù)。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮著越來越重要的作用。與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測手段相比，使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行環(huán)境監(jiān)測有三個顯著優(yōu)勢[1]：一是傳感器節(jié)點的體積很小且整個網(wǎng)絡(luò)只需要部署一次，因此部署傳感器網(wǎng)絡(luò)對被檢測環(huán)境的人為影響很小。二是傳感器節(jié)點數(shù)量大，分布密度高，每個節(jié)點可以采集到某個局部環(huán)境的詳細信息并匯總?cè)诤虾髠鞯交?，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)采集量大，探測精度高的特點。三是傳感器節(jié)點本身具有一定得計算能力和存儲能力，可以根據(jù)物理環(huán)境的變化進行較為復(fù)雜的檢測，傳感器節(jié)點還具有無線通信能力，可以在節(jié)點間進行協(xié)同監(jiān)控。因為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對環(huán)境變化、傳感器網(wǎng)絡(luò)自身變化以及網(wǎng)絡(luò)控制指令做出及時反應(yīng)，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于多種環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中。

2 環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計

圖1節(jié)點硬件組成

微處理器采用TI公司的超低功耗的MSP430系列處理器，功能完善、集成度高，而且根據(jù)存儲容量的多少提供多種引腳兼容。

無線通信采用CC2420ZigBee芯片，CC2420ZigBee芯片通過SPI接口與MSP430相連接。

電源用電池供電，使用AA電池。

傳感器節(jié)點可以不在節(jié)點中包含模數(shù)轉(zhuǎn)化器，而是使用數(shù)字換能器接口。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于環(huán)境監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 節(jié)點部署

好的無線傳感器的節(jié)點部署必須同時考慮覆蓋和連通兩個問題。覆蓋要求在感知中的每個地方都能至少被一個節(jié)點監(jiān)視到，而連通要求在網(wǎng)絡(luò)通信上不被分割。覆蓋受節(jié)點的敏感度影響，而連通受到節(jié)點的通信距離影響。

因監(jiān)測環(huán)境的復(fù)雜性和監(jiān)測環(huán)境對于外來設(shè)備的敏感性、為了獲得周圍環(huán)境的確切參數(shù)和為了延長傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的有效時間、增強傳感器網(wǎng)絡(luò)的實用性，所以用于環(huán)境監(jiān)測的傳感器節(jié)點需要滿足體積小、精度高、生命周期長的要求。

選擇可替換、高精度的傳感器對于環(huán)境監(jiān)測來說至關(guān)重要。一般來說，同類的傳感器測得數(shù)據(jù)之間誤差應(yīng)不超過3%，這樣通過一定得補償機制可以將誤差控制在1%之內(nèi)。選擇傳感器的另一個重要因素是傳感器的啟動時間。在啟動時間內(nèi)傳感器需要一個持續(xù)的電流作用，因此需要采用啟動時間較短的傳感器以節(jié)省能量。

3.2 能量管理

目前的傳感器節(jié)點大多使用兩節(jié)AA電池供電，這樣的電力在3V情況下大約是2200mAh。如果需要持續(xù)工作9個月，每個節(jié)點平均每天只有8.148mAh的電量。表列出了傳感器節(jié)點常用操作消耗的能量。實際應(yīng)用中需要仔細地在本地計算、數(shù)據(jù)采集和通信之間分配能量

表1 傳感器節(jié)點典型操作及消耗電量關(guān)系

在實際應(yīng)用中，需要預(yù)測可能消耗能量較快的節(jié)點，并采取一定的節(jié)點冗余措施以保證數(shù)據(jù)傳輸不會因為個別節(jié)點失效而中斷。

節(jié)點節(jié)省能量的最主要方式是休眠機制。當(dāng)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)傳感器數(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，一個傳感器任務(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。

采用低能耗的MAC協(xié)議也是節(jié)能的又一個重要途徑。低能耗的MAC協(xié)議需要確定節(jié)點無線通信模塊的工作周期，在工作周期的大部分時間內(nèi)節(jié)點關(guān)閉通信模塊以節(jié)省能量。在確定工作周期的同時也確定了傳感模塊的采樣頻率。無線模塊的工作周期和傳感模塊的采樣頻率一致，可以有效地減少節(jié)點的能量消耗。

3.3 通信機制

對環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用來說，能量高效的通信機制是確保監(jiān)測能否順利實施的關(guān)鍵因素，它包括一系列的路由算法、MAC算法以及通信部件的直接控制和訪問機制等。路由算法需要保證節(jié)點間高效通信，維護數(shù)據(jù)傳輸路徑的連通性和保持節(jié)點之間通信的安全性。最簡單高效的路由協(xié)議是節(jié)點在固定分配的時隙里直接向基站進行廣播，但這要求節(jié)點都處于距離基站一跳的范圍內(nèi)，限制了傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。在更大規(guī)模的應(yīng)用中需要多跳的路由機制。采用層次性的路由協(xié)議可以有效地解決此問題。

網(wǎng)絡(luò)生存期也是傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要問題。通過使用GAF、SPAN算法等網(wǎng)絡(luò)拓撲管理機制并結(jié)合低能耗的MAC協(xié)議可以延長整個網(wǎng)路的生存期，采用跨層設(shè)計[2]的思想最大限度地節(jié)能。

MAC協(xié)議需要確定節(jié)點無線通信模塊的工作周期，在工作周期的大部分時間內(nèi)節(jié)點關(guān)閉通信模塊以節(jié)省能量。在確定工作周期的同時也確定了傳感器模塊的采樣頻率。無線模塊的工作周期和傳感器模塊的采樣頻率一致可以有效地減少節(jié)點能量消耗。

3.4 遠程任務(wù)控制

傳感器網(wǎng)絡(luò)通過基站與Internet相連，用戶可以通過Internet遠程控制傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作。如果監(jiān)控的地點非常偏遠，一般選擇衛(wèi)星鏈路作為基站和Internet的連接方式。在Internet上通常還有一個中心服務(wù)器負責(zé)控制和協(xié)調(diào)傳感器的工作，并保存?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)。由于基站通常處于無人值守的狀態(tài)，這就需要基站以及基站到中心服務(wù)器的連接具有高可靠性，基站需要對可能的系統(tǒng)異常迅速進行處理。如果系統(tǒng)崩潰，基站需要及時重新啟動系統(tǒng)并主動連接中心服務(wù)器，以使遠程控制用戶能夠恢復(fù)對傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠程控制。

遠程任務(wù)控制最主要的方面是重新安排傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控任務(wù)。用戶往往會在監(jiān)控一段時間后調(diào)整傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控任務(wù)，這樣的變化需要通過遠程控制的方法傳達到整個傳感器網(wǎng)絡(luò)。用戶向基站發(fā)出任務(wù)更改指令，通常情況下基站會周期性地廣播一個網(wǎng)絡(luò)保持消息，并將任務(wù)更改指令包含在網(wǎng)絡(luò)保持消息中。更為復(fù)雜的情況是需要更新節(jié)點上運行的程序。更新是，基站節(jié)點將新程序的二進制映像發(fā)送到每個節(jié)點，節(jié)點啟動自我更新程序?qū)⑿鲁绦驅(qū)懭?。更新程序消耗能量很多，因此不能頻繁進行。

遠程任務(wù)控制還需要監(jiān)控傳感器節(jié)點的工作狀態(tài)以及健康情況，并據(jù)此調(diào)整節(jié)點的工作任務(wù)[3]。節(jié)點的健康狀況包括剩余能量、傳感器部件以及通信部件的工作情況等。通過監(jiān)控傳感器節(jié)點的工作狀態(tài)，可以及時調(diào)整傳感器節(jié)點的工作周期，以便重新分配任務(wù)，從而避免節(jié)點過早失效，此舉可以延長整個網(wǎng)絡(luò)的生命期。目前主要通過節(jié)點的工作電壓判斷節(jié)點判斷節(jié)點的剩余能量信息。節(jié)點周期性地采樣自己的工作電壓，依據(jù)3.3V的標(biāo)準(zhǔn)電壓歸一化處理，并將結(jié)果通知關(guān)節(jié)點。如果節(jié)點的電壓值過低，表明該節(jié)點剩余能量不多，因此它讀取的傳感數(shù)據(jù)的可靠性也大大降低。針對這種情況，通常的做法是延長電壓過低的休眠時間并降低其采樣頻率。

3.5 數(shù)據(jù)采樣與收集

環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用的最終目的是對監(jiān)測環(huán)境的數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)收集。采樣頻率和精度有具體應(yīng)用確定，并由控制中心向傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)出指令。對傳感器節(jié)點來說，需要考慮采樣數(shù)據(jù)數(shù)量和能量消耗之間的折中。處于監(jiān)測區(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2個數(shù)量級左右。因此，在數(shù)據(jù)發(fā)送到基站之前，需要對邊緣節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)進行適當(dāng)處理，因此減少網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，通常的處理方法是數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)融合。

使用標(biāo)準(zhǔn)的Huffman算法和Lempel-Ziv算法進行壓縮可以使得數(shù)據(jù)通信量減少，而使用類似于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2 幾種經(jīng)典壓縮算法對傳感器數(shù)據(jù)的壓縮效果

數(shù)據(jù)融合是減少數(shù)據(jù)通信量的另外一個重要方面。由于傳感器節(jié)點部署具有冗余性，鄰近節(jié)點間的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)有很大的重復(fù)，通過數(shù)據(jù)融合機制，一方面可以減少數(shù)據(jù)通信量，另一方面還可以通過校正機制簡化單一節(jié)點的采集數(shù)據(jù)。目前的應(yīng)用中通過信號處理技術(shù)和軟件數(shù)據(jù)分析技術(shù)進行數(shù)據(jù)融合。

4 結(jié)束語

本文介紹了環(huán)境監(jiān)測的節(jié)點硬件組成，并從低成本、功耗低、生存周期長、高精度等方面闡述了無線傳感器網(wǎng)路應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。本文介紹了節(jié)點部署、能量管理、通信機制、遠程任務(wù)控制和數(shù)據(jù)采樣與收集幾種關(guān)鍵技術(shù)，具體的實現(xiàn)還要通過相關(guān)的算法和機制來實現(xiàn)。

參考文獻

[1] 孫利民，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2] 王殊，等.無線傳感器網(wǎng)路的理論及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]于海斌，等.智能無線傳感器網(wǎng)路系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

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