无线传感器网络在环境监测系统中的应用

主要内容：
    * 系统概述
    * 系统应用特点及架构
    * 关键技术研究

1 引言

近年来，随着无线传感器网络技术的迅猛发展，以及人们对于环境保护和环境监督提出的更高要求，越来越多的企业和机构都致力于在环境监测系统中应用无线传感器网络技术的研究。通过在监测区域内布署大量的廉价微型传感器节点，经由无线通信方式形成一个多跳的网络系统，从而实现网络覆盖区域内感知对象的信息的采集量化、处理融合和传输应用。与传统的环境监测手段相比，使用传感器网络进行环境监测有三个显著的优势：一是网络的自组性提供了廉价而且快速部署网络的可能;二是现场采集的数据可通过中间节点进行（路由）传送，在不增加功耗和成本的前提下，可将系统性能提高一个数量级;三是网络的健壮性、抗毁性满足了某些特定应用的需求。无线传感器网络技术是应用性非常强的技术，它在当前我国环境监测系统中的应用潜力是巨大的。

2 系统概述

环境监测应用中无线传感器网络属于层次型的异构网络结构，最底层为部署在实际监测环境中的传感器节点。向上层依次为传输网络，基站，最终连接到Internet。传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成，传感器节点的体系结构如图1所示。为获得准确的数据，传感器节点的部署密度往往很大，并且可能部署在若干个不相邻的监控区域内，从而形成多个传感器网络。传感器节点将感应到的数据传送到一个网关节点，网关节点负责将传感器节点传来的数据经由一个传输网络发送到基站上。传输网络是负责协同各个传感器网络网关节点、综合网关节点信息的局部网络。基站是能够和Internet相连的一台计算机（或卫星通信站），它将传感数据通过Internet发送到数据处理中心，同时它还具有一个本地数据库副本以缓存最新的传感数据。监护人员（或用户）可以通过任意一台连入Internet的终端访问数据中心，或者向基站发出命令。基于无线传感器网络的环境监测系统适合于在煤矿、油田安全监测，温室环境监测、环保部门的大气监测、突发性环境事故的预测及分析、特殊污染企业的监测，生物群种的生态环境监测以及家庭、办公室及商场空气质量监测等领域应用。

                              图1 传感器节点体系结构

3 系统应用特点及架构

3.1 系统特点

利用无线传感器网络实现环境监测的应用领域一般具有以下特点：

（1）无人环境、环境恶劣或超远距离情况下信息的采集和传送，保证系统工业级品质安全可靠。

（2）生物群种对于外来因素非常敏感，人类直接进行的生态环境监控可能反而会破坏环境的完整性，包括影响生态环境中种群的习性和分布等。

（3）需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备相对比较多，但仅仅用于监测或控制。

（4）系统实施、运行费用要低，无需铺设大量电缆，支持临时性安装，系统易于扩展和更新。

（5）具有数据存储和归档能力，能够使大量的传感数据存储到后台或远程数据库，并能够进行离线的数据挖掘，数据分析也是系统实现中非常重要的一个方面。

3.2 系统架构

3.2.1 矿井安全监控

矿井利用无线传感器网络实现井下安全监控的系统结构框图如图2所示。传感器节点负责井下多点数据采集，主要包括CO、 、 、瓦斯、风速和气压等参数，通过井场监控终端（基站）和地面基站传送给后台监控中心。后台监护人员通过该监测系统可及时、有效、全面的掌握矿井情况，有利于矿井实施指挥调度、安全监测，从而可以有效的防止矿井事故的发生。


                           图2 矿井无线传感器网络环境监控系统结构框图
3.2.2 生态环境监测

传感器网络在生态环境监测方面的应用非常典型。美国加州大学伯克利分校计算机系Intel实验室和大西洋学院（The College of the Atlantic, COA）联合开展了一个名为 “in-situ”的利用传感器网络监控海岛生态环境的项目。该研究组在大鸭岛（Great Duck Island）上部署了由43个传感器节点组成的传感器网络，节点上安装有多种传感器以监测海岛上不同类型的数据。如使用光敏传感器、数字温湿度传感器和压力传感器监测海燕地下巢穴的微观环境;使用低能耗的被动红外传感器监测巢穴的使用情况，系统的结构框图如图3所示。


                               图3 生态环境无线传感器网络环境监测系统结构框图

3.2.3 智能家居

无线传感器网络还可以应用于家居中，其家用远程环境监控系统的结构框图如图4所示。通过在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连接在一起，用户可以通过远程监控系统完成对家电的远程遥控，例如用户可以在回家之前半小时打开空调，这样回家的时候就可以直接享受适合的室温，从而给用户提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。


                             图4 家用无线传感器网络环境监控系统结构框图

4 关键技术研究

4.1 能量管理

应用于环境监测的无线传感器网络中的节点一般都采用电池供电，要求频繁更换电池或者频繁充电是不太现实的，因此在传感器网络中，能量消耗是一个需要十分仔细考虑的问题。节点节省能量的最主要方式是休眠机制。当节点目前没有传感任务并且不需要为其他节点转发传感数据时，关闭节点的无线通信模块、数据采集模块甚至计算模块以节省能量。这样，一个传感任务发生时，只有与之相邻的区域内的传感器节点处于活动状态，从而形成一个活动区域。活动区域随着数据向网关节点传送而移动，这样原先活动的节点在离开活动区域后可以转到休眠模式从而节省能量。另外，节点间也可以通过“轮换值班”来减少能量消耗。这些节点大部分时间都处于休眠状态，只是周期性苏醒过来发送数据或者检测信道的状态，以确定是否有属于自己的消息，但这种机制要求应用设计者在电池消耗和消息延迟之间做出权衡。

4.2 定位技术

位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常毫无意义。确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。为了提供有效的位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身位置。根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度，把传感器网络中的定位分类为基于距离的定位和距离无关的定位。其中基于距离的定位分为基于TOA的定位、基于TDOA的定位、基于AOA的定位和基于RSSI的定位等。距离无关的定位机制主要有质心算法、DV-Hop算法、Amorphous算法和APIT算法等。由于距离无关定位机制对节点的硬件要求较低，并且受环境因素的影响较小，虽然定位误差相应有所增加，但定位精度能够满足多数传感器网络应用的要求，是目前大家重点关注的定位机制。

4.3 数据融合技术

环境监测应用的最终目标是对监测环境的数据采样和数据收集。采样频率和精度由具体应用确定，并由控制中心向传感器网络发出指令。对于传感器节点来说，需要考虑采样数据量和能量消耗之间的折中。处于监控区域边缘的节点由于只需要将收集的数据发送给基站，能量消耗相对较少，而靠近基站的节点由于同时还需要为边缘节点路由数据，消耗的能量要多2个数量级左右。因此，边缘节点必须对采集到的数据进行一定的压缩和融合处理后再发送给基站。Intel实验室的实验中使用了标准的Huffman算法和Lempel-Ziv算法对原始数据进行压缩，使得数据通信量减少了2～4个数量级。如果使用类似于GSM语音压缩机制的有损算法进一步处理，还可以获得更好的压缩效果。表1表明了几种经典压缩算法的压缩效果。

                                表1 几种经典压缩算法对传感数据的压缩效果



4.4 安全管理

传统网络中的许多安全策略和机制不再适合于无线传感器网络，主要表现在以下四个方面：（1）无线传感器网络缺乏基础设施支持，没有中心授权和认证机构，节点的计算能力很低，这些都使得传统的加密和认证机制在无线传感器网络中难以实现，并且节点之间难以建立起信任关系;（2）有限的计算和能源资源往往需要系统对各种技术综合考虑，以减少系统代码的数量，如安全路由技术等;（3）无线传感器网络任务的协作特性和路由的局部特性使节点之间存在安全耦合，单个节点的安全泄露必然威胁网络的安全，所以在考虑安全算法的时候要尽量减小这种耦合性;（4）在无线传感器网络中，由于节点的移动性和无线信道的时变特性，使得网络拓扑结构、网络成员及其各成员之间的信任关系处于动态变化之中。目前无线传感器网络SPINS安全框架在机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播方面已经定义了完整有效的机制和算法，安全管理方面目前以密钥预分布模型作为安全初始化和维护的主要机制，其中随机密钥对模型、基于多项式的密钥对模型等是目前最有代表性的算法。

5 展望

环境监测是一类典型的传感器网络应用，在实际的应用中还有很多关键技术，包括节点部署、远程控制、数据采样和通信机制等。由于传感器网络具有很强的应用相关性，在环境监测应用中的关键技术需要根据实际情况进行具体的研究。并且随着无线传感器网络技术的日益成熟和完善，我们还可以在各个方面开展许多新的应用，比如军用传感网络可以监测战场的态势;交通传感网络可以配置在交通要道用于监测交通的流量，包括车辆的数量、种类、速度和方向等相关参数;监视传感网络可以用于商场、银行等场合来提高安全性。可以预见，随着无线传感设备性价比的提高以及相关研究的不断深入和传感网络应用的不断普及，无线传感器网络将给人们的工作和生活带来更多的方便。