無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖文)
導(dǎo)讀：傳感器節(jié)點(diǎn)可以不在節(jié)點(diǎn)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(cè)的節(jié)點(diǎn)硬件組成，并從低成本、功耗低、生存周期長(zhǎng)、高精度等方面闡述了無(wú)線傳感器網(wǎng)路應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，關(guān)鍵技術(shù)，傳感器節(jié)點(diǎn)
1 前言
環(huán)境保護(hù)越來(lái)越受到重視，環(huán)境監(jiān)測(cè)是環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)，其目的是為環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)的依據(jù)。目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)手段相比，使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)有三個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)[1]：一是傳感器節(jié)點(diǎn)的體積很小且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)只需要部署一次，因此部署傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)被檢測(cè)環(huán)境的人為影響很小。二是傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，分布密度高，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以采集到某個(gè)局部環(huán)境的詳細(xì)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(cè)精度高的特點(diǎn)。三是傳感器節(jié)點(diǎn)本身具有一定得計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，可以根據(jù)物理環(huán)境的變化進(jìn)行較為復(fù)雜的檢測(cè)，傳感器節(jié)點(diǎn)還具有無(wú)線通信能力，可以在節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行協(xié)同監(jiān)控。因?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)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(shí)反應(yīng)，所以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于多種環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中。
2 環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
圖1節(jié)點(diǎn)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(chǔ)容量的多少提供多種引腳兼容。
無(wú)線通信采用CC2420ZigBee芯片，CC2420ZigBee芯片通過(guò)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(diǎn)可以不在節(jié)點(diǎn)中包含模數(shù)轉(zhuǎn)化器，而是使用數(shù)字換能器接口。
3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)
3.1 節(jié)點(diǎn)部署
好的無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)部署必須同時(shí)考慮覆蓋和連通兩個(gè)問(wèn)題。覆蓋要求在感知中的每個(gè)地方都能至少被一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的敏感度影響，而連通受到節(jié)點(diǎn)的通信距離影響。
因監(jiān)測(cè)環(huán)境的復(fù)雜性和監(jiān)測(cè)環(huán)境對(duì)于外來(lái)設(shè)備的敏感性、為了獲得周?chē)h(huán)境的確切參數(shù)和為了延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的有效時(shí)間、增強(qiáng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用性，所以用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器節(jié)點(diǎn)需要滿(mǎn)足體積小、精度高、生命周期長(zhǎng)的要求。
選擇可替換、高精度的傳感器對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。一般來(lái)說(shuō)，同類(lèi)的傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)之間誤差應(yīng)不超過(guò)3%，這樣通過(guò)一定得補(bǔ)償機(jī)制可以將誤差控制在1%之內(nèi)。選擇傳感器的另一個(gè)重要因素是傳感器的啟動(dòng)時(shí)間。在啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)傳感器需要一個(gè)持續(xù)的電流作用，因此需要采用啟動(dòng)時(shí)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(diǎn)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(gè)月，每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均每天只有8.148mAh的電量。表列出了傳感器節(jié)點(diǎn)常用操作消耗的能量。實(shí)際應(yīng)用中需要仔細(xì)地在本地計(jì)算、數(shù)據(jù)采集和通信之間分配能量
| 傳感器節(jié)點(diǎn)操作 | 消耗電量/nAh* |
| 傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包 接受一個(gè)數(shù)據(jù)包 偵聽(tīng)信道1ms 進(jìn)行一次傳感器采樣(模擬采樣) 進(jìn)行一次傳感器采樣(數(shù)字采樣) 讀取ADC采樣數(shù)據(jù)一次 讀取Flash數(shù)據(jù) 向Flash寫(xiě)入數(shù)據(jù)或者清除Flash上的數(shù)據(jù) | 20.000 8.000 1.250 1.080 0.347 0.011 1.111 83.333 |
表1 傳感器節(jié)點(diǎn)典型操作及消耗電量關(guān)系
在實(shí)際應(yīng)用中，需要預(yù)測(cè)可能消耗能量較快的節(jié)點(diǎn)，并采取一定的節(jié)點(diǎn)冗余措施以保證數(shù)據(jù)傳輸不會(huì)因?yàn)閭(gè)別節(jié)點(diǎn)失效而中斷。
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(méi)有傳感任務(wù)并且不需要為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，關(guān)閉節(jié)點(diǎn)的無(wú)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)傳感器任務(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。活動(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(kāi)活動(dòng)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(gè)重要途徑。低能耗的MAC協(xié)議需要確定節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信模塊的工作周期，在工作周期的大部分時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)關(guān)閉通信模塊以節(jié)省能量。在確定工作周期的同時(shí)也確定了傳感模塊的采樣頻率。無(wú)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(diǎn)的能量消耗。
3.3 通信機(jī)制
對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，能量高效的通信機(jī)制是確保監(jiān)測(cè)能否順利實(shí)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(wèn)機(jī)制等。路由算法需要保證節(jié)點(diǎn)間高效通信，維護(hù)數(shù)據(jù)傳輸路徑的連通性和保持節(jié)點(diǎn)之間通信的安全性。最簡(jiǎn)單高效的路由協(xié)議是節(jié)點(diǎn)在固定分配的時(shí)隙里直接向基站進(jìn)行廣播，但這要求節(jié)點(diǎn)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(jī)制。采用層次性的路由協(xié)議可以有效地解決此問(wèn)題。
網(wǎng)絡(luò)生存期也是傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要問(wèn)題。通過(guò)使用GAF、SPAN算法等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾頇C(jī)制并結(jié)合低能耗的MAC協(xié)議可以延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)路的生存期，采用跨層設(shè)計(jì)[2]的思想最大限度地節(jié)能。
MAC協(xié)議需要確定節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信模塊的工作周期，在工作周期的大部分時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)關(guān)閉通信模塊以節(jié)省能量。在確定工作周期的同時(shí)也確定了傳感器模塊的采樣頻率。無(wú)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(diǎn)能量消耗。
3.4 遠(yuǎn)程任務(wù)控制
傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)基站與Internet相連，用戶(hù)可以通過(guò)Internet遠(yuǎn)程控制傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作。如果監(jiān)控的地點(diǎn)非常偏遠(yuǎn)，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(gè)中心服務(wù)器負(fù)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(wú)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(duì)可能的系統(tǒng)異常迅速進(jìn)行處理。如果系統(tǒng)崩潰，基站需要及時(shí)重新啟動(dòng)系統(tǒng)并主動(dòng)連接中心服務(wù)器，以使遠(yuǎn)程控制用戶(hù)能夠恢復(fù)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制。
遠(yuǎn)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(hù)往往會(huì)在監(jiān)控一段時(shí)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(guò)遠(yuǎn)程控制的方法傳達(dá)到整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。用戶(hù)向基站發(fā)出任務(wù)更改指令，通常情況下基站會(huì)周期性地廣播一個(gè)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(diǎn)上運(yùn)行的程序。更新是，基站節(jié)點(diǎn)將新程序的二進(jìn)制映像發(fā)送到每個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)自我更新程序?qū)⑿鲁绦驅(qū)懭搿８鲁绦蛳哪芰亢芏，因此不能頻繁進(jìn)行。
遠(yuǎn)程任務(wù)控制還需要監(jiān)控傳感器節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)以及健康情況，并據(jù)此調(diào)整節(jié)點(diǎn)的工作任務(wù)[3]。節(jié)點(diǎn)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(guò)監(jiān)控傳感器節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，可以及時(shí)調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的工作周期，以便重新分配任務(wù)，從而避免節(jié)點(diǎn)過(guò)早失效，此舉可以延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命期。目前主要通過(guò)節(jié)點(diǎn)的工作電壓判斷節(jié)點(diǎn)判斷節(jié)點(diǎn)的剩余能量信息。節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。如果節(jié)點(diǎn)的電壓值過(guò)低，表明該節(jié)點(diǎn)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(duì)這種情況，通常的做法是延長(zhǎng)電壓過(guò)低的休眠時(shí)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(cè)應(yīng)用的最終目的是對(duì)監(jiān)測(cè)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(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，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(cè)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(duì)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2個(gè)數(shù)量級(jí)左右。因此，在數(shù)據(jù)發(fā)送到基站之前，需要對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行壓縮可以使得數(shù)據(jù)通信量減少，而使用類(lèi)似于GSM語(yǔ)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。
| 壓縮算法 | Huffman(pack) | Lempel-Zip(gzip) | Burrow_Wheeler(bzip2) | 不壓縮 |
| 8比特采樣 | 1128 | 611 | 681 | 1365 |
| 10比特采樣 | 1827 | 1401 | 1480 | 1707 |
| 16比特采樣 | 2074 | 1263 | 1193 | 2730 |
| 8比特差分 | 347 | 324 | 298 | 1365 |
| 10比特差分 | 936 | 911 | 848 | 1707 |
| 16比特差分 | 839 | 755 | 769 | 2730 |
表2 幾種經(jīng)典壓縮算法對(duì)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(gè)重要方面。由于傳感器節(jié)點(diǎn)部署具有冗余性，鄰近節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)有很大的重復(fù)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合機(jī)制，一方面可以減少數(shù)據(jù)通信量，另一方面還可以通過(guò)校正機(jī)制簡(jiǎn)化單一節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)。目前的應(yīng)用中通過(guò)信號(hào)處理技術(shù)和軟件數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了環(huán)境監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)硬件組成，并從低成本、功耗低、生存周期長(zhǎng)、高精度等方面闡述了無(wú)線傳感器網(wǎng)路應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。本文介紹了節(jié)點(diǎn)部署、能量管理、通信機(jī)制、遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)還要通過(guò)相關(guān)的算法和機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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