无线传感器网络应用于环境监测系统(图文)
导读：传感器节点可以不在节点中包含模数转化器，而是使用数字换能器接口。本文介绍了环境监测的节点硬件组成，并从低成本、功耗低、生存周期长、高精度等方面阐述了无线传感器网路应用于环境监测系统中的关键技术。
关键词：无线传感器网络，关键技术，传感器节点
1 前言
环境保护越来越受到重视，环境监测是环境保护的基础，其目的是为环境保护提供科学的依据。目前无线传感器网络在环境监测中发挥着越来越重要的作用。与传统的环境监测手段相比，使用无线传感器网络进行环境监测有三个显著优势[1]：一是传感器节点的体积很小且整个网络只需要部署一次，因此部署传感器网络对被检测环境的人为影响很小。二是传感器节点数量大，分布密度高，每个节点可以采集到某个局部环境的详细信息并汇总融合后传到基站，因此传感器网络具有数据采集量大，探测精度高的特点。三是传感器节点本身具有一定得计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化进行较为复杂的检测，传感器节点还具有无线通信能力，可以在节点间进行协同监控。因为传感器网络节点对环境变化、传感器网络自身变化以及网络控制指令做出及时反应，所以无线传感器网络适用于多种环境监测应用中。
2 环境监测应用中无线传感器网络节点的硬件设计
图1节点硬件组成
微处理器采用TI公司的超低功耗的MSP430系列处理器，功能完善、集成度高，而且根据存储容量的多少提供多种引脚兼容。
无线通信采用CC2420ZigBee芯片，CC2420ZigBee芯片通过SPI接口与MSP430相连接。
电源用电池供电，使用AA电池。
传感器节点可以不在节点中包含模数转化器，而是使用数字换能器接口。
3 无线传感器网络用于环境监测中的关键技术
3.1 节点部署
好的无线传感器的节点部署必须同时考虑覆盖和连通两个问题。覆盖要求在感知中的每个地方都能至少被一个节点监视到，而连通要求在网络通信上不被分割。覆盖受节点的敏感度影响，而连通受到节点的通信距离影响。
因监测环境的复杂性和监测环境对于外来设备的敏感性、为了获得周围环境的确切参数和为了延长传感器网络部署的有效时间、增强传感器网络的实用性，所以用于环境监测的传感器节点需要满足体积小、精度高、生命周期长的要求。
选择可替换、高精度的传感器对于环境监测来说至关重要。一般来说，同类的传感器测得数据之间误差应不超过3%，这样通过一定得补偿机制可以将误差控制在1%之内。选择传感器的另一个重要因素是传感器的启动时间。在启动时间内传感器需要一个持续的电流作用，因此需要采用启动时间较短的传感器以节省能量。
3.2 能量管理
目前的传感器节点大多使用两节AA电池供电，这样的电力在3V情况下大约是2200mAh。如果需要持续工作9个月，每个节点平均每天只有8.148mAh的电量。表列出了传感器节点常用操作消耗的能量。实际应用中需要仔细地在本地计算、数据采集和通信之间分配能量
| 传感器节点操作 | 消耗电量/nAh* |
| 传输一个数据包 接受一个数据包 侦听信道1ms 进行一次传感器采样(模拟采样) 进行一次传感器采样(数字采样) 读取ADC采样数据一次 读取Flash数据 向Flash写入数据或者清除Flash上的数据 | 20.000 8.000 1.250 1.080 0.347 0.011 1.111 83.333 |
表1 传感器节点典型操作及消耗电量关系
在实际应用中，需要预测可能消耗能量较快的节点，并采取一定的节点冗余措施以保证数据传输不会因为个别节点失效而中断。
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器数据时，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，一个传感器任务发生时，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。
采用低能耗的MAC协议也是节能的又一个重要途径。低能耗的MAC协议需要确定节点无线通信模块的工作周期，在工作周期的大部分时间内节点关闭通信模块以节省能量。在确定工作周期的同时也确定了传感模块的采样频率。无线模块的工作周期和传感模块的采样频率一致，可以有效地减少节点的能量消耗。
3.3 通信机制
对环境监测应用来说，能量高效的通信机制是确保监测能否顺利实施的关键因素，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访问机制等。路由算法需要保证节点间高效通信，维护数据传输路径的连通性和保持节点之间通信的安全性。最简单高效的路由协议是节点在固定分配的时隙里直接向基站进行广播，但这要求节点都处于距离基站一跳的范围内，限制了传感器网络的规模。在更大规模的应用中需要多跳的路由机制。采用层次性的路由协议可以有效地解决此问题。
网络生存期也是传感器网络的一个重要问题。通过使用GAF、SPAN算法等网络拓扑管理机制并结合低能耗的MAC协议可以延长整个网路的生存期，采用跨层设计[2]的思想最大限度地节能。
MAC协议需要确定节点无线通信模块的工作周期，在工作周期的大部分时间内节点关闭通信模块以节省能量。在确定工作周期的同时也确定了传感器模块的采样频率。无线模块的工作周期和传感器模块的采样频率一致可以有效地减少节点能量消耗。
3.4 远程任务控制
传感器网络通过基站与Internet相连，用户可以通过Internet远程控制传感器网络的工作。如果监控的地点非常偏远，一般选择卫星链路作为基站和Internet的连接方式。在Internet上通常还有一个中心服务器负责控制和协调传感器的工作，并保存传感器网络发送的数据。由于基站通常处于无人值守的状态，这就需要基站以及基站到中心服务器的连接具有高可靠性，基站需要对可能的系统异常迅速进行处理。如果系统崩溃，基站需要及时重新启动系统并主动连接中心服务器，以使远程控制用户能够恢复对传感器网络的远程控制。
远程任务控制最主要的方面是重新安排传感器网络的监控任务。用户往往会在监控一段时间后调整传感器网络的监控任务，这样的变化需要通过远程控制的方法传达到整个传感器网络。用户向基站发出任务更改指令，通常情况下基站会周期性地广播一个网络保持消息，并将任务更改指令包含在网络保持消息中。更为复杂的情况是需要更新节点上运行的程序。更新是，基站节点将新程序的二进制映像发送到每个节点，节点启动自我更新程序将新程序写入。更新程序消耗能量很多，因此不能频繁进行。
远程任务控制还需要监控传感器节点的工作状态以及健康情况，并据此调整节点的工作任务[3]。节点的健康状况包括剩余能量、传感器部件以及通信部件的工作情况等。通过监控传感器节点的工作状态，可以及时调整传感器节点的工作周期，以便重新分配任务，从而避免节点过早失效，此举可以延长整个网络的生命期。目前主要通过节点的工作电压判断节点判断节点的剩余能量信息。节点周期性地采样自己的工作电压，依据3.3V的标准电压归一化处理，并将结果通知关节点。如果节点的电压值过低，表明该节点剩余能量不多，因此它读取的传感数据的可靠性也大大降低。针对这种情况，通常的做法是延长电压过低的休眠时间并降低其采样频率。
3.5 数据采样与收集
环境监测应用的最终目的是对监测环境的数据采样和数据收集。采样频率和精度有具体应用确定，并由控制中心向传感器网络发出指令。对传感器节点来说，需要考虑采样数据数量和能量消耗之间的折中。处于监测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2个数量级左右。因此，在数据发送到基站之前，需要对边缘节点采集到的数据进行适当处理，因此减少网络的能量消耗，通常的处理方法是数据压缩和数据融合。
使用标准的Huffman算法和Lempel-Ziv算法进行压缩可以使得数据通信量减少，而使用类似于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。
| 压缩算法 | Huffman(pack) | Lempel-Zip(gzip) | Burrow_Wheeler(bzip2) | 不压缩 |
| 8比特采样 | 1128 | 611 | 681 | 1365 |
| 10比特采样 | 1827 | 1401 | 1480 | 1707 |
| 16比特采样 | 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 几种经典压缩算法对传感器数据的压缩效果
数据融合是减少数据通信量的另外一个重要方面。由于传感器节点部署具有冗余性，邻近节点间的数据采集数据有很大的重复，通过数据融合机制，一方面可以减少数据通信量，另一方面还可以通过校正机制简化单一节点的采集数据。目前的应用中通过信号处理技术和软件数据分析技术进行数据融合。
4 结束语
本文介绍了环境监测的节点硬件组成，并从低成本、功耗低、生存周期长、高精度等方面阐述了无线传感器网路应用于环境监测系统中的关键技术。本文介绍了节点部署、能量管理、通信机制、远程任务控制和数据采样与收集几种关键技术，具体的实现还要通过相关的算法和机制来实现。
参考文献
[1] 孙利民，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.
[2] 王殊，等.无线传感器网路的理论及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[3]于海斌，等.智能无线传感器网路系统[M].北京：科学出版社，2006.
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