導讀：傳感器節點可以不在節點中包含模數轉化器，而是使用數字換能器接口。本文介紹了環境監測的節點硬件組成，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路應用于環境監測系統中的關鍵技術。

關鍵詞：無線傳感器網絡，關鍵技術，傳感器節點

1 前言

 環境保護越來越受到重視，環境監測是環境保護的基礎，其目的是為環境保護提供科學的依據。目前無線傳感器網絡在環境監測中發揮著越來越重要的作用。與傳統的環境監測手段相比，使用無線傳感器網絡進行環境監測有三個顯著優勢[1]：一是傳感器節點的體積很小且整個網絡只需要部署一次，因此部署傳感器網絡對被檢測環境的人為影響很小。二是傳感器節點數量大，分布密度高，每個節點可以采集到某個局部環境的詳細信息并匯總融合后傳到基站，因此傳感器網絡具有數據采集量大，探測精度高的特點。三是傳感器節點本身具有一定得計算能力和存儲能力，可以根據物理環境的變化進行較為復雜的檢測，傳感器節點還具有無線通信能力，可以在節點間進行協同監控。因為傳感器網絡節點對環境變化、傳感器網絡自身變化以及網絡控制指令做出及時反應，所以無線傳感器網絡適用于多種環境監測應用中。

2 環境監測應用中無線傳感器網絡節點的硬件設計

圖1節點硬件組成

 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。

傳感器節點可以不在節點中包含模數轉化器，而是使用數字換能器接口。

3 無線傳感器網絡用于環境監測中的關鍵技術

3.1 節點部署

 好的無線傳感器的節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點監視到，而連通要求在網絡通信上不被分割。覆蓋受節點的敏感度影響，而連通受到節點的通信距離影響。

 因監測環境的復雜性和監測環境對于外來設備的敏感性、為了獲得周圍環境的確切參數和為了延長傳感器網絡部署的有效時間、增強傳感器網絡的實用性，所以用于環境監測的傳感器節點需要滿足體積小、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境監測來說至關重要。一般來說，同類的傳感器測得數據之間誤差應不超過3%，這樣通過一定得補償機制可以將誤差控制在1%之內。選擇傳感器的另一個重要因素是傳感器的啟動時間。在啟動時間內傳感器需要一個持續的電流作用，因此需要采用啟動時間較短的傳感器以節省能量。

3.2 能量管理

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

表1 傳感器節點典型操作及消耗電量關系

 在實際應用中，需要預測可能消耗能量較快的節點，并采取一定的節點冗余措施以保證數據傳輸不會因為個別節點失效而中斷。

 節點節省能量的最主要方式是休眠機制。當節點目前沒有傳感任務并且不需要為其他節點轉發傳感器數據時，關閉節點的無線通信模塊、數據采集模塊甚至計算模塊以節省能量。這樣，一個傳感器任務發生時，只有與之相鄰的區域內的傳感器節點處于活動狀態，從而形成一個活動區域。活動區域隨著數據向網關節點傳送而移動，這樣原先活動的節點在離開活動區域后可以轉到休眠模式從而節省能量。

 采用低能耗的MAC協議也是節能的又一個重要途徑。低能耗的MAC協議需要確定節點無線通信模塊的工作周期，在工作周期的大部分時間內節點關閉通信模塊以節省能量。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，可以有效地減少節點的能量消耗。

3.3 通信機制

 對環境監測應用來說，能量高效的通信機制是確保監測能否順利實施的關鍵因素，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點間高效通信，維護數據傳輸路徑的連通性和保持節點之間通信的安全性。最簡單高效的路由協議是節點在固定分配的時隙里直接向基站進行廣播，但這要求節點都處于距離基站一跳的范圍內，限制了傳感器網絡的規模。在更大規模的應用中需要多跳的路由機制。采用層次性的路由協議可以有效地解決此問題。

 網絡生存期也是傳感器網絡的一個重要問題。通過使用GAF、SPAN算法等網絡拓撲管理機制并結合低能耗的MAC協議可以延長整個網路的生存期，采用跨層設計[2]的思想最大限度地節能。

 MAC協議需要確定節點無線通信模塊的工作周期，在工作周期的大部分時間內節點關閉通信模塊以節省能量。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點能量消耗。

3.4 遠程任務控制

 傳感器網絡通過基站與Internet相連，用戶可以通過Internet遠程控制傳感器網絡的工作。如果監控的地點非常偏遠，一般選擇衛星鏈路作為基站和Internet的連接方式。在Internet上通常還有一個中心服務器負責控制和協調傳感器的工作，并保存傳感器網絡發送的數據。由于基站通常處于無人值守的狀態，這就需要基站以及基站到中心服務器的連接具有高可靠性，基站需要對可能的系統異常迅速進行處理。如果系統崩潰，基站需要及時重新啟動系統并主動連接中心服務器，以使遠程控制用戶能夠恢復對傳感器網絡的遠程控制。

 遠程任務控制最主要的方面是重新安排傳感器網絡的監控任務。用戶往往會在監控一段時間后調整傳感器網絡的監控任務，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絡。用戶向基站發出任務更改指令，通常情況下基站會周期性地廣播一個網絡保持消息，并將任務更改指令包含在網絡保持消息中。更為復雜的情況是需要更新節點上運行的程序。更新是，基站節點將新程序的二進制映像發送到每個節點，節點啟動自我更新程序將新程序寫入。更新程序消耗能量很多，因此不能頻繁進行。

 遠程任務控制還需要監控傳感器節點的工作狀態以及健康情況，并據此調整節點的工作任務[3]。節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。通過監控傳感器節點的工作狀態，可以及時調整傳感器節點的工作周期，以便重新分配任務，從而避免節點過早失效，此舉可以延長整個網絡的生命期。目前主要通過節點的工作電壓判斷節點判斷節點的剩余能量信息。節點周期性地采樣自己的工作電壓，依據3.3V的標準電壓歸一化處理，并將結果通知關節點。如果節點的電壓值過低，表明該節點剩余能量不多，因此它讀取的傳感數據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 數據采樣與收集

 環境監測應用的最終目的是對監測環境的數據采樣和數據收集。采樣頻率和精度有具體應用確定，并由控制中心向傳感器網絡發出指令。對傳感器節點來說，需要考慮采樣數據數量和能量消耗之間的折中。處于監測區域邊緣的節點由于只需要將收集的數據發送給基站，能量消耗相對較少，而靠近基站的節點由于同時還需要為邊緣節點路由數據，消耗的能量要2個數量級左右。因此，在數據發送到基站之前，需要對邊緣節點采集到的數據進行適當處理，因此減少網絡的能量消耗，通常的處理方法是數據壓縮和數據融合。

 使用標準的Huffman算法和Lempel-Ziv算法進行壓縮可以使得數據通信量減少，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 幾種經典壓縮算法對傳感器數據的壓縮效果

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

4 結束語

 本文介紹了環境監測的節點硬件組成，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路應用于環境監測系統中的關鍵技術。本文介紹了節點部署、能量管理、通信機制、遠程任務控制和數據采樣與收集幾種關鍵技術，具體的實現還要通過相關的算法和機制來實現。

參考文獻

[1] 孫利民，等.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2] 王殊，等.無線傳感器網路的理論及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[3]于海斌，等.智能無線傳感器網路系統[M].北京：科學出版社，2006.

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