幫助監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為了減少森林火災(zāi)帶來(lái)的損失，世界各國(guó)非常重視林火監(jiān)測(cè)。林火監(jiān)測(cè)的措施通?？蓜澐譃樗膫€(gè)空間層次，即地面巡護(hù)、嘹望臺(tái)定點(diǎn)觀測(cè)、空中飛機(jī)巡護(hù)和空間衛(wèi)星監(jiān)測(cè)。林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能是及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情，準(zhǔn)確探測(cè)起火點(diǎn)，確定火的大小、動(dòng)向，監(jiān)視林火發(fā)生發(fā)展的全過(guò)程。但是在茫茫林海，只靠巡護(hù)員檢測(cè)火情是很不夠的，嘹望臺(tái)嘹望又受到很多條件的限制，一般情況下，小火時(shí)煙霧小不易發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)時(shí)往往已釀成災(zāi)；大火蔓延時(shí)，煙霧彌漫，很難確定大火的位置和發(fā)展動(dòng)向；通過(guò)觀察煙霧測(cè)定的數(shù)據(jù)往往誤差較大；夜間觀測(cè)困難。而靠飛機(jī)巡邏觀察不僅耗資大，速度也不是最陜的，并且圖像的分辨率低，一般火災(zāi)燃燒幾公里才能被發(fā)現(xiàn)。由于上述不足，森林防火指揮部在制定撲火計(jì)劃和調(diào)動(dòng)撲火力量時(shí)，可能因火災(zāi)位置不準(zhǔn)而造成不必要的損失。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高科技不斷被應(yīng)用到林火監(jiān)測(cè)中，森林防火工作日益走向高科技、智能化、系統(tǒng)化、綜合化。環(huán)境監(jiān)測(cè)是一類典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)控手段相比，使用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控有三個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)：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)監(jiān)控環(huán)境的人為影響很小。這一點(diǎn)在對(duì)外來(lái)生物活動(dòng)非常敏感的環(huán)境中尤其重要。二是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，分布密度高，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以檢測(cè)到局部環(huán)境的詳細(xì)信息并匯總到基站，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)采集量大，精度高的特點(diǎn)。三是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)本身具有一定的計(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)雜的監(jiān)控，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。通過(guò)增大電池容量和提高電池使用效率，以及采用低功耗的無(wú)線通信模塊和無(wú)線同協(xié)議可以使傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命期延長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)間，這保證了傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用性。節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和無(wú)線通信能力使得傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠重新編程和重新部署，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)，因而傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于多種環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)介紹

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是由許多獨(dú)立的無(wú)線節(jié)點(diǎn)之間，通過(guò)空氣中的無(wú)線電波，光波，構(gòu)成的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。是由大量微型、智能、低功耗傳感器以某種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。其目的是協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及無(wú)線通信技術(shù)，正成為一個(gè)新興技術(shù)領(lǐng)域，被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有無(wú)線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作等功能，可以隨機(jī)或者特定的布置在目標(biāo)環(huán)境中，能夠獲取周圍環(huán)境的信息并且相互協(xié)同工作完成特定任務(wù)。傳感器節(jié)點(diǎn)主要由電源管理模塊、傳感器、微處理器、存儲(chǔ)器以及射頻模塊等功能模塊構(gòu)成。典型的傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電源管理模塊為其他功能單元提供正常工作所必需的能源。傳感器用于感知、獲取外界的信息，并通過(guò)信號(hào)處理電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。微處理器部件負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分的工作，如對(duì)傳感器獲取的信息進(jìn)行必要的處理、保存，控制傳感器和電源的工作模式等。射頻模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器或觀察者的通信。

1.2 路由協(xié)議

路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，它主要包括兩個(gè)方面的功能：尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)能量有限且一般沒(méi)有能量補(bǔ)充，因此路由協(xié)議需要高效利用能量，同時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目往往很大。節(jié)點(diǎn)只能獲取局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，路由協(xié)議要能在局部網(wǎng)絡(luò)信息的基礎(chǔ)上選擇合適的路徑。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的應(yīng)用相關(guān)性，不同應(yīng)用中的路由協(xié)議可能相差很大，沒(méi)有一個(gè)通用的路由協(xié)議。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制還經(jīng)常與數(shù)據(jù)融合技術(shù)聯(lián)系在一起，通過(guò)減少通信量而節(jié)省能量。因此，傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不適應(yīng)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)而言，傳統(tǒng)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)放在無(wú)線通訊的服務(wù)質(zhì)量（Qos）上，而無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)分布，電池供電，因此目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究重點(diǎn)是放在如何提高能量效率上，當(dāng)前流行的幾個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議有：泛洪協(xié)議、Gossiping協(xié)議、SPIN協(xié)議、定向擴(kuò)散（DirectedDi舶sion）協(xié)議、LEACH協(xié)議等閉。

1.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)是體積微小的嵌入式設(shè)備，采用能量有限的電池供電，它的計(jì)算能力和通信能力十分有限，所以除了要設(shè)計(jì)能量高效的MAC協(xié)議、路由協(xié)議以及應(yīng)用層協(xié)議之外，還要設(shè)計(jì)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制。對(duì)于自組織的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響很大。良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，為數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和目標(biāo)定位等很多方面提供基礎(chǔ)，有利于延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。所以，拓?fù)淇刂剖莻鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)基本問(wèn)題。

傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂浦饕芯康膯?wèn)題是：在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過(guò)功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的通信鏈路，形成一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。具體地講，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)淇刂瓢凑昭芯糠较蚩梢苑譃閮深悾汗?jié)點(diǎn)功率控制和層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織。功率控制機(jī)制調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，在滿足網(wǎng)絡(luò)連通度的前提下，均衡節(jié)點(diǎn)的單跳可達(dá)鄰居數(shù)目。層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制利用分簇機(jī)制，讓一些節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，由簇頭節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)處理并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，其他非骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以暫時(shí)關(guān)閉通信模塊，進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量?，F(xiàn)在的拓?fù)淇刂蒲芯康陌l(fā)展趨勢(shì)是以實(shí)際應(yīng)用為背景，多種機(jī)制結(jié)合使用，強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频淖赃m應(yīng)性和魯棒性，在保證網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋性的前提下，提高網(wǎng)絡(luò)通信的效率，最大限度地節(jié)省能量來(lái)延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。考慮到不同的應(yīng)用背景各有特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，一般都會(huì)綜合使用拓?fù)淇刂啤?br />