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) - 全文

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。現(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?？紤]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 />

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)由若干無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、基站和用戶等組成，如圖2所示。

一個(gè)適用于火災(zāi)監(jiān)測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)除了傳感器節(jié)點(diǎn)外，還有基站和Intemet。最底層的傳感器節(jié)點(diǎn)向上層依次為傳輸層、基站、最終連接到Intemet。為獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)將感應(yīng)到的數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將傳感器節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)由一個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基站上。傳輸網(wǎng)絡(luò)是負(fù)責(zé)協(xié)同各個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、綜合網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)信息的局部網(wǎng)絡(luò)?；臼悄軌蚝虸ntemet相連的一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它將傳感數(shù)據(jù)通過(guò)Intemet發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，同時(shí)它還具有一個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)副本以緩存最新的傳感數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)人員可以通過(guò)任意一臺(tái)連人Intemet的終端訪問(wèn)數(shù)據(jù)中心，或者向基站發(fā)出命令?？紤]到林場(chǎng)可能在非常偏遠(yuǎn)的地區(qū)，基站需要以無(wú)線的方式連人Intemet。對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)來(lái)說(shuō)，使用衛(wèi)星是一種比較可靠的方法。可以將監(jiān)控區(qū)域附近的衛(wèi)星通信站作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的基站。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)通常很多，它們不僅體積小、成本低，另外還要求傳感器節(jié)點(diǎn)功耗非常低，以滿足用電池即可維持長(zhǎng)時(shí)間的工作狀態(tài)。因此這些特點(diǎn)決定了對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)需要在盡可能簡(jiǎn)單的情況下滿足應(yīng)用需求。

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是由硬件層和軟件層共同配合完成任務(wù)。

2.1 硬件層

一般都包括以下四個(gè)單元：供電單元、數(shù)據(jù)采集單元（包括傳感器和A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器件）、數(shù)據(jù)處理單元（包括存儲(chǔ)器和微控制器）、無(wú)線通信單元。微控制器作為傳感器節(jié)點(diǎn)的“心臟”，在上面運(yùn)行著嵌入式系統(tǒng)軟件，從而對(duì)另外三個(gè)單元的工作進(jìn)行控制。在硬件的選取上，盡量采用低功耗器件，還可以考慮在無(wú)數(shù)據(jù)采集和無(wú)數(shù)據(jù)通信的時(shí)候命令微控制器進(jìn)入“睡眠”狀態(tài)并可切斷無(wú)線通信單元的部分電源，從而降低功耗。

軟件層用來(lái)控制硬件層，是整個(gè)傳感器的“大腦”，除了最基本的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送之外，根據(jù)應(yīng)用的場(chǎng)合，還需要實(shí)現(xiàn)關(guān)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、自組織、路由選擇、能耗節(jié)約、錯(cuò)誤處理、可靠性保證等一系列的算法與設(shè)計(jì)。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用可以使用單一循環(huán)邏輯的軟件來(lái)完成。而一些復(fù)雜性較高的應(yīng)用場(chǎng)景就有必要使用針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)嘲。這類操作系統(tǒng)，除了要滿足對(duì)于資源有限、可移植性、實(shí)時(shí)性等方面的需求外，重點(diǎn)還要考慮節(jié)能性的需求，另外使用事件驅(qū)動(dòng)的方式也可以適應(yīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)流為中心的特點(diǎn)。

2.2 軟件層

包括三個(gè)層次：硬件抽象層、系統(tǒng)服務(wù)層和應(yīng)用層。硬件抽象層實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件平臺(tái)（電源管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信單元）的抽象，為上層屏蔽底層硬件細(xì)節(jié)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)平臺(tái)移植。系統(tǒng)服務(wù)層包括通信服務(wù)、傳感服務(wù)、能耗管理服務(wù)、實(shí)時(shí)內(nèi)核四部分，在這個(gè)層次中除了實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)如任務(wù)調(diào)度、信號(hào)量等內(nèi)核服務(wù)外，還將完成各種路由、安全算法的實(shí)現(xiàn)，并支持各類通信傳輸協(xié)議。應(yīng)用層是由用戶根據(jù)具體應(yīng)用的需要定義，利用系統(tǒng)服務(wù)層提供的接口，能方便的設(shè)計(jì)出上層軟件。

3 結(jié)語(yǔ)

森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)是一個(gè)跨學(xué)科的課題。傳感器網(wǎng)絡(luò)為實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)量更大、對(duì)環(huán)境影響小的林火監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)全新的手段。無(wú)線傳感器硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用至關(guān)重要，作為整個(gè)系統(tǒng)的底層支持，其必然向微型化、高度集成化、網(wǎng)絡(luò)化、節(jié)能化、智能化的方向發(fā)展，近幾年，隨著計(jì)算機(jī)成本下降和微處理器體積縮小，開(kāi)發(fā)和構(gòu)造無(wú)線傳感器將有更廣闊的應(yīng)用前景。尤其在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用得到大家的重視，各國(guó)都在進(jìn)行這方面的探索，力求研究出更加符合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

但是，我們還應(yīng)該清楚的認(rèn)識(shí)到，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)才剛剛開(kāi)始發(fā)展，它的技術(shù)、應(yīng)用都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上成熟，我們期待切實(shí)可行的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)早日應(yīng)用在林火監(jiān)測(cè)方面。