無線傳感器網(wǎng)絡技術幫助監(jiān)測森林火災

　引言

　　為了減少森林火災帶來的損失，世界各國非常重視林火監(jiān)測。林火監(jiān)測的措施通?？蓜澐譃樗膫€空間層次，即地面巡護、嘹望臺定點觀測、空中飛機巡護和空間衛(wèi)星監(jiān)測。林火監(jiān)測系統(tǒng)的功能是及時發(fā)現(xiàn)火情，準確探測起火點，確定火的大小、動向，監(jiān)視林火發(fā)生發(fā)展的全過程。但是在茫茫林海，只靠巡護員檢測火情是很不夠的，嘹望臺嘹望又受到很多條件的限制，一般情況下，小火時煙霧小不易發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)時往往已釀成災；大火蔓延時，煙霧彌漫，很難確定大火的位置和發(fā)展動向；通過觀察煙霧測定的數(shù)據(jù)往往誤差較大；夜間觀測困難。而靠飛機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劃和調動撲火力量時，可能因火災位置不準而造成不必要的損失。

　　隨著科學技術的發(fā)展，高科技不斷被應用到林火監(jiān)測中，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)測是一類典型的傳感器網(wǎng)絡的應用。與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)控手段相比，使用傳感器網(wǎng)絡進行環(huán)境監(jiān)控有三個顯著的優(yōu)勢：一是傳感器節(jié)點的體積很小且整個網(wǎng)絡只需要部署一次，因此部署傳感器網(wǎng)絡對監(jiān)控環(huán)境的人為影響很小。這一點在對外來生物活動非常敏感的環(huán)境中尤其重要。二是傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量大，分布密度高，每個節(jié)點可以檢測到局部環(huán)境的詳細信息并匯總到基站，因此傳感器網(wǎng)絡具有數(shù)據(jù)采集量大，精度高的特點。三是無線傳感器節(jié)點本身具有一定的計算能力和存儲能力，可以根據(jù)物理環(huán)境的變化進行較為復雜的監(jiān)控，傳感器節(jié)點還具有無線通信能力，可以在節(jié)點間進行協(xié)同監(jiān)控。通過增大電池容量和提高電池使用效率，以及采用低功耗的無線通信模塊和無線同協(xié)議可以使傳感器網(wǎng)絡的生命期延長很長時間，這保證了傳感器網(wǎng)絡的實用性。節(jié)點的計算能力和無線通信能力使得傳感器網(wǎng)絡能夠重新編程和重新部署，對環(huán)境變化、傳感器網(wǎng)絡自身變化以及網(wǎng)絡控制指令做出及時反應，因而傳感器網(wǎng)絡適用于多種環(huán)境監(jiān)測應用中。

　　1 無線傳感器網(wǎng)絡

　　1.1 無線傳感器網(wǎng)絡介紹

　　無線網(wǎng)絡是由許多獨立的無線節(jié)點之間，通過空氣中的無線電波，光波，構成的無線通信網(wǎng)絡。是由大量微型、智能、低功耗傳感器以某種網(wǎng)絡協(xié)議構成的無線網(wǎng)絡。其目的是協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術以及無線通信技術，正成為一個新興技術領域，被認為是21世紀最重要的技術之一。

　　無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點具有無線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作等功能，可以隨機或者特定的布置在目標環(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。傳感器節(jié)點主要由電源管理模塊、傳感器、微處理器、存儲器以及射頻模塊等功能模塊構成。典型的傳感器節(jié)點結構如圖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，并通過信號處理電路將其轉換為數(shù)字信號。微處理器部件負責協(xié)調節(jié)點各部分的工作，如對傳感器獲取的信息進行必要的處理、保存，控制傳感器和電源的工作模式等。射頻模塊負責與其他傳感器或觀察者的通信。

　　1.2 路由協(xié)議

　　路由協(xié)議負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡轉發(fā)到目的節(jié)點，它主要包括兩個方面的功能：尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉發(fā)。在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點能量有限且一般沒有能量補充，因此路由協(xié)議需要高效利用能量，同時，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目往往很大。節(jié)點只能獲取局部拓撲結構信息，路由協(xié)議要能在局部網(wǎng)絡信息的基礎上選擇合適的路徑。傳感器網(wǎng)絡具有很強的應用相關性，不同應用中的路由協(xié)議可能相差很大，沒有一個通用的路由協(xié)議。此外，傳感器網(wǎng)絡的路由機制還經(jīng)常與數(shù)據(jù)融合技術聯(lián)系在一起，通過減少通信量而節(jié)省能量。因此，傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的路由協(xié)議不適應于無線傳感器網(wǎng)絡。相對于傳統(tǒng)無線通訊網(wǎng)絡而言，傳統(tǒng)無線通訊網(wǎng)絡研究的重點放在無線通訊的服務質量（Qos）上，而無線傳感器節(jié)點是隨機分布，電池供電，因此目前無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的研究重點是放在如何提高能量效率上，當前流行的幾個無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議有：泛洪協(xié)議、Gossiping協(xié)議、SPIN協(xié)議、定向擴散（DirectedDi舶sion）協(xié)議、LEACH協(xié)議等閉。

　　1.3 無線傳感器網(wǎng)絡管理技術

　　在傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點是體積微小的嵌入式設備，采用能量有限的電池供電，它的計算能力和通信能力十分有限，所以除了要設計能量高效的MAC協(xié)議、路由協(xié)議以及應用層協(xié)議之外，還要設計優(yōu)化的網(wǎng)絡拓撲控制機制。對于自組織的無線傳感器網(wǎng)絡而言，網(wǎng)絡拓撲結構控制對網(wǎng)絡性能影響很大。良好的拓撲結構能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標定位等很多方面提供基礎，有利于延長整個網(wǎng)絡的生存時間。所以，拓撲控制是傳感器網(wǎng)絡中的一個基本問題。

　　傳感器網(wǎng)絡拓撲控制主要研究的問題是：在滿足網(wǎng)絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，剔除節(jié)點之間不必要的通信鏈路，形成一個數(shù)據(jù)轉發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡結構。具體地講，傳感器網(wǎng)絡中的拓撲控制按照研究方向可以分為兩類：節(jié)點功率控制和層次型拓撲結構組織。功率控制機制調節(jié)網(wǎng)絡中每個節(jié)點的發(fā)射功率，在滿足網(wǎng)絡連通度的前提下，均衡節(jié)點的單跳可達鄰居數(shù)目。層次型拓撲結構控制利用分簇機制，讓一些節(jié)點作為簇頭節(jié)點，由簇頭節(jié)點形成一個處理并轉發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，其他非骨干網(wǎng)節(jié)點可以暫時關閉通信模塊，進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量?，F(xiàn)在的拓撲控制研究的發(fā)展趨勢是以實際應用為背景，多種機制結合使用，強調網(wǎng)絡拓撲控制的自適應性和魯棒性，在保證網(wǎng)絡連通性和覆蓋性的前提下，提高網(wǎng)絡通信的效率，最大限度地節(jié)省能量來延長整個網(wǎng)絡的生存時間?？紤]到不同的應用背景各有特點和網(wǎng)絡生存時間，一般都會綜合使用拓撲控制。

　　2 系統(tǒng)設計方案

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

　　一個適用于火災監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡除了傳感器節(jié)點外，還有基站和Intemet。最底層的傳感器節(jié)點向上層依次為傳輸層、基站、最終連接到Intemet。為獲得準確的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點將感應到的數(shù)據(jù)傳送到一個網(wǎng)關節(jié)點。網(wǎng)關節(jié)點負責將傳感器節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)經(jīng)由一個傳輸網(wǎng)絡發(fā)送到基站上。傳輸網(wǎng)絡是負責協(xié)同各個傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關節(jié)點、綜合網(wǎng)關節(jié)點信息的局部網(wǎng)絡?；臼悄軌蚝虸ntemet相連的一臺計算機，它將傳感數(shù)據(jù)通過Intemet發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，同時它還具有一個本地數(shù)據(jù)庫副本以緩存最新的傳感數(shù)據(jù)。監(jiān)測人員可以通過任意一臺連人Intemet的終端訪問數(shù)據(jù)中心，或者向基站發(fā)出命令?？紤]到林場可能在非常偏遠的地區(qū)，基站需要以無線的方式連人Intemet。對于偏遠地區(qū)來說，使用衛(wèi)星是一種比較可靠的方法?？梢詫⒈O(jiān)控區(qū)域附近的衛(wèi)星通信站作為傳感器網(wǎng)絡的基站。

　　無線傳感器網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點個數(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)點功耗非常低，以滿足用電池即可維持長時間的工作狀態(tài)。因此這些特點決定了對傳感器節(jié)點的設計需要在盡可能簡單的情況下滿足應用需求。

　　無線傳感器節(jié)點是由硬件層和軟件層共同配合完成任務。

　　2.1 硬件層

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

　　軟件層用來控制硬件層，是整個傳感器的“大腦”，除了最基本的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送之外，根據(jù)應用的場合，還需要實現(xiàn)關于網(wǎng)絡拓撲、自組織、路由選擇、能耗節(jié)約、錯誤處理、可靠性保證等一系列的算法與設計。對于一些簡單的應用可以使用單一循環(huán)邏輯的軟件來完成。而一些復雜性較高的應用場景就有必要使用針對無線傳感器網(wǎng)絡特點的嵌入式操作系統(tǒng)嘲。這類操作系統(tǒng)，除了要滿足對于資源有限、可移植性、實時性等方面的需求外，重點還要考慮節(jié)能性的需求，另外使用事件驅動的方式也可以適應無線傳感器網(wǎng)絡以數(shù)據(jù)流為中心的特點。

　　2.2 軟件層

　　包括三個層次：硬件抽象層、系統(tǒng)服務層和應用層。硬件抽象層實現(xiàn)對硬件平臺（電源管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信單元）的抽象，為上層屏蔽底層硬件細節(jié)，簡化系統(tǒng)平臺移植。系統(tǒng)服務層包括通信服務、傳感服務、能耗管理服務、實時內核四部分，在這個層次中除了實現(xiàn)操作系統(tǒng)如任務調度、信號量等內核服務外，還將完成各種路由、安全算法的實現(xiàn)，并支持各類通信傳輸協(xié)議。應用層是由用戶根據(jù)具體應用的需要定義，利用系統(tǒng)服務層提供的接口，能方便的設計出上層軟件。

　　3 結語

　　森林火災監(jiān)測是一個跨學科的課題。傳感器網(wǎng)絡為實現(xiàn)更加準確、數(shù)據(jù)量更大、對環(huán)境影響小的林火監(jiān)測提供了一個全新的手段。無線傳感器硬件平臺的設計對于整個無線傳感器網(wǎng)絡的開發(fā)與應用至關重要，作為整個系統(tǒng)的底層支持，其必然向微型化、高度集成化、網(wǎng)絡化、節(jié)能化、智能化的方向發(fā)展，近幾年，隨著計算機成本下降和微處理器體積縮小，開發(fā)和構造無線傳感器將有更廣闊的應用前景。尤其在環(huán)境監(jiān)測方面的應用得到大家的重視，各國都在進行這方面的探索，力求研究出更加符合無線傳感器網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

　　但是，我們還應該清楚的認識到，無線傳感器網(wǎng)絡才剛剛開始發(fā)展，它的技術、應用都還遠遠談不上成熟，我們期待切實可行的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)早日應用在林火監(jiān)測方面。