文｜王強(qiáng)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文｜王強(qiáng)

本文設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)目前我們監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的盲區(qū)，特別是那些氣候條件惡劣且政治敏感性強(qiáng)的地區(qū)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際價(jià)值。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以體積更小、價(jià)格更低、功耗更低的嵌入式系統(tǒng)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，發(fā)展出許多新的信息獲取和信息處理模式。其中，具有代表性的一個(gè)領(lǐng)域就是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）。

大量的隨機(jī)分布的集成有傳感器、通信模塊和數(shù)據(jù)處理單元的微小節(jié)點(diǎn)組成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)間通過(guò)自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。它是一種大規(guī)模、無(wú)人值守、資源受限的分布式系統(tǒng)。節(jié)點(diǎn)中可內(nèi)置多種多樣的傳感器來(lái)測(cè)量其周邊的環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、噪聲、壓力、PH值、COD、光強(qiáng)度、土壤成分、移動(dòng)物體的速度和方向等，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式匯集數(shù)據(jù)，并通過(guò)上層網(wǎng)絡(luò)或在網(wǎng)絡(luò)之間傳輸。網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式及通信方式采用對(duì)等和多跳等方式，因此，有的文獻(xiàn)也將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義為以Ad hoc方式構(gòu)成的傳感器無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其目的是合作地感知、采集和處理無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理范圍內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是繼互聯(lián)網(wǎng)后，將會(huì)對(duì)人類的生產(chǎn)生活方式產(chǎn)生重大影響的綜合技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人之間的通信、交流和溝通方式，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)將把信息世界與物理世界融合在一起，將會(huì)改變?nèi)伺c自然的交互模式。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為社會(huì)帶來(lái)不可估量的效益，因此它得到了廣泛的關(guān)注，同時(shí)也引發(fā)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱潮。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)價(jià)

1. 生命周期

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期是指從網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)運(yùn)行開始到不能為觀測(cè)者提供所需要的信息為止所持續(xù)的時(shí)間。

2. 時(shí)間延遲

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間是指當(dāng)觀測(cè)者發(fā)出申請(qǐng)到其接受到網(wǎng)絡(luò)的回答消息所需要的時(shí)間。

3. 能源的有效性

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源有效性指的是該網(wǎng)絡(luò)在有限的能源條件下能夠處理的觀測(cè)者請(qǐng)求的數(shù)量。能源有效性是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性能指標(biāo)之一。

4. 感知精度

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知精度指的是觀測(cè)者接收到的感知信息的精度。感知精度受傳感器的精度、信息處理方法、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議等的影響。感知精度、能量損耗和時(shí)間延遲之間有密切的關(guān)系。

5. 容錯(cuò)性

由于環(huán)境等原因，物理地維護(hù)或者替換掉失效的傳感器往往十分困難，有時(shí)甚至是不可能完成的。正因?yàn)槿绱?，需要無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性，以保證系統(tǒng)具有較高的健壯性。

6.可擴(kuò)展性

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性表現(xiàn)在感知精度、時(shí)間延遲、生命周期、傳感器數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域等方面的可擴(kuò)展極限。對(duì)于給定的可擴(kuò)展性級(jí)別，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須提供支持該可擴(kuò)展性級(jí)別的方法和機(jī)制。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下幾方面的特點(diǎn)：

1. 大規(guī)模、密集分布

人們通常在被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)獲取物理世界的精確信息。傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可能是成千上萬(wàn)個(gè)，或許更多。通過(guò)分布式處理大量采集的信息能夠提高監(jiān)測(cè)的精確度，降低對(duì)單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的精度要求；大量冗余節(jié)點(diǎn)的存在強(qiáng)化了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力；大量節(jié)點(diǎn)能夠增大覆蓋的監(jiān)測(cè)區(qū)域，減少盲區(qū)或洞穴。

2. 電源能力的局限性

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，電池給傳感器節(jié)點(diǎn)供電，而且電池的容量一般不很大。其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域決定了在使用過(guò)程中，不能給電池充電或者更換電池；一旦傳感器節(jié)點(diǎn)的電池電量用完，該節(jié)點(diǎn)也就失去了作用，也就是節(jié)點(diǎn)失效。因此，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程中，任何技術(shù)和協(xié)議的選擇和修改都要以節(jié)能為首要條件，以提高網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

3. 動(dòng)態(tài)拓?fù)?/h3>

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)：一些節(jié)點(diǎn)可能因工作需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中；一些節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)榄h(huán)境因素、電池電量耗盡或其他故障失效，而退出網(wǎng)絡(luò)。這些都會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)變化，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具備動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能。

4. 多跳路由

網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間的通信距離一般在幾十到幾百米的范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)直接的通信對(duì)象是與其相鄰的節(jié)點(diǎn)。如果想要與節(jié)點(diǎn)射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要中間節(jié)點(diǎn)作為路由。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成的，沒(méi)有設(shè)置專門的路由設(shè)備。這樣，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以是信息的發(fā)起者，又可以是信息的轉(zhuǎn)發(fā)者。

5. 自組織網(wǎng)絡(luò)

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)是通過(guò)飛機(jī)散播到面積廣闊的地區(qū)中，或隨意放置到人不可到達(dá)或危險(xiǎn)的區(qū)域。所以，不能預(yù)先精確設(shè)定傳感器節(jié)點(diǎn)的位置，也不能預(yù)先知道節(jié)點(diǎn)之間的相鄰關(guān)系。這樣就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行管理和配置。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性還要求能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。所謂自組織就是，網(wǎng)絡(luò)的部署和展開無(wú)需依賴任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和拓?fù)淇刂茩C(jī)制協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點(diǎn)開機(jī)后就可以自動(dòng)而快速地組成一個(gè)獨(dú)立的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

6. 有限的硬件資源

由于受到體積、功耗和價(jià)格的限制，節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存空間、程序空間和計(jì)算能力要比普通的計(jì)算機(jī)在功能上要弱很多。這就要求，在節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，協(xié)議層次不能太復(fù)雜。

7. 以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)

由于傳感器節(jié)點(diǎn)大都是隨機(jī)部署的，構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)編號(hào)之間的關(guān)系是動(dòng)態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)位置和節(jié)點(diǎn)編號(hào)沒(méi)有直接的關(guān)系：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用編號(hào)標(biāo)識(shí)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)不需要全網(wǎng)唯一。由于傳感器節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)部署的，節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)位置之間的關(guān)系是完全動(dòng)態(tài)的，沒(méi)有必然聯(lián)系。用戶查詢事件時(shí)，不是通報(bào)給某個(gè)確定編號(hào)的節(jié)點(diǎn)，而是直接將所關(guān)心的事件通報(bào)給全網(wǎng)。這是一種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或者傳輸線索的思想。所以，人們通常說(shuō)，傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。因此需要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、聚合、壓縮和緩存等處理。

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)系

原有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三部分組成：數(shù)據(jù)處理中心、直屬監(jiān)測(cè)臺(tái)和遙控站點(diǎn)（短波遙控站和中波數(shù)據(jù)采集點(diǎn)）。無(wú)人值守的遙控站點(diǎn)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。它們對(duì)當(dāng)?shù)夭コ龅闹卸滩◤V播進(jìn)行24小時(shí)不間斷地質(zhì)量和效果監(jiān)測(cè)。其間，它們接受數(shù)據(jù)中心或直屬監(jiān)測(cè)臺(tái)的控制指令，并把監(jiān)測(cè)結(jié)果回傳給數(shù)據(jù)中心或直屬監(jiān)測(cè)臺(tái)。直屬監(jiān)測(cè)臺(tái)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承上啟下的中樞，一方面它負(fù)責(zé)所轄區(qū)域的遙控站和采集點(diǎn)的管理和維護(hù)，另一方面直屬監(jiān)測(cè)臺(tái)還負(fù)責(zé)匯總和統(tǒng)計(jì)分析所轄區(qū)域的頻譜數(shù)據(jù)及廣播質(zhì)量和效果數(shù)據(jù)，并上報(bào)數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)匯總、統(tǒng)計(jì)和分析各直屬監(jiān)測(cè)臺(tái)上報(bào)的廣播質(zhì)量及效果數(shù)據(jù)資料，完成分析報(bào)告后上報(bào)有關(guān)部門。

原有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)覆蓋了全國(guó)大部分重要省市，為監(jiān)測(cè)廣播質(zhì)量和效果作出了重要貢獻(xiàn)。但是由于我國(guó)國(guó)土面積大的國(guó)情，我們所部署的有限的遙控站和采集點(diǎn)不能覆蓋全國(guó)，特別是對(duì)一些氣候條件惡劣且政治敏感性強(qiáng)的地區(qū)（如新疆地區(qū)和西藏地區(qū)）缺乏更有效的監(jiān)測(cè)，尤其是在特殊的政治敏感時(shí)期。這種時(shí)候需要派出專人進(jìn)行流動(dòng)收測(cè)。流動(dòng)收測(cè)需要專人、專車和專用設(shè)備。這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且人員外出有一定風(fēng)險(xiǎn)。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可有效的解決這一問(wèn)題。更重要的是，流動(dòng)收測(cè)只能收測(cè)一個(gè)點(diǎn)，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行多點(diǎn)收測(cè)。因此，在原有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中引入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于在敏感時(shí)期加強(qiáng)對(duì)氣候條件惡劣且政治敏感性強(qiáng)的地區(qū)的監(jiān)測(cè)，是十分重要的。引入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖 1所示。

2. 廣播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

廣播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 2所示，傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)多跳轉(zhuǎn)發(fā)，把廣播錄音文件傳送給直屬臺(tái)或者數(shù)據(jù)處理中心，系統(tǒng)構(gòu)架包括傳輸介質(zhì)（Internet或衛(wèi)星通信）、直屬臺(tái)或數(shù)據(jù)處理中心、分布式無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)群和匯集節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)通過(guò)飛行器撒播或人工埋設(shè)的方式任意散落在被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)。傳感器網(wǎng)絡(luò)是核心部分，在感知區(qū)域中，大量節(jié)點(diǎn)的通信方式是自組織網(wǎng)絡(luò)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有定位、動(dòng)態(tài)搜索和恢復(fù)鏈接的能力，傳感器節(jié)點(diǎn)將接收到的廣播錄音文件傳送給直屬臺(tái)或數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)傳送的過(guò)程是通過(guò)相鄰節(jié)點(diǎn)接力傳送回匯集節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)匯集節(jié)點(diǎn)以衛(wèi)星信道或者有線網(wǎng)絡(luò)連接的方式傳送給直屬臺(tái)或數(shù)據(jù)處理中心。

3. 廣播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

廣播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元是節(jié)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖 3所示，主要包括收音模塊、數(shù)據(jù)處理和控制模塊（微處理器、存儲(chǔ)器）、無(wú)線通信模塊和供電模塊四個(gè)部分。收音模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的廣播信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理和控制模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，微處理器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分的工作，通常選用嵌入式CPU，可選用Motorala的68HC16，ARM公司的ARM7、ARM9或Intel的80x86等；由于需要進(jìn)行較為復(fù)雜的任務(wù)調(diào)度與管理，系統(tǒng)需要一個(gè)微型化的操作系統(tǒng)，可采用的嵌入式操作系統(tǒng)有TinyOS、uCOS-II和嵌入式Linux等數(shù)據(jù)傳輸模塊主要由短距離、低功耗的無(wú)線通信模塊組成，負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)，可采用RFM公司的TR1000等；供電模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供正常工作所必需的能量。

結(jié)論

本文把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入到現(xiàn)有的廣播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可用于監(jiān)測(cè)目前我們監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的盲區(qū)，特別是那些氣候條件惡劣且政治敏感性強(qiáng)的地區(qū)。因此，此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際價(jià)值。

國(guó)家廣播電影電視總局廣播電視監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)中心）