无线传感器网络及其应用

1．引言
      随着通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和传感器技术的飞速发展和不断融合，一种具有感知能力、计算能力和通信能力的新型网络—无线传感器网络逐步发展起来了，因其具有开设简单、价格低廉、抗毁性强、隐蔽性高等优势，在发达国家得到了很好的应用。

2．无线传感器网络及其特点
       无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是一种新型的信息获取系统，是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地监测、感知和采集网络覆盖区域内各种感知对象的信息，并对这些信息进行处理，最终发送给观察者。无线传感器网络是一种低功耗、自组织网络，一般由一个或多个基站（Sink节点）和大量部署于监测区域、配有各类传感器的无线网络节点构成。每个节点成本低，功耗小，具有一定计算处理能力、通信能力。虽然单个节点采集数据并不精确，也不可靠，但是大量节点相互协作形成高度统一的网络结构，提高了数据采集的准确度和运行的可靠性，可部署于在敌占区、灾害区、核反应堆等人力不可达的特殊区域进行数据采集、传输等，具有其他网络无法比拟的特性，可广泛用于国防、环境监测、智能家居等领域。

与蜂窝网、无线局域网等其它无线通信网络相比，无线传感器网络有其自身的显著特点：
l) 分布式、自组织性。无线传感网是由对等节点构成的网络，不存在中心控制。管理和组网都非常简单灵活。不依赖固定的基础设施，每个节点都具有路由功能，可以通过自我协调、自动布置而形成网络，不需要其它辅助设施和人为手段。
2)健壮性。由于能量限制、环境干扰和人为破坏等因素的影响，传感器节点会损坏，导致一些传感器节点不能正常工作，但随机分布的大量节点之间可以协调互补，保证部分传感器节点的损坏不会影响到全局任务。
3)可扩展性。当网络中增加新的无线传感器节点时，也不需要其它外界条件，原有的无线传感器网络可以有效地融纳新增节点，使新增节点快速融入网络，参与全局工作。
4)动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，网络内的节点可能会因为能量耗尽或其他故障退出网络;有些节点可能处于工作状态，有些节点可能处于关闭状态，没有参与网络通讯;也有可能又会新增大量的节点融入网络，这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化。
5)应用相关。无线传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界信息。不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此不同应用背景将导致不同的节点硬件平台、软件系统和网络协议。无线传感器网络不能象Internet一样具有统一的通信协议平台，必须针对具体应用来研究传感器网络技术。这也是无线传感器网络区别于传统网络系统的显著特征。
6)规模大。为了提高网络的可靠性，通常在目标区域内部署大量传感器节点，传感器网络可能包含多达数千甚至上万个传感器节点。传感器网络的大规模性还能够通过不同空间视角获得更大的信噪比，从而提高监测准确性。
7)高冗余。节点的大规模部署使得无线传感器网络通常具有较高的节点冗余，网络链路冗余以及采集的数据冗余，从而使得系统具有很强的容错能力。
8)空间位置寻址。无线传感器网络一般不需要支持任意两个传感器节点之间的点对点通信，传感器节点不必具有全球唯一的标识，不必采用因特网的IP寻址。用户往往不关心数据采集于哪一个节点，而关心数据所属的空间位置，因此可采取空间位置寻址方式。从这个意义上讲，传感器网络通常以数据本身作为查询或传输线索，因此传感器网络是一个以数据为中心的网络。

3．光缆干线预防性维护需求
      光纤通信传送网是其它业务网系的基础，光纤通信传送网一旦出现阻断，将影响其承载的各业务网系，因此，如何采取措施，预防光纤通信传送网的阻断，就显得尤为重要。在光纤通信传送网的阻断中，有一部分阻断是由滑坡、塌方、地基沉降等自然灾害引起的，并且在同一地段具有多发性的特点，因此，我们可以应用无线传感器网络对光缆干线经过的险情高发地段进行监测和预警，提前预报险情，提醒线路维护人员提前进行路基加固定、线路抢代通及线路整改等准备工作，将安全隐患消灭在萌芽状态。

4．基于无线传感器网络的光缆干线预警系统的设计
通信光缆干线一般部署于地表以下的土壤层，当地质情况发生变化（如：滑坡、塌方、地基沉降等）时，容易毁损光缆，造成通信中断，影响通信网络的正常运行。为此，我们可以设计一个基于无线传感器网络的光缆干线预警系统，其架构如图1所示，系统由数据采集子系统、数据传输子系统、数据管理子系统构成。

数据采集子系统由相应的传感器及其变送器构成，负责土壤应力、温度、湿度等状态信息的采集，各传感器部署于待监测路段土壤层，其采集的信息通过WSN节点的A/D转换接口进入节点。
      数据传输子系统由无线传感器网络节点，微控制单元(Micro Controller Unit，MCU)，GPRS/GSM/CDMA模块，卫星通信网组成，负责将采集的数据上传到管理中心。无线传感器网络节点具有双重功能，一方面连接各类传感器，接收相应数据，另一方面，负责数据打包、传输等，充当路由者。无线传感器网络是一种自组织网络，一经部署即可自动组网，可以自主选择下一跳节点，从而使数据通过多个节点以多跳中继的方式上传到sink节点。微控制单元负责接收并通过GPRS/GSM/CDMA模块转发数据到管理中心。GPRS/GSM/CDMA数传模块、卫星通信网主要用于实现远程数据的传输，一般待监测的区域距离管理中心较远，采用GPRS/GSM/CDMA的数传方式显得更为灵活和高效。

     数据管理子系统是系统的管理中心，用于系统数据存储、管理、分析、显示、维护的子系统，主要包括数据库服务器、应用服务器及相关配套设施，负责对采集到的数据进行存储和管理。比如系统根据采集到的数据分析土壤应力变化情况，如果应力超限则说明土壤层可能发生滑坡、沉降等灾害，系统自动发出声光预警，并显示具体位置等相关信息，从而可以提示维护人员提前采取必要的补救措施，保证通信光缆不被损坏。同时，数据管理子系统还包括基于B/S模式的数据查询、显示系统，客户机可以通过数据传输网（DCN）访问系统，为网管中心等通信网络管理部门随时查看和分析某地区通信光缆的安全状态提供访问手段。管理中心部署在各地区的维修中心，系统一旦发出预警，值班人员可立即通知线路维护人员到系统指示的地点进行预防性维护，确保光纤通信传送网安全可靠地运行。