基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣播監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

文｜王強

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣播監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

文｜王強

本文設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣播監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測目前我們監(jiān)測系統(tǒng)的盲區(qū)，特別是那些氣候條件惡劣且政治敏感性強的地區(qū)。系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的實際價值。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

伴隨著計算機技術(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，具有代表性的一個領(lǐng)域就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）。

大量的隨機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)點組成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點間通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。它是一種大規(guī)模、無人值守、資源受限的分布式系統(tǒng)。節(jié)點中可內(nèi)置多種多樣的傳感器來測量其周邊的環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、噪聲、壓力、PH值、COD、光強度、土壤成分、移動物體的速度和方向等，通過網(wǎng)絡(luò)方式匯集數(shù)據(jù)，并通過上層網(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等和多跳等方式，因此，有的文獻也將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義為以Ad hoc方式構(gòu)成的傳感器無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是合作地感知、采集和處理無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理范圍內(nèi)被感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是繼互聯(lián)網(wǎng)后，將會對人類的生產(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，將會改變?nèi)伺c自然的交互模式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為社會帶來不可估量的效益，因此它得到了廣泛的關(guān)注，同時也引發(fā)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱潮。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能評價

1. 生命周期

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期是指從網(wǎng)絡(luò)啟動運行開始到不能為觀測者提供所需要的信息為止所持續(xù)的時間。

2. 時間延遲

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的延遲時間是指當觀測者發(fā)出申請到其接受到網(wǎng)絡(luò)的回答消息所需要的時間。

3. 能源的有效性

無線傳感器網(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者請求的數(shù)量。能源有效性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性能指標之一。

4. 感知精度

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知精度指的是觀測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、能量損耗和時間延遲之間有密切的關(guān)系。

5. 容錯性

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

6.可擴展性

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴展性表現(xiàn)在感知精度、時間延遲、生命周期、傳感器數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域等方面的可擴展極限。對于給定的可擴展性級別，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須提供支持該可擴展性級別的方法和機制。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下幾方面的特點：

1. 大規(guī)模、密集分布

人們通常在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署大量的傳感器節(jié)點來獲取物理世界的精確信息。傳感器節(jié)點的數(shù)量可能是成千上萬個，或許更多。通過分布式處理大量采集的信息能夠提高監(jiān)測的精確度，降低對單個傳感器節(jié)點的精度要求；大量冗余節(jié)點的存在強化了系統(tǒng)的容錯能力；大量節(jié)點能夠增大覆蓋的監(jiān)測區(qū)域，減少盲區(qū)或洞穴。

2. 電源能力的局限性

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，電池給傳感器節(jié)點供電，而且電池的容量一般不很大。其特殊的應用領(lǐng)域決定了在使用過程中，不能給電池充電或者更換電池；一旦傳感器節(jié)點的電池電量用完，該節(jié)點也就失去了作用，也就是節(jié)點失效。因此，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中，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. 動態(tài)拓撲

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)：一些節(jié)點可能因工作需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中；一些節(jié)點可能會因為環(huán)境因素、電池電量耗盡或其他故障失效，而退出網(wǎng)絡(luò)。這些都會導致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)隨時變化，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應該具備動態(tài)拓撲組織功能。

4. 多跳路由

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

5. 自組織網(wǎng)絡(luò)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應用中，通常情況下傳感器節(jié)點是通過飛機散播到面積廣闊的地區(qū)中，或隨意放置到人不可到達或危險的區(qū)域。所以，不能預先精確設(shè)定傳感器節(jié)點的位置，也不能預先知道節(jié)點之間的相鄰關(guān)系。這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行管理和配置。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性還要求能夠適應網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。所謂自組織就是，網(wǎng)絡(luò)的部署和展開無需依賴任何預設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和拓撲控制機制協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點開機后就可以自動而快速地組成一個獨立的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

6. 有限的硬件資源

由于受到體積、功耗和價格的限制，節(jié)點的內(nèi)存空間、程序空間和計算能力要比普通的計算機在功能上要弱很多。這就要求，在節(jié)點操作系統(tǒng)設(shè)計中，協(xié)議層次不能太復雜。

7. 以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)

由于傳感器節(jié)點大都是隨機部署的，構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點編號之間的關(guān)系是動態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點位置和節(jié)點編號沒有直接的關(guān)系：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點采用編號標識，節(jié)點編號不需要全網(wǎng)唯一。由于傳感器節(jié)點是隨機部署的，節(jié)點編號與節(jié)點位置之間的關(guān)系是完全動態(tài)的，沒有必然聯(lián)系。用戶查詢事件時，不是通報給某個確定編號的節(jié)點，而是直接將所關(guān)心的事件通報給全網(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，傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。因此需要節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合、聚合、壓縮和緩存等處理。

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣播監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)系

原有的監(jiān)測系統(tǒng)由三部分組成：數(shù)據(jù)處理中心、直屬監(jiān)測臺和遙控站點（短波遙控站和中波數(shù)據(jù)采集點）。無人值守的遙控站點是監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)。它們對當?shù)夭コ龅闹卸滩◤V播進行24小時不間斷地質(zhì)量和效果監(jiān)測。其間，它們接受數(shù)據(jù)中心或直屬監(jiān)測臺的控制指令，并把監(jiān)測結(jié)果回傳給數(shù)據(jù)中心或直屬監(jiān)測臺。直屬監(jiān)測臺是監(jiān)測系統(tǒng)承上啟下的中樞，一方面它負責所轄區(qū)域的遙控站和采集點的管理和維護，另一方面直屬監(jiān)測臺還負責匯總和統(tǒng)計分析所轄區(qū)域的頻譜數(shù)據(jù)及廣播質(zhì)量和效果數(shù)據(jù)，并上報數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心是監(jiān)測系統(tǒng)的核心，它負責匯總、統(tǒng)計和分析各直屬監(jiān)測臺上報的廣播質(zhì)量及效果數(shù)據(jù)資料，完成分析報告后上報有關(guān)部門。

原有監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋了全國大部分重要省市，為監(jiān)測廣播質(zhì)量和效果作出了重要貢獻。但是由于我國國土面積大的國情，我們所部署的有限的遙控站和采集點不能覆蓋全國，特別是對一些氣候條件惡劣且政治敏感性強的地區(qū)（如新疆地區(qū)和西藏地區(qū)）缺乏更有效的監(jiān)測，尤其是在特殊的政治敏感時期。這種時候需要派出專人進行流動收測。流動收測需要專人、專車和專用設(shè)備。這種方法費時費力，且人員外出有一定風險。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可有效的解決這一問題。更重要的是，流動收測只能收測一個點，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以進行多點收測。因此，在原有監(jiān)測系統(tǒng)中引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于在敏感時期加強對氣候條件惡劣且政治敏感性強的地區(qū)的監(jiān)測，是十分重要的。引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)如圖 1所示。

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

廣播監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 2所示，傳感器節(jié)點經(jīng)多跳轉(zhuǎn)發(fā)，把廣播錄音文件傳送給直屬臺或者數(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）、直屬臺或數(shù)據(jù)處理中心、分布式無線傳感器節(jié)點群和匯集節(jié)點。節(jié)點通過飛行器撒播或人工埋設(shè)的方式任意散落在被監(jiān)測區(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)點的通信方式是自組織網(wǎng)絡(luò)，并且每個節(jié)點都具有定位、動態(tài)搜索和恢復鏈接的能力，傳感器節(jié)點將接收到的廣播錄音文件傳送給直屬臺或數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)傳送的過程是通過相鄰節(jié)點接力傳送回匯集節(jié)點，然后通過匯集節(jié)點以衛(wèi)星信道或者有線網(wǎng)絡(luò)連接的方式傳送給直屬臺或數(shù)據(jù)處理中心。

3. 廣播監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)

廣播監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元是節(jié)點，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、存儲器）、無線通信模塊和供電模塊四個部分。收音模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的廣播信號的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理和控制模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，微處理器負責協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作，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；由于需要進行較為復雜的任務調(diào)度與管理，系統(tǒng)需要一個微型化的操作系統(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、低功耗的無線通信模塊組成，負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，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)點提供正常工作所必需的能量。

結(jié)論

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

國家廣播電影電視總局廣播電視監(jiān)測中心數(shù)據(jù)中心）