土遺址監(jiān)測傳感網(wǎng)原型系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：文章以陜西明長城監(jiān)測為應用背景，針對無線傳感網(wǎng)可靠傳輸面臨的挑戰(zhàn)，設(shè)計實現(xiàn)大型土遺址無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)可對監(jiān)測目標進行地理信息分析、結(jié)果健康分析和環(huán)境因子分析等分析、統(tǒng)計。

關(guān)鍵詞：土遺址；無線傳感網(wǎng)；可靠傳輸

1 概述

大型土遺址由于其不可再生和不可替代性，其保護上升到國家戰(zhàn)略角度，成為我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成。隨著經(jīng)濟全球化趨勢和現(xiàn)代化進程加快，土遺址受到嚴重威脅，加強土遺址保護工作已刻不容緩?，F(xiàn)有的化學加固和保護方式[1-3]難以預期百年以后的長期效果，國際上學者倡導通過環(huán)境調(diào)控的方式進行自然無損的預防性保護。

大型土遺址生存環(huán)境變化是對遺址保護影響的重要因素，因此，其數(shù)據(jù)的監(jiān)測采集、分析、最優(yōu)生存環(huán)境的確定和環(huán)境因素控制是實現(xiàn)大型土遺址保護中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的監(jiān)控方法主要依靠工作人員手工測量、計算，工作量龐大，實時性差，數(shù)據(jù)丟失嚴重，難以有效的對采集的海量數(shù)據(jù)進行融合分析，缺乏科學性和智能性，嚴重影響了大型土遺址保護工作的進行。無線傳感網(wǎng)因其不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，抗毀性強等特點，將無線傳感網(wǎng)用于文物保護，既能提高文物的保護水平又能節(jié)省人力資源，降低勞動強度，有著傳統(tǒng)技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。文章設(shè)計并實現(xiàn)了大型遺址監(jiān)測傳感網(wǎng)原型系統(tǒng)，在陜西明長城上部署傳感節(jié)點，收集溫度、濕度、振動等影響遺址健康的各種參數(shù)，通過匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送到管理中心。為文物保護專家針對土遺址預防性保護提供科學依據(jù)，探索發(fā)現(xiàn)環(huán)境因素的靜態(tài)與動態(tài)變換對大型遺址保護的作用，從而探索大型遺址生存環(huán)境優(yōu)化的機制與途徑，分析判斷環(huán)境是否符合文物的生存條件標準，提出解決文物保護的技術(shù)體系。

2 大型土遺址監(jiān)測傳感網(wǎng)原型系統(tǒng)

以陜西明長城實地應用描述該原型系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)概述

原型系統(tǒng)由無線傳感網(wǎng)、無人機、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測中心和專家系統(tǒng)構(gòu)成了一個三維立體監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

原型系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點采用自行研制的集成溫濕度和光照的傳感器節(jié)點、土壤內(nèi)部溫濕度傳感器、氣體傳感器節(jié)點和太陽能網(wǎng)關(guān)。集成傳感器節(jié)點采用ATMEGA128L芯片，SHT11傳感器，CC2420無線通訊模塊和DYP55光敏電阻。根據(jù)土遺址自身特點，設(shè)計了感知遺址內(nèi)部溫濕度的傳感器節(jié)點，其特點是體積小，對遺址損傷很?。煌瑫r結(jié)合端口復用技術(shù)，實現(xiàn)單個節(jié)點多點測量，大大減小了節(jié)點部署的密度，降低成本。氣體傳感器能夠感知CO2，H2S和SO2含量。此外，依托ARM實現(xiàn)具有遠程實時傳輸、海量存儲數(shù)據(jù)、運算能力強、低能耗的實用價值的無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)平臺；通過太陽能技術(shù)提高節(jié)點可生存性，結(jié)合端口復用技術(shù)實現(xiàn)對遺址單位縱深多感知探測。

陜西明長城監(jiān)測應用中，將節(jié)點隨機部署在游人不易到達之處，實時采集環(huán)境的濕度、溫度、光照、氣體含量等數(shù)據(jù)。選擇監(jiān)測區(qū)域為榆林市榆陽區(qū)的十八敦村長城、鎮(zhèn)北臺長城、建安堡，定邊縣的磚井堡、二樓村長城1段。以明長城鎮(zhèn)北臺段為例說明具體部署方案：

長城鎮(zhèn)北臺段地處陜西省榆林市榆林區(qū)，以鎮(zhèn)北臺為中心的2公里區(qū)域部署傳感器節(jié)點120個，網(wǎng)關(guān)8個。形成在2公里區(qū)域，以30米為間隔，每個間隔縱深部署2個傳感網(wǎng)節(jié)點；以250米為間隔，每個間隔部署一個網(wǎng)關(guān)，匯聚各節(jié)點采集的信息，網(wǎng)關(guān)集成了一個風速風向傳感器和1個振動傳感器。周邊選取5種典型地貌區(qū)域，形成小范圍的節(jié)點部署規(guī)模，每種地貌部署酸雨及降水強度實時傳感器3個，氣體傳感器5個，夯土溫濕度傳感器27個。最終形成以鎮(zhèn)北臺段為中心，周邊5個區(qū)域為典型監(jiān)測點的傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。如圖2所示。

當感知節(jié)點采集到數(shù)據(jù)后，首先由退避策略根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)確定退避時長，然后利用信道接入策略有序占用信道，之后按照可靠機會路由策略建立由感知節(jié)點到sink節(jié)點的路由，最后采用基于能耗最優(yōu)的可靠傳輸策略將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)測中心和專家系統(tǒng)，為提出解決文物保護的技術(shù)體系提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

該系統(tǒng)包括展示模塊、報警模塊、預測模塊和網(wǎng)管模塊。展示模塊是針對收集到的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)客戶選擇的展示方式（折線圖，柱狀圖，等值線）。報警模塊包含異常數(shù)據(jù)報警和健康狀況報警兩部分，其中，異常數(shù)據(jù)包括異常環(huán)境數(shù)據(jù)和異常網(wǎng)絡(luò)狀況（比如節(jié)點失效或網(wǎng)關(guān)不能正常工作），健康狀況報警針對長城健康狀況進行報警。預測模塊包括健康狀態(tài)預測和環(huán)境預測，可以根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)，對長城的具體變化用圖示的形式表現(xiàn)，同時對未來的環(huán)境做出預測。網(wǎng)管模塊包含網(wǎng)絡(luò)拓撲、節(jié)點數(shù)據(jù)顯示、網(wǎng)絡(luò)狀況顯示和數(shù)據(jù)包路徑顯示四部分。如圖3所示。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計

大型土遺址監(jiān)測傳感網(wǎng)原型系統(tǒng)可分為以下三部分：

（1）數(shù)據(jù)采集

針對陜西明長城選擇基巖山區(qū)、風沙灘區(qū)、沙漠區(qū)、黃土梁峁區(qū)、沙漠戈壁區(qū)等不同環(huán)境，在不同地形地貌的長城遺址上檢驗可靠傳輸機制的適應性，目標是保證大量監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠準確、可靠傳輸。傳感器節(jié)點和sink節(jié)點部署在游人不可達的外墻區(qū)域。傳感器節(jié)點每隔10分鐘采集一次環(huán)境數(shù)據(jù)，按照可靠的機會路由策略建立一條路由，通過可靠傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到sink節(jié)點，最終發(fā)送至監(jiān)測中心和專家系統(tǒng)。

（2）數(shù)據(jù)通信

利用自行研制的傳感器感知光照、氣體含量、表面溫濕度、降雨量、土壤中的溫濕度等環(huán)境信息，通過可靠、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送至sink節(jié)點。

長城土遺址跨越山丘、河流、沙漠等多種地理環(huán)境，大多數(shù)遺址地處偏遠，交通不便，同時公用通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施缺乏，無法完全依賴現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程感知信息的傳輸。因此，在3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)利用通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳回監(jiān)測中心，沒有3G信號覆蓋的范圍，由無人機周期性的收集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至監(jiān)測中心，同時，無人機可以對地面進行拍攝，獲取長城實時外觀信息，能夠及時發(fā)現(xiàn)人為破壞情況。

（3）長城健康狀況分析與預警

根據(jù)監(jiān)測中心獲取的數(shù)據(jù)，結(jié)合專家系統(tǒng)中的形變監(jiān)測模型，利用回歸平面分析、曲線擬合、云模型等方法，對形變過程進行描述，對土遺址物理形態(tài)進行監(jiān)測，獲取有關(guān)形變定性與定量的結(jié)論，識別土遺址形態(tài)的破壞性變化、病變，如明長城遺址變形、沉降等，發(fā)出預警，為大型土遺址的保護提供科學指導。

3 大型土遺址監(jiān)測傳感網(wǎng)原型系統(tǒng)的應用

目前已在原型系統(tǒng)中實現(xiàn)了上述協(xié)議，下面以基于滑動緩存的WSN可靠傳輸協(xié)議[4]為例說明實現(xiàn)過程。

對長城環(huán)境和狀態(tài)進行實時數(shù)據(jù)采集與可靠傳輸，是構(gòu)建預警系統(tǒng)、為長城的管理和保護提供技術(shù)支撐的基礎(chǔ)?；诨瑒泳彺娴腤SN可靠傳輸協(xié)議在保障數(shù)據(jù)傳輸可靠性的前提下，平衡與能耗的關(guān)系，根據(jù)動態(tài)鏈路質(zhì)量確定數(shù)據(jù)包緩存的節(jié)點位置。具體是，按照通信距離將鏈路上的節(jié)點劃分為近源（near-source）節(jié)點和近匯聚（near-sink）節(jié)點，根據(jù)鏈路質(zhì)量動態(tài)調(diào)整中間節(jié)點緩存數(shù)據(jù)包的位置。設(shè)定鏈路質(zhì)量閾值為pm，丟包率大于pm時，數(shù)據(jù)包在near-source節(jié)點緩存，能夠有效的提高可靠性；否則，數(shù)據(jù)包在near-sink節(jié)點緩存，可以有效的降低丟包重傳時的能耗和時延。此處設(shè)置pm=0.1。

當源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包后，第i個節(jié)點成功接收到數(shù)據(jù)包時檢查當前數(shù)據(jù)包的緩存（Cached）標志，對（Cached）標志未置位的數(shù)據(jù)包計算緩存概率hi，根據(jù)該值進行緩存，同時修改該Cached標志，然后轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

匯聚節(jié)點檢查數(shù)據(jù)包傳輸情況，發(fā)現(xiàn)丟失則發(fā)送NACK信號由反向路徑查找丟失的包，每隔10分鐘計算一次丟包率，代碼如下：

4 大型土遺址監(jiān)測傳感網(wǎng)原型系統(tǒng)的應用效果

目前，已將傳感器節(jié)點實際部署到陜西明長城的直線帶狀區(qū)域和帶轉(zhuǎn)角的帶狀區(qū)域中，實時對長城生存環(huán)境和健康狀態(tài)進行監(jiān)測。明長城在陜西境內(nèi)全長約1200多公里，范圍狹長，若監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的所有感知節(jié)點都與單一的sink節(jié)點交換數(shù)據(jù)，則sink節(jié)點負載過重，同時過度路由的情況將頻繁發(fā)生。因此，實際部署時增加了簇頭節(jié)點，感知節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送給簇頭，簇頭節(jié)點再轉(zhuǎn)發(fā)至sink。明長城周圍交通非常不便利，如果由人工完成數(shù)據(jù)采集，則周期過長，成本也很高。因此，在3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)可通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳回監(jiān)測中心，否則，由無人機根據(jù)需求周期性的收集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至監(jiān)測中心。

原型系統(tǒng)應用效果：我們設(shè)計并實現(xiàn)了一個無線傳感網(wǎng)文物動物保護數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)可對監(jiān)測目標進行地理信息分析、結(jié)果健康分析和環(huán)境因子分析等分析、統(tǒng)計。

5 結(jié)束語

文章針對關(guān)于可靠數(shù)據(jù)傳輸機制的研究，以陜西明長城保護為例，設(shè)計并實現(xiàn)了大型土遺址監(jiān)測傳感網(wǎng)原型系統(tǒng)。首先描述了原型系統(tǒng)的概述和總體構(gòu)成，然后給出了具體的系統(tǒng)設(shè)計，之后以可靠傳輸策略為例說明了可靠傳輸機制在原型系統(tǒng)的實現(xiàn)，最后，通過開發(fā)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)展示原型系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果。

參考文獻

[1]周雙林，原思訓.有機硅改性丙烯酸樹脂非水分散體的制備及在土遺址保護中的試用[J].文物保護與考古科學，2004，16（4）：50-52.

[2]B. H. Stuart. Conservati on Materials. In AnalyticalTechniques in Materials Conservation[M].New York： John Wiley &Sons，2007.

[3]COFFMAN R， SELWTTZ C，AGNEW N. The adobe reseach project at Fort Selder ⅡA study of the interaction of chemical consolidation with adobe and adobe constituents[M]// 6th International Conference on the Conservation of Earthen Architecture. Las Cruces， New Mezico， USA October，250.

[4]陳昊，房鼎益，陳曉江，等.基于滑動緩存的WSN可靠協(xié)議及其能耗分析[J].Computer Engineering，2013，39（3）.