動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理研究

宗葉平

（江蘇省蘇力環(huán)境科技有限責(zé)任公司 江蘇南京 211500）

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、無(wú)線傳感技術(shù)迅猛發(fā)展的趨勢(shì)下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)獲得了極其廣泛的應(yīng)用前景，如：空間探測(cè)、國(guó)防軍事、工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療護(hù)理、智能家居、危急救援等，并引入到動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，引發(fā)了人們極大的關(guān)注，相較于傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)而言，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以利用其微型無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，探測(cè)和感知環(huán)境信息，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行快速部署和監(jiān)測(cè)，適用于環(huán)境惡劣的被監(jiān)測(cè)環(huán)境之中，具有極強(qiáng)的信噪比和容錯(cuò)能力，能夠利用分布式信息處理大量的采集數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行智能化處理和分析，極大的提升數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)度。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括固定、移動(dòng)的傳感器節(jié)點(diǎn)和多跳自組織的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，整合和集成信息感知、無(wú)線通信、數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)區(qū)域的信息感知、數(shù)據(jù)處理和傳輸，滿足和響應(yīng)不同應(yīng)用程序或用戶的實(shí)際需求，并能夠較好地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)使用壽命。對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的相關(guān)指標(biāo)，主要涵蓋以下方面：網(wǎng)絡(luò)的能耗；網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間；網(wǎng)絡(luò)工作壽命；網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；網(wǎng)絡(luò)感知精度；容錯(cuò)性等，對(duì)這些指標(biāo)要進(jìn)行綜合、統(tǒng)一的考慮，使之具有科學(xué)合理性。

面向動(dòng)態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)存在正常狀態(tài)和異常狀態(tài)，為此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用不僅要進(jìn)行周期性的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理，還要能夠?qū)Ξ惓顟B(tài)或事件進(jìn)行及時(shí)、動(dòng)態(tài)的預(yù)警和提示，這就需要引入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)DEM-WSN，利用其多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)通信方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中的溫度、濕度、光照、壓力、電磁場(chǎng)、振動(dòng)等內(nèi)容的監(jiān)測(cè)，并判斷和提示異常狀態(tài)或事件。它表現(xiàn)為以下方面的主要特征：（1）極高的能量管理要求。動(dòng)態(tài)環(huán)境存在各種不確定性、隨機(jī)性、突發(fā)性的復(fù)雜情形，系統(tǒng)必須持續(xù)不間斷地進(jìn)行監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集和傳輸，要消耗極大的能量，這就對(duì)系統(tǒng)提出了極高的能量管理要求。（2）實(shí)現(xiàn)事件檢測(cè)。面向動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境的異常狀態(tài)進(jìn)行判斷、分析和檢測(cè)，確保原始數(shù)據(jù)的真實(shí)可信性。（3）實(shí)時(shí)性。動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)及時(shí)、遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和控制，將異常事件引發(fā)的損失降低到最小。

2 面向動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出不確定性的特點(diǎn)，系統(tǒng)中的WSN數(shù)據(jù)會(huì)受到諸多因素的影響存在部分缺失、模糊、夾雜噪音等問(wèn)題，導(dǎo)致WSN數(shù)據(jù)出現(xiàn)不確定性的因素主要包括有傳感噪聲、傳感誤差、傳輸錯(cuò)誤、時(shí)空偏移等。另外，還存在因非法入侵、惡意攻擊而出現(xiàn)的錯(cuò)誤、無(wú)效的數(shù)據(jù)，使WSN數(shù)據(jù)出現(xiàn)非信任性的特點(diǎn)。為此，要重點(diǎn)分析和把握面向動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)，提高環(huán)境監(jiān)測(cè)的效率和安全性：

2.1 容錯(cuò)數(shù)據(jù)估計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的復(fù)雜環(huán)境之中，會(huì)受到諸多因素的限制和影響，如：傳感器節(jié)點(diǎn)自身的體積、成本、溫度、濕度、電磁場(chǎng)、噪音等，導(dǎo)致其對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理能力受到約束，會(huì)出現(xiàn)難以避免的節(jié)點(diǎn)失效性和數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，如果對(duì)這些數(shù)據(jù)缺失、異常的現(xiàn)象不進(jìn)行及時(shí)的處理，就無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。傳統(tǒng)的直接刪除或忽略的數(shù)據(jù)處理方法存在一定的缺陷，因而可以考慮采用更為有效的數(shù)據(jù)處理方法，如：快速便捷的基于最近鄰居的缺失值估計(jì)算法；基于貝葉斯公式估計(jì)方法等，它們充分考慮數(shù)據(jù)的內(nèi)在屬性及相互關(guān)聯(lián)性，較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)缺失數(shù)據(jù)的估計(jì)和處理。

2.2 定位技術(shù)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常應(yīng)用于復(fù)雜、惡劣的環(huán)境之中，其節(jié)點(diǎn)位置是隨機(jī)、不確定的，為此，要對(duì)無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，相關(guān)的定位技術(shù)包括有：（1）全球定位系統(tǒng)（GPS）。它是應(yīng)用相對(duì)成熟和普遍的技術(shù)，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于精度高、抗干擾能力強(qiáng)；然而應(yīng)用缺陷在于受限于傳感器節(jié)點(diǎn)處理能力、存儲(chǔ)及通信能力，不適于數(shù)量龐大、能源有限的傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用。（2）機(jī)器定位技術(shù)。這是利用無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)與機(jī)器人節(jié)點(diǎn)的相似性，而進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，然而其缺陷在于機(jī)器人節(jié)點(diǎn)分布松散，不適宜直接應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)定位之中。（3）節(jié)點(diǎn)定位算法。它主要包括有無(wú)需測(cè)距的定位技術(shù)和基于測(cè)距的定位技術(shù)，由于無(wú)需測(cè)距的定位技術(shù)抗干擾性強(qiáng)、成本較低、精度高，因而是當(dāng)前主要的定位技術(shù)。

2.3 事件感知與收集

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)可以通過(guò)查詢、定時(shí)上報(bào)、事件觸發(fā)等不同模式，進(jìn)行事件的感知和收集，但是，在應(yīng)用中要充分考慮不同的時(shí)空特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、能量消耗等，并設(shè)置高度靈活、動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)信息分發(fā)、收集、處理機(jī)制。

結(jié)語(yǔ)

要重視面向動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用適宜的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)，較好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步協(xié)同處理。