摘 要:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算#65380;通信和傳感器三項(xiàng)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，被視為環(huán)境監(jiān)測(cè)和建設(shè)監(jiān)測(cè)的一個(gè)發(fā)展方向，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，文物保護(hù)是其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域之一#65377;介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及其在文物保護(hù)中應(yīng)用的必要性，提出博物館文物保護(hù)系統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案，以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)#65380;匯節(jié)點(diǎn)和博物館監(jiān)控中心軟件等部分的設(shè)計(jì)方案#65377;與傳統(tǒng)的文物保護(hù)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有易于擴(kuò)充，測(cè)量準(zhǔn)確等特點(diǎn)#65377;

關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);節(jié)點(diǎn);文物保護(hù)

中圖分類號(hào):TP399文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1 引 言

眾所周知，中國(guó)是一個(gè)具有五千年悠久歷史的文明古國(guó)，文物分布遍及全國(guó)，文物保護(hù)任務(wù)復(fù)雜而艱巨#65377;當(dāng)前，因技術(shù)#65380;資金和管理等方面的原因，導(dǎo)致很多文物被損壞或丟失，如何科學(xué)而有效地對(duì)文物進(jìn)行保護(hù)和管理是文物管理部門面臨的巨大挑戰(zhàn)#65377;

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks.簡(jiǎn)稱WSNs)是計(jì)算#65380;通信和傳感器三項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，目前成為計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)活躍的研究分支#65377;2003年2月份的美國(guó)技術(shù)評(píng)論雜志(《Technology Review》)評(píng)出對(duì)人類未來(lái)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一^[1]#65377;隨著無(wú)線通信技術(shù)和電子器件技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了低成本#65380;低功耗#65380;體積小#65380;多功能(感知#65380;處理#65380;通信功能)傳感器的發(fā)展，從而使得開發(fā)低成本的傳感器網(wǎng)絡(luò)成為可能，從而使其具有更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域#65377;

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被視為環(huán)境監(jiān)測(cè)#65380;建筑監(jiān)測(cè)的一個(gè)發(fā)展方向#65377;它不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開，抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)#65377;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型工作方式是:使用飛行器將大量傳感器節(jié)點(diǎn)(數(shù)量從幾百到幾千個(gè))拋撒到感興趣區(qū)域，節(jié)點(diǎn)通過自組織快速形成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)#65377;節(jié)點(diǎn)既是信息的采集和發(fā)出者，也充當(dāng)信息的路由者，采集的數(shù)據(jù)通過多跳路由到達(dá)網(wǎng)關(guān)#65377;網(wǎng)關(guān)是一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)，可以通過Internet#65380;移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)#65380;衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信#65377;

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)十分適用于文物儲(chǔ)藏室環(huán)境監(jiān)測(cè)#65380;防盜與古建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)#65377;對(duì)于文物儲(chǔ)藏室的環(huán)境監(jiān)測(cè)，將傳感器節(jié)點(diǎn)合理部署在展室或儲(chǔ)藏室內(nèi)，可以測(cè)得文物存放環(huán)境的溫度#65380;濕度#65380;光照和振動(dòng)等數(shù)據(jù)，如果不合要求及時(shí)向監(jiān)控中心報(bào)警，以便通知相關(guān)人員及時(shí)處理#65377;利用加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)，如果有振動(dòng)異常，就會(huì)立即報(bào)警，監(jiān)控中心收到報(bào)警信息后，立即派人到現(xiàn)場(chǎng)查看是否有穿墻#65380;挖地洞等偷盜文物的行為發(fā)生或古建筑結(jié)構(gòu)有異常變化#65377;因此，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于文物保護(hù)，既能提高文物的保護(hù)水平又能節(jié)省人力資源，降低勞動(dòng)強(qiáng)度#65377;

2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理

本文提出的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于構(gòu)建博物館或文物保護(hù)單位的文物保護(hù)系統(tǒng)，用GPRS及Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無(wú)線業(yè)務(wù))是第2.5代移動(dòng)通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，適合突發(fā)數(shù)據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)，一般GPRS模塊的數(shù)據(jù)傳輸率為115.2Kbps;同時(shí)采用支持Zigbee規(guī)范的傳感器網(wǎng)絡(luò)#65377;網(wǎng)絡(luò)由大量分布在各個(gè)文物展室的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)#65380;匯節(jié)點(diǎn)和博物館監(jiān)控中心等3個(gè)部分組成，如圖1所示，每個(gè)展室內(nèi)安放幾個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，由展室面積大小等因素決定#65377;這是一個(gè)基于簇(Cluster)的分層結(jié)構(gòu)，它具有天然的分布式處理能力，簇頭就是分布式處理中心即無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)匯節(jié)點(diǎn)，物理位置臨近的若干個(gè)展室設(shè)置一個(gè)匯節(jié)點(diǎn)#65377;每個(gè)簇成員(即各展室內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn))都把數(shù)據(jù)傳給相應(yīng)簇頭，簇頭將數(shù)據(jù)融合后，直接將數(shù)據(jù)傳送到博物館監(jiān)控中心#65377;博物館監(jiān)控中心通過GPRS及Internet網(wǎng)絡(luò)與多個(gè)匯節(jié)點(diǎn)連接，匯節(jié)點(diǎn)和展室內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線的信息交換，帶有射頻收發(fā)器的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理并傳送給匯節(jié)點(diǎn);博物館監(jiān)控中心通過GPRS及Internet網(wǎng)絡(luò)從匯節(jié)點(diǎn)獲取采集到的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)展室的監(jiān)測(cè)#65377;

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2007年6月第26卷第2期何文德等:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在文物保護(hù)中的應(yīng)用

3 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)被放置在各個(gè)文物展室中，測(cè)量文物所處環(huán)境的溫度#65380;濕度#65380;光照和振動(dòng)等參數(shù)，并將其傳送給對(duì)應(yīng)的匯節(jié)點(diǎn)#65377;節(jié)點(diǎn)的硬件主要由數(shù)據(jù)采集#65380;數(shù)據(jù)處理#65380;數(shù)據(jù)傳輸和電源管理4部分電路組成，如圖2所示#65377;

數(shù)據(jù)采集部分負(fù)責(zé)文物展室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集部分包括溫度傳感器MLX90601#65380;濕度傳感器DS18B20#65380;光強(qiáng)度傳感器TSL2550D#65380;兩維數(shù)字加速度計(jì)ADXL202 AE共四個(gè)傳感器，分別采集文物展室內(nèi)的溫度#65380;濕度#65380;光照和振動(dòng)等參數(shù)#65377;

數(shù)據(jù)處理部分由Atmel公司的ATmega128L微控制器實(shí)現(xiàn)，它采用低功耗COMS工藝生產(chǎn)#65380;是基于RISC結(jié)構(gòu)的8位微控制器，功能強(qiáng)大，負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作#65380;路由協(xié)議#65380;同步定位#65380;功耗管理#65380;任務(wù)管理等;數(shù)據(jù)傳輸單元負(fù)責(zé)與匯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)#65377;ATmega128L微控制器具有片內(nèi)128KB的程序Flash，4KB的數(shù)據(jù)SRAM，可外擴(kuò)到64KB的E2PROM#65377;此外，它還有8個(gè)10位ADC通道，2個(gè)8位和2個(gè)16位硬件定時(shí)/計(jì)數(shù)器，并可在多種不同的模式下工作;8個(gè)PWM通道#65380;可編程看門狗定時(shí)器和片上振蕩器#65380;片上模擬比較器;UART#65380;SPI#65380;I2C總線接口#65380;JTAG接口#65377;除了正常操作模式外，還具有六種不同等級(jí)的低功耗操作模式，每種模式具有不同的功耗#65377;

射頻模塊選用由Chipcon公司生產(chǎn)的低功耗#65380;短距離無(wú)線通信模塊CC2420組成#65377;這是一款符合ZigBee技術(shù)規(guī)范的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件，其MAC層和PHY層協(xié)議符合802.15.4規(guī)范，工作于2.4GHz頻段#65377;該芯片只需很少外圍器件，可確保短距離通信的有效性和可靠性#65377;數(shù)據(jù)傳輸模塊支持的數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，系統(tǒng)體積小#65380;功耗小，適于電池供電^[2]#65377;

在用于文物保護(hù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的供電不宜采用常規(guī)的交流供電方式，因?yàn)樵谡故覂?nèi)鋪設(shè)電線會(huì)增加展室的火災(zāi)安全隱患以及增加施工量，所以節(jié)點(diǎn)電源由兩節(jié)1.5V堿性電池組成#65377;電源管理單元用于選通所用到的傳感器，本課題采用多路器芯片ADG715BRU，在I2C總線的控制下選通所用到的傳感器，即讓傳感器在使用時(shí)才帶電，使節(jié)點(diǎn)更節(jié)能#65377;

在節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方面，應(yīng)該盡量采用低功耗器件，在沒有通信任務(wù)時(shí)，切斷射頻部分的電源供應(yīng);在節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)方面，各個(gè)層次的通信協(xié)議都要以節(jié)能為中心#65377;

4 其它部分設(shè)計(jì)

4.1 匯節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)的匯節(jié)點(diǎn)(Sink Node)，用于收集物理位置相對(duì)集中的一些展室內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)上報(bào)的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)聚集后，通過GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，傳送給監(jiān)控中心;監(jiān)控中心也可以通過匯節(jié)點(diǎn)向各個(gè)展室內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布查詢和監(jiān)視命令，傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)命令作響應(yīng)，采集數(shù)據(jù)，并將結(jié)果通過匯節(jié)點(diǎn)反饋給監(jiān)控中心#65377;匯節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)成如圖3所示#65377;

4.2 博物館監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

博物館監(jiān)控中心軟件由管理員登陸#65380;配置管理#65380;監(jiān)控管理#65380;故障管理和數(shù)據(jù)庫(kù)五個(gè)模塊組成，如圖4所示#65377;它通過GPRS及Internet網(wǎng)絡(luò)，與多個(gè)分布在博物館內(nèi)不同物理位置的匯節(jié)點(diǎn)間接連接在一起，監(jiān)控模塊通過對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式匯節(jié)點(diǎn)上報(bào)信息的及時(shí)接收#65380;解析#65380;處理以及發(fā)送控制信令給不同ID的匯節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布在各個(gè)文物展室內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的間接#65380;實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集#65377;監(jiān)控中心軟件就是一個(gè)MIS系統(tǒng)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用Microsoft公司的SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行開發(fā)，軟件的前臺(tái)采用C#編程語(yǔ)言開發(fā)#65377;數(shù)據(jù)通信可靠性和實(shí)時(shí)性兩者的平衡，由本課題自定義的應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議來(lái)保證#65377;

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新的信息獲取和處理技術(shù)#65377;在某些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，它有著傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)#65377;文物保護(hù)僅僅是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的潛在的應(yīng)用領(lǐng)域之一，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將會(huì)有更多的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域和廣闊的應(yīng)用前景#65377;

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。