王玉龍，孔昭煜，曹鳳江

(1.61516部隊(duì)，北京100094;2.總參通信訓(xùn)練基地，宣化075100)

隨著網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信、嵌入式計(jì)算和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了具有感知能力、數(shù)據(jù)處理能力和網(wǎng)絡(luò)通信能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)使得它在各種領(lǐng)域的應(yīng)用受到人們的極大關(guān)注。

1 傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

傳感器網(wǎng)絡(luò)(Sensor Network)是由一組傳感器以Ad Hoc方式構(gòu)成的有線或無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者，從而實(shí)現(xiàn)觀察者與傳感器之間的數(shù)據(jù)通信。

圖1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

圖1給出了一個(gè)典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)、接收發(fā)送器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或通信衛(wèi)星、觀察者等部分構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)散布在指定的感知區(qū)域內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以感知信息，感知信息通過多跳的方式傳輸給接收發(fā)送器，接收發(fā)送器再將感知信息送到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或通信衛(wèi)星，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)觀察者與傳感器之間的數(shù)據(jù)通信。

傳感器、感知對(duì)象和觀察者是傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)基本要素。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)(或稱為傳感器子系統(tǒng))由電源、數(shù)據(jù)獲取單元、信息存儲(chǔ)與處理單元和數(shù)據(jù)傳輸單元構(gòu)成，如圖2所示［3］。電源為傳感器提供正常工作所必需的能源。數(shù)據(jù)獲取單元用于感知、獲取外界的信息，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。信息存儲(chǔ)與處理單元對(duì)數(shù)據(jù)獲取單元傳來的信息進(jìn)行必要的處理、保存，數(shù)據(jù)傳輸單元負(fù)責(zé)與其他傳感器或接收發(fā)送器之間的通信。觀察者是傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶，是感知信息的接受者或任務(wù)管理者，觀察者可以是人，也可以是計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備。

圖2 傳感器子系統(tǒng)的組成

2 傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

我們工作、生活、娛樂等場(chǎng)所都需要一個(gè)安全的環(huán)境。家庭中對(duì)煤氣泄漏的及時(shí)發(fā)現(xiàn)，公共場(chǎng)所對(duì)火災(zāi)初期情況的及時(shí)掌握，對(duì)人員疏散、最大限度減少生命及財(cái)產(chǎn)損失至關(guān)重要;計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、儲(chǔ)備重要物資的倉庫等許多場(chǎng)所對(duì)環(huán)境條件要求很高，如機(jī)房和倉庫對(duì)溫度、濕度都有嚴(yán)格的要求。

現(xiàn)在雖然有一些應(yīng)對(duì)辦法，如公共場(chǎng)所安裝煙感器，家庭中安裝煤氣報(bào)警器、煙感器，機(jī)房、倉庫溫濕度有專人負(fù)責(zé)定時(shí)監(jiān)測(cè)，但這種點(diǎn)狀的模式效率不高。例如，以家庭為例，即使家里安裝了煤氣報(bào)警器、煙感器(這是安全意識(shí)較強(qiáng)的家庭，事實(shí)上大多數(shù)家庭都沒有安裝煤氣報(bào)警器和煙感器)，但在家中無人的情況下，一旦發(fā)生煤氣泄漏(或火災(zāi))，煤氣報(bào)警器(或煙感器)啟動(dòng)報(bào)警，但由于無人在家，依然會(huì)造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失。而且，這種點(diǎn)狀的模式不能做到實(shí)時(shí)性。因?yàn)?，通常?duì)環(huán)境狀況的監(jiān)測(cè)主要是通過人工方式，即值班人員定時(shí)進(jìn)行巡視，觀察設(shè)置在環(huán)境中的儀表，并將情況進(jìn)行手工記錄。但是這樣的定時(shí)巡視，因有一定的時(shí)間間隔，不能做到實(shí)時(shí)性，而且需要的人力較多。

如果能夠利用傳感器網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行網(wǎng)狀的集中監(jiān)控，就會(huì)大大地提高工作效率，實(shí)時(shí)掌握環(huán)境情況。當(dāng)環(huán)境出現(xiàn)異常情況時(shí)，報(bào)警啟動(dòng)，監(jiān)控室的值班人員會(huì)第一時(shí)間掌握情況，及時(shí)進(jìn)行處理，從而最大限度減少災(zāi)害帶來的損失。

運(yùn)用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，系統(tǒng)硬件設(shè)備由傳感器子系統(tǒng)、服務(wù)器、客戶機(jī)和報(bào)警器組成。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)流程如圖4所示。針對(duì)不同的環(huán)境，根據(jù)需要采集的參數(shù)類型(溫濕度數(shù)據(jù)、煙感數(shù)據(jù)、煤氣感應(yīng)數(shù)據(jù)等)選擇相應(yīng)的傳感器，構(gòu)成相應(yīng)的傳感器子系統(tǒng)，傳感器子系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫，當(dāng)數(shù)據(jù)超出規(guī)定的范圍時(shí)啟動(dòng)報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警，提醒值班人員及時(shí)進(jìn)行處理。值班人員也可以隨時(shí)通過客戶端軟件訪問服務(wù)器，對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)、生成報(bào)表，隨時(shí)掌握環(huán)境狀態(tài)。

圖4 系統(tǒng)流程圖

［1］Akyildiz LF，Su WL，Sankarasubramaniam Y，et al.A Survey on Sensor Networks［J］.IEEE Communications Magazine，2002，40(8):102 －114.

［2］龍慧.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀研究［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011(6):9－11.