無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測等方面。本文根據(jù)光纜干線預(yù)防性維護(hù)需求和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，給出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的光纜干線預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，光纜干線，預(yù)防性維護(hù)，設(shè)計(jì)方案

1．引言
隨著通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和不斷融合，一種具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的新型網(wǎng)絡(luò)—無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐步發(fā)展起來了，因其具有開設(shè)簡單、價(jià)格低廉、抗毀性強(qiáng)、隱蔽性高等優(yōu)勢，在發(fā)達(dá)國家得到了很好的應(yīng)用。

2．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其特點(diǎn)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN）是一種新型的信息獲取系統(tǒng)，是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)各種感知對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，最終發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種低功耗、自組織網(wǎng)絡(luò)，一般由一個(gè)或多個(gè)基站（Sink節(jié)點(diǎn)）和大量部署于監(jiān)測區(qū)域、配有各類傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)成本低，功耗小，具有一定計(jì)算處理能力、通信能力。雖然單個(gè)節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)并不精確，也不可靠，但是大量節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作形成高度統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度和運(yùn)行的可靠性，可部署于在敵占區(qū)、災(zāi)害區(qū)、核反應(yīng)堆等人力不可達(dá)的特殊區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)?，具有其他網(wǎng)絡(luò)無法比擬的特性，可廣泛用于國防、環(huán)境監(jiān)測、智能家居等領(lǐng)域。
與蜂窩網(wǎng)、無線局域網(wǎng)等其它無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有其自身的顯著特點(diǎn)：
l) 分布式、自組織性。無線傳感網(wǎng)是由對(duì)等節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，不存在中心控制。管理和組網(wǎng)都非常簡單靈活。不依賴固定的基礎(chǔ)設(shè)施，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有路由功能，可以通過自我協(xié)調(diào)、自動(dòng)布置而形成網(wǎng)絡(luò)，不需要其它輔助設(shè)施和人為手段。
2)健壯性。由于能量限制、環(huán)境干擾和人為破壞等因素的影響，傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)損壞，導(dǎo)致一些傳感器節(jié)點(diǎn)不能正常工作，但隨機(jī)分布的大量節(jié)點(diǎn)之間可以協(xié)調(diào)互補(bǔ)，保證部分傳感器節(jié)點(diǎn)的損壞不會(huì)影響到全局任務(wù)。
3)可擴(kuò)展性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中增加新的無線傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，也不需要其它外界條件，原有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以有效地融納新增節(jié)點(diǎn)，使新增節(jié)點(diǎn)快速融入網(wǎng)絡(luò)，參與全局工作。
4)動(dòng)態(tài)拓?fù)?。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)槟芰亢谋M或其他故障退出網(wǎng)絡(luò);有些節(jié)點(diǎn)可能處于工作狀態(tài)，有些節(jié)點(diǎn)可能處于關(guān)閉狀態(tài)，沒有參與網(wǎng)絡(luò)通訊;也有可能又會(huì)新增大量的節(jié)點(diǎn)融入網(wǎng)絡(luò)，這些都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化。
5)應(yīng)用相關(guān)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用來感知客觀物理世界，獲取物理世界信息。不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，因此不同應(yīng)用背景將導(dǎo)致不同的節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不能象Internet一樣具有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺(tái)，必須針對(duì)具體應(yīng)用來研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的顯著特征。
6)規(guī)模大。為了提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，通常在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)可能包含多達(dá)數(shù)千甚至上萬個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性還能夠通過不同空間視角獲得更大的信噪比，從而提高監(jiān)測準(zhǔn)確性。
7)高冗余。節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模部署使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有較高的節(jié)點(diǎn)冗余，網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余以及采集的數(shù)據(jù)冗余，從而使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力。
8)空間位置尋址。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般不需要支持任意兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，傳感器節(jié)點(diǎn)不必具有全球唯一的標(biāo)識(shí)，不必采用因特網(wǎng)的IP尋址。用戶往往不關(guān)心數(shù)據(jù)采集于哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而關(guān)心數(shù)據(jù)所屬的空間位置，因此可采取空間位置尋址方式。從這個(gè)意義上講，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。

3．光纜干線預(yù)防性維護(hù)需求
光纖通信傳送網(wǎng)是其它業(yè)務(wù)網(wǎng)系的基礎(chǔ)，光纖通信傳送網(wǎng)一旦出現(xiàn)阻斷，將影響其承載的各業(yè)務(wù)網(wǎng)系，因此，如何采取措施，預(yù)防光纖通信傳送網(wǎng)的阻斷，就顯得尤為重要。在光纖通信傳送網(wǎng)的阻斷中，有一部分阻斷是由滑坡、塌方、地基沉降等自然災(zāi)害引起的，并且在同一地段具有多發(fā)性的特點(diǎn)，因此，我們可以應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)光纜干線經(jīng)過的險(xiǎn)情高發(fā)地段進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警，提前預(yù)報(bào)險(xiǎn)情，提醒線路維護(hù)人員提前進(jìn)行路基加固定、線路搶代通及線路整改等準(zhǔn)備工作，將安全隱患消滅在萌芽狀態(tài)。

4．基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的光纜干線預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
通信光纜干線一般部署于地表以下的土壤層，當(dāng)?shù)刭|(zhì)情況發(fā)生變化（如：滑坡、塌方、地基沉降等）時(shí)，容易毀損光纜，造成通信中斷，影響通信網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。為此，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的光纜干線預(yù)警系統(tǒng)，其架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)構(gòu)成。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由相應(yīng)的傳感器及其變送器構(gòu)成，負(fù)責(zé)土壤應(yīng)力、溫度、濕度等狀態(tài)信息的采集，各傳感器部署于待監(jiān)測路段土壤層，其采集的信息通過WSN節(jié)點(diǎn)的A/D轉(zhuǎn)換接口進(jìn)入節(jié)點(diǎn)。
數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，微控制單元(Micro Controller Unit，MCU)，GPRS/GSM/CDMA模塊，衛(wèi)星通信網(wǎng)組成，負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)上傳到管理中心。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有雙重功能，一方面連接各類傳感器，接收相應(yīng)數(shù)據(jù)，另一方面，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)打包、傳輸?shù)?，充?dāng)路由者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，一經(jīng)部署即可自動(dòng)組網(wǎng)，可以自主選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，從而使數(shù)據(jù)通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)以多跳中繼的方式上傳到sink節(jié)點(diǎn)。微控制單元負(fù)責(zé)接收并通過GPRS/GSM/CDMA模塊轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到管理中心。GPRS/GSM/CDMA數(shù)傳模塊、衛(wèi)星通信網(wǎng)主要用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸，一般待監(jiān)測的區(qū)域距離管理中心較遠(yuǎn)，采用GPRS/GSM/CDMA的數(shù)傳方式顯得更為靈活和高效。
數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)是系統(tǒng)的管理中心，用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、分析、顯示、維護(hù)的子系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器及相關(guān)配套設(shè)施，負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。比如系統(tǒng)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)分析土壤應(yīng)力變化情況，如果應(yīng)力超限則說明土壤層可能發(fā)生滑坡、沉降等災(zāi)害，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出聲光預(yù)警，并顯示具體位置等相關(guān)信息，從而可以提示維護(hù)人員提前采取必要的補(bǔ)救措施，保證通信光纜不被損壞。同時(shí)，數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)還包括基于B/S模式的數(shù)據(jù)查詢、顯示系統(tǒng)，客戶機(jī)可以通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)（DCN）訪問系統(tǒng)，為網(wǎng)管中心等通信網(wǎng)絡(luò)管理部門隨時(shí)查看和分析某地區(qū)通信光纜的安全狀態(tài)提供訪問手段。管理中心部署在各地區(qū)的維修中心，系統(tǒng)一旦發(fā)出預(yù)警，值班人員可立即通知線路維護(hù)人員到系統(tǒng)指示的地點(diǎn)進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，確保光纖通信傳送網(wǎng)安全可靠地運(yùn)行。