基于無線傳感器網絡的廣播監測系統設計

文｜王強

基于無線傳感器網絡的廣播監測系統設計

文｜王強

本文設計了基于無線傳感器網絡的廣播監測系統，用于監測目前我們監測系統的盲區，特別是那些氣候條件惡劣且政治敏感性強的地區。系統的設計具有一定的實際價值。

無線傳感器網絡概述

伴隨著計算機技術、通信技術和網絡技術的發展，以體積更小、價格更低、功耗更低的嵌入式系統結合網絡技術，發展出許多新的信息獲取和信息處理模式。其中，具有代表性的一個領域就是無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network）。

大量的隨機分布的集成有傳感器、通信模塊和數據處理單元的微小節點組成了無線傳感器網絡。節點間通過自組織的方式構成網絡。它是一種大規模、無人值守、資源受限的分布式系統。節點中可內置多種多樣的傳感器來測量其周邊的環境參數，如溫度、濕度、噪聲、壓力、PH值、COD、光強度、土壤成分、移動物體的速度和方向等，通過網絡方式匯集數據，并通過上層網絡或在網絡之間傳輸。網絡的組網方式及通信方式采用對等和多跳等方式，因此，有的文獻也將無線傳感器網絡定義為以Ad hoc方式構成的傳感器無線網絡，其目的是合作地感知、采集和處理無線網絡覆蓋的地理范圍內被感知對象的信息，并發布給觀察者。

無線傳感器網絡是繼互聯網后，將會對人類的生產生活方式產生重大影響的綜合技術，互聯網改變了人與人之間的通信、交流和溝通方式，而無線傳感器網絡的出現將把信息世界與物理世界融合在一起，將會改變人與自然的交互模式。無線傳感器網絡為社會帶來不可估量的效益，因此它得到了廣泛的關注，同時也引發了無線傳感器網絡的研究熱潮。

無線傳感器網絡的性能評價

1. 生命周期

無線傳感器網絡的生命周期是指從網絡啟動運行開始到不能為觀測者提供所需要的信息為止所持續的時間。

2. 時間延遲

無線傳感器網絡的延遲時間是指當觀測者發出申請到其接受到網絡的回答消息所需要的時間。

3. 能源的有效性

無線傳感器網絡的能源有效性指的是該網絡在有限的能源條件下能夠處理的觀測者請求的數量。能源有效性是無線傳感器網絡的重要性能指標之一。

4. 感知精度

無線傳感器網絡的感知精度指的是觀測者接收到的感知信息的精度。感知精度受傳感器的精度、信息處理方法、網絡通信協議等的影響。感知精度、能量損耗和時間延遲之間有密切的關系。

5. 容錯性

由于環境等原因，物理地維護或者替換掉失效的傳感器往往十分困難，有時甚至是不可能完成的。正因為如此，需要無線傳感器網絡的軟硬件必須具有很強的容錯性，以保證系統具有較高的健壯性。

6.可擴展性

無線傳感器網絡的可擴展性表現在感知精度、時間延遲、生命周期、傳感器數量和網絡覆蓋區域等方面的可擴展極限。對于給定的可擴展性級別，無線傳感器網絡必須提供支持該可擴展性級別的方法和機制。

無線傳感器網絡的特點

無線傳感器網絡具有以下幾方面的特點：

1. 大規模、密集分布

人們通常在被監測區域內部署大量的傳感器節點來獲取物理世界的精確信息。傳感器節點的數量可能是成千上萬個，或許更多。通過分布式處理大量采集的信息能夠提高監測的精確度，降低對單個傳感器節點的精度要求；大量冗余節點的存在強化了系統的容錯能力；大量節點能夠增大覆蓋的監測區域，減少盲區或洞穴。

2. 電源能力的局限性

無線傳感器網絡中，電池給傳感器節點供電，而且電池的容量一般不很大。其特殊的應用領域決定了在使用過程中，不能給電池充電或者更換電池；一旦傳感器節點的電池電量用完，該節點也就失去了作用，也就是節點失效。因此，在無線傳感器網絡設計過程中，任何技術和協議的選擇和修改都要以節能為首要條件，以提高網絡的使用壽命。

3. 動態拓撲

無線傳感器網絡是一個動態的網絡：一些節點可能因工作需要而被添加到網絡中；一些節點可能會因為環境因素、電池電量耗盡或其他故障失效，而退出網絡。這些都會導致網絡拓撲結構隨時變化，因此無線傳感器網絡應該具備動態拓撲組織功能。

4. 多跳路由

網絡中各節點間的通信距離一般在幾十到幾百米的范圍內，節點直接的通信對象是與其相鄰的節點。如果想要與節點射頻覆蓋范圍之外的節點進行通信，則需要中間節點作為路由。無線傳感器網絡中的多跳路由是由普通網絡節點完成的，沒有設置專門的路由設備。這樣，每個節點既可以是信息的發起者，又可以是信息的轉發者。

5. 自組織網絡

在無線傳感器網絡應用中，通常情況下傳感器節點是通過飛機散播到面積廣闊的地區中，或隨意放置到人不可到達或危險的區域。所以，不能預先精確設定傳感器節點的位置，也不能預先知道節點之間的相鄰關系。這樣就要求傳感器節點具有自組織的能力，能夠自動進行管理和配置。無線傳感器網絡的自組織性還要求能夠適應網絡拓撲結構的動態變化。所謂自組織就是，網絡的部署和展開無需依賴任何預設的網絡設施，節點通過網絡協議和拓撲控制機制協調各自的行為，節點開機后就可以自動而快速地組成一個獨立的監測網絡。

6. 有限的硬件資源

由于受到體積、功耗和價格的限制，節點的內存空間、程序空間和計算能力要比普通的計算機在功能上要弱很多。這就要求，在節點操作系統設計中，協議層次不能太復雜。

7. 以數據為中心的網絡

由于傳感器節點大都是隨機部署的，構成的網絡和節點編號之間的關系是動態的，表現為節點位置和節點編號沒有直接的關系：無線傳感器網絡中的節點采用編號標識，節點編號不需要全網唯一。由于傳感器節點是隨機部署的，節點編號與節點位置之間的關系是完全動態的，沒有必然聯系。用戶查詢事件時，不是通報給某個確定編號的節點，而是直接將所關心的事件通報給全網。這是一種以數據本身作為查詢或者傳輸線索的思想。所以，人們通常說，傳感器網絡是一個以數據為中心的網絡。因此需要節點進行數據融合、聚合、壓縮和緩存等處理。

基于無線傳感器網絡的廣播監測系統設計

1. 無線傳感器網絡與現有監測系統的關系

原有的監測系統由三部分組成：數據處理中心、直屬監測臺和遙控站點（短波遙控站和中波數據采集點）。無人值守的遙控站點是監測系統的基礎。它們對當地播出的中短波廣播進行24小時不間斷地質量和效果監測。其間，它們接受數據中心或直屬監測臺的控制指令，并把監測結果回傳給數據中心或直屬監測臺。直屬監測臺是監測系統承上啟下的中樞，一方面它負責所轄區域的遙控站和采集點的管理和維護，另一方面直屬監測臺還負責匯總和統計分析所轄區域的頻譜數據及廣播質量和效果數據，并上報數據處理中心。數據處理中心是監測系統的核心，它負責匯總、統計和分析各直屬監測臺上報的廣播質量及效果數據資料，完成分析報告后上報有關部門。

原有監測系統覆蓋了全國大部分重要省市，為監測廣播質量和效果作出了重要貢獻。但是由于我國國土面積大的國情，我們所部署的有限的遙控站和采集點不能覆蓋全國，特別是對一些氣候條件惡劣且政治敏感性強的地區（如新疆地區和西藏地區）缺乏更有效的監測，尤其是在特殊的政治敏感時期。這種時候需要派出專人進行流動收測。流動收測需要專人、專車和專用設備。這種方法費時費力，且人員外出有一定風險。而無線傳感器網絡可有效的解決這一問題。更重要的是，流動收測只能收測一個點，而無線傳感器網絡可以進行多點收測。因此，在原有監測系統中引入無線傳感器網絡，用于在敏感時期加強對氣候條件惡劣且政治敏感性強的地區的監測，是十分重要的。引入無線傳感器網絡的監測系統如圖 1所示。

2. 廣播監測系統的無線傳感器網絡體系結構

廣播監測系統的無線傳感器網絡結構如圖 2所示，傳感器節點經多跳轉發，把廣播錄音文件傳送給直屬臺或者數據處理中心，系統構架包括傳輸介質（Internet或衛星通信）、直屬臺或數據處理中心、分布式無線傳感器節點群和匯集節點。節點通過飛行器撒播或人工埋設的方式任意散落在被監測區域內。傳感器網絡是核心部分，在感知區域中，大量節點的通信方式是自組織網絡，并且每個節點都具有定位、動態搜索和恢復鏈接的能力，傳感器節點將接收到的廣播錄音文件傳送給直屬臺或數據處理中心。數據傳送的過程是通過相鄰節點接力傳送回匯集節點，然后通過匯集節點以衛星信道或者有線網絡連接的方式傳送給直屬臺或數據處理中心。

3. 廣播監測系統的無線傳感器網絡節點結構

廣播監測系統的無線傳感器網絡的基本功能單元是節點，其結構如圖 3所示，主要包括收音模塊、數據處理和控制模塊（微處理器、存儲器）、無線通信模塊和供電模塊四個部分。收音模塊負責監測區域內的廣播信號的采集和數據轉換；數據處理和控制模塊負責控制整個傳感器節點的操作，微處理器負責協調節點各部分的工作，通常選用嵌入式CPU，可選用Motorala的68HC16，ARM公司的ARM7、ARM9或Intel的80x86等；由于需要進行較為復雜的任務調度與管理，系統需要一個微型化的操作系統，可采用的嵌入式操作系統有TinyOS、uCOS-II和嵌入式Linux等數據傳輸模塊主要由短距離、低功耗的無線通信模塊組成，負責與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制信息和收發采集數據，可采用RFM公司的TR1000等；供電模塊為傳感器節點提供正常工作所必需的能量。

結論

本文把無線傳感器網絡引入到現有的廣播監測系統，可用于監測目前我們監測系統的盲區，特別是那些氣候條件惡劣且政治敏感性強的地區。因此，此系統的設計具有一定的實際價值。

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