基于WSN的大氣環境監測技術研究

摘要：近年來，環境問題日益凸顯，引起了社會的普遍重視。傳統的環境監測手段有一定的局限性，存在網絡部署困難、維護成本高、節點智能化程度低等問題，不能對大氣環境目標區域進行整體有效的監測。為此，文章主要討論大氣環境中應用無線傳感器網絡的關鍵技術和體系結構。

關鍵詞：無線傳感器網絡；大氣環境監控；ZigBee技術

1 引言

隨著經濟快速發展，各類工業污染事件頻繁發生，給人類的生產和生活造成巨大的影響，大氣環境問題已經嚴重制約了社會的進步，環境保護是擺在人類面前刻不容緩的課題。環境監測是環境保護的基礎，其目的是為環境保護提供科學決策的依據。傳統的環境監測手段有一定的局限性，存在網絡部署困難、維護成本高、節點智能化程度低等問題，因此，不能對大氣環境目標區域進行整體有效的監測。

無線傳感器網絡（WSN）應用前景非常廣泛，其將會給人類社會的各個領域帶來重大影響。近年來，隨著微電子技術、計算機技術和無線通信技術的發展，大量低功耗、多功能、低成本的無線傳感器相繼問世，大量學者對由多個傳感器共同構成的網絡系統產生了興趣。目前WSN的應用主要集中在國防軍事、環境監測、醫療衛生、工業控制、空間探索、智能家庭網絡等領域。

研究大氣環境監測的關鍵所在是如何在特定監測區域獲取廉價、高質量并且全面的大氣環境參數數據，同時實現數據的遠程傳輸。無線傳感器網絡的興起為解決以上問題提供了技術支持。它能夠通過各類集成化微型傳感器之間的相互協作、實時監測、感知和采集各種環境信息，對大氣環境污染防治工作具有著極其重要的意義。

2 系統總體結構及硬件設計

2.1 系統架構及組成

一個典型的無線傳感器網絡大致包括：監測區域、無線傳感器節點、Sink節點、監控中心4類實體對象，如圖1所示。

圖1 典型的無線傳感器網絡體系架構

圖2無線傳感器節點設計

圖中白色的圓圈代表無線傳感器網絡節點。大氣環境監測目標區域是由多個無線傳感器節點共同聯合起來所監測到的區域構成的。Sink節點是一種處理能力相對較強的節點，該節點能收集多個無線傳感器節點發送來的信息，其作為中轉處理機構，將信息匯總后發送至遠程監控中心。根據實際運用的情況在一個大氣監測區域內可布設多個sink 節點，其與中心系統之間的通信一般通過GPRS等方式進行傳輸。

2.2 無線傳感器節點設計

用于大氣監測系統中的無線傳感器節點需滿足體積小、精度高、生命周期長等要求。基于WSN的大氣監控系統有若干個功能相似的無線傳感器節點組成，每一個無線傳感器節點包括數據采集模塊、數據處理模塊、無線通信模塊和電源供應模塊，如圖2所示。

數據采集模塊負責測量某一大氣目標區域的數據（SO2、NOx、CO含量等）。由于數據采集模塊輸出的一般是模擬信號，并且這些信號包含很多無用的信息，這樣數據的傳送非常不便，數據處理模塊把數據采集模塊輸出的模擬信號轉換成為數字信號，并從中提取出了有價值的信息，這樣就大大提高了無線傳感器網絡的工作效率。無線通信模塊負責節點之前的通信即發送和接收信號。能量供應模塊是給數據采集模塊、數據處理模塊、無線通信模塊提供電源能量的，通常使用微型電池。

3 應用于本系統的拓撲結構和路由算法的改進

3.1 拓撲結構

根據大氣環境監控系統的通信需求和比較分析現有的無線通信技術，選用ZigBee通信技術。ZigBee技術最早是由IEEE802.15中的TG貴賓工作組制定的IEEE802.15.4標準演變而來，它是一種提供給固定、便攜、或移動設備使用的極低復雜度、低成本、低功耗、低速率的無線連接技術標準。ZigBee網絡分三種網絡拓撲結構：星型拓撲結構（Star）、樹型拓撲結構（Tree）、網格型拓撲結構（Mesh）。

ZigBee定義了三種設備類型：協調器（ZC），用于初始化網絡信息；路由器（ZR），用于監視或控制作用，也是用調頻方式傳遞信息的路由器或中繼器；終端設備（ZED），只有監視或控制功能。ZED被稱為精簡功能設備（FRD），ZC和ZR被稱為全功能設備表（FFD）。根據大氣環境監測的要求和特點，無線傳感器節點的布設采用了樹型拓撲結構+星型拓撲結構。即FFD的布設采用樹型拓撲結構，FFD與FRD之間采用星型拓撲結構。

這種拓撲結構中FFD的能量消耗較大，只需要對FFD安裝較大能量的電源即可。FRD能耗低，網絡中可以安裝大量FRD提高精度，減少能耗。即使FRD能量耗盡死亡，也不會影響到整個網絡的使用。

3.2 路由算法

Cluster-Tree是應用于樹型網絡拓撲結構中的算法。樹型網絡的啟動過程是子節點接收來自主協調器節點發起建立網絡發送的信息后即會申請加入網絡。主協調器收到請求后將子節點根據要求列入鄰接表中，子節點也會將其父節點一起加入到鄰接表中。當該過程構建好后，主協調器根據一定的原則選擇另一個主協調器構建網絡，直到所有節點組成一個樹型網絡。

本系統中的FFD樹型網絡構建好后，樹型網絡中的節點會再進行一次組網過程，將其周圍的FRD節點以星型拓撲的形式加入到自己的路由表中。這樣可以在復雜的無線傳感器網絡中劃分出兩個等級的小網絡，這種劃分的優勢體現在：第一可以大大降低網絡的復雜程度，第二可以通過增加FRD節點的數量，提高網絡監測的精度，同時降低了網絡的成本。

當一個FFD功能的源節點發送信息時，將會采用Cluster-Tree算法尋找路徑；當一個FRD源節點發送信息時，它將信息先傳給它下一跳的FFD節點，再由FFD節點發送信息。但在樹型網絡拓撲結構中，一旦FFD節點耗盡能量而死亡，那么與之相連的所有FRD節點將全部死亡，損失巨大。為解決上述問題，將與FFD節點相連的眾多FRD節點中，布設兩到三個FFD節點來充當FRD節點使用，當樹型網絡中的FFD節點死亡時，星型網絡的的FFD節點自動被喚醒加入到樹型網絡中以保證繼續工作。

4 電能問題

傳感器的節點分布廣泛，需要同時進行監測、數據處理等活動，而WSN中的節點通常由電池供電，可供使用的電量非常有限，并且對于有成千上萬節點的WSN來說，電池更換非常困難。為盡量節省能耗，本系統節點采用休眠工作模式，傳感器節點工作遵循休眠-被喚醒-正常工作的工作模式。傳感器節點在大部分時間內處于休眠狀態，并開啟定時器，到采集時間就進入定時中斷程序，喚醒節點完成數據采集、發送等任務，隨后與其他節點交換路由信息，并再次進入休眠狀態。

5 結束語

在研究無線傳感器網絡的基礎上，構建了基于傳感器網絡的大氣環境監測系統，該系統穩定可靠、功耗低、通信效率高、可維護性好，且其建設成本低、監測精度高、實時性好、推廣使用快。有利于解決當前環境監測系統中布線難、實時性差、維護成本高等問題，有利于環境管理和決策。