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為了減少森林火災帶來的損失，世界各國非常重視林火監測。林火監測的措施通常可劃分為四個空間層次，即地面巡護、嘹望臺定點觀測、空中飛機巡護和空間衛星監測。林火監測系統的功能是及時發現火情，準確探測起火點，確定火的大小、動向，監視林火發生發展的全過程。但是在茫茫林海，只靠巡護員檢測火情是很不夠的，嘹望臺嘹望又受到很多條件的限制，一般情況下，小火時煙霧小不易發現，發現時往往已釀成災;大火蔓延時，煙霧彌漫，很難確定大火的位置和發展動向;通過觀察煙霧測定的數據往往誤差較大;夜間觀測困難。而靠飛機巡邏觀察不僅耗資大，速度也不是最陜的，并且圖像的分辨率低，一般火災燃燒幾公里才能被發現。由于上述不足，森林防火指揮部在制定撲火計劃和調動撲火力量時，可能因火災位置不準而造成不必要的損失。 隨著科學技術的發展，高科技不斷被應用到林火監測中，森林防火工作日益走向高科技、智能化、系統化、綜合化。環境監測是一類典型的傳感器網絡的應用。與傳統的環境監控手段相比，使用傳感器網絡進行環境監控有三個顯著的優勢：一是傳感器節點的體積很小且整個網絡只需要部署一次，因此部署傳感器網絡對監控環境的人為影響很小。這一點在對外來生物活動非常敏感的環境中尤其重要。二是傳感器網絡節點數量大，分布密度高，每個節點可以檢測到局部環境的詳細信息并匯總到基站，因此傳感器網絡具有數據采集量大，精度高的特點。三是無線傳感器節點本身具有一定的計算能力和存儲能力，可以根據物理環境的變化進行較為復雜的監控，傳感器節點還具有無線通信能力，可以在節點間進行協同監控。通過增大電池容量和提高電池使用效率，以及采用低功耗的無線通信模塊和無線同協議可以使傳感器網絡的生命期延長很長時間，這保證了傳感器網絡的實用性。節點的計算能力和無線通信能力使得傳感器網絡能夠重新編程和重新部署，對環境變化、傳感器網絡自身變化以及網絡控制指令做出及時反應，因而傳感器網絡適用于多種環境監測應用中。 1 無線傳感器網絡 1.1 無線傳感器網絡介紹 無線網絡是由許多獨立的無線節點之間，通過空氣中的無線電波，光波，構成的無線通信網絡。是由大量微型、智能、低功耗傳感器以某種網絡協議構成的無線網絡。其目的是協作的感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并發布給觀察者。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術以及無線通信技術，正成為一個新興技術領域，被認為是21世紀最重要的技術之一。 無線傳感器網絡節點具有無線通信、數據采集和處理、協同合作等功能，可以隨機或者特定的布置在目標環境中，能夠獲取周圍環境的信息并且相互協同工作完成特定任務。傳感器節點主要由電源管理模塊、傳感器、微處理器、存儲器以及射頻模塊等功能模塊構成。典型的傳感器節點結構如圖1所示。 電源管理模塊為其他功能單元提供正常工作所必需的能源。傳感器用于感知、獲取外界的信息，并通過信號處理電路將其轉換為數字信號。微處理器部件負責協調節點各部分的工作，如對傳感器獲取的信息進行必要的處理、保存，控制傳感器和電源的工作模式等。射頻模塊負責與其他傳感器或觀察者的通信。 1.2 路由協議 路由協議負責將數據分組從源節點通過網絡轉發到目的節點，它主要包括兩個方面的功能：尋找源節點和目的節點間的優化路徑，將數據分組沿著優化路徑正確轉發。在無線傳感器網絡中，節點能量有限且一般沒有能量補充，因此路由協議需要高效利用能量，同時，傳感器網絡節點數目往往很大。節點只能獲取局部拓撲結構信息，路由協議要能在局部網絡信息的基礎上選擇合適的路徑。傳感器網絡具有很強的應用相關性，不同應用中的路由協議可能相差很大，沒有一個通用的路由協議。此外，傳感器網絡的路由機制還經常與數據融合技術聯系在一起，通過減少通信量而節省能量。因此，傳統無線網絡的路由協議不適應于無線傳感器網絡。相對于傳統無線通訊網絡而言，傳統無線通訊網絡研究的重點放在無線通訊的服務質量(Qos)上，而無線傳感器節點是隨機分布，電池供電，因此目前無線傳感器網絡路由協議的研究重點是放在如何提高能量效率上，當前流行的幾個無線傳感器網絡的路由協議有：泛洪協議、Gossiping協議、SPIN協議、定向擴散(DirectedDi舶sion)協議、LEACH協議等閉。 1.3 無線傳感器網絡管理技術 在傳感器網絡中，傳感器節點是體積微小的嵌入式設備，采用能量有限的電池供電，它的計算能力和通信能力十分有限，所以除了要設計能量高效的MAC協議、路由協議以及應用層協議之外，還要設計優化的網絡拓撲控制機制。對于自組織的無線傳感器網絡而言，網絡拓撲結構控制對網絡性能影響很大。良好的拓撲結構能夠提高路由協議和MAC協議的效率，為數據融合、時間同步和目標定位等很多方面提供基礎，有利于延長整個網絡的生存時間。所以，拓撲控制是傳感器網絡中的一個基本問題。 傳感器網絡拓撲控制主要研究的問題是：在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網節點選擇，剔除節點之間不必要的通信鏈路，形成一個數據轉發的優化網絡結構。具體地講，傳感器網絡中的拓撲控制按照研究方向可以分為兩類：節點功率控制和層次型拓撲結構組織。功率控制機制調節網絡中每個節點的發射功率，在滿足網絡連通度的前提下，均衡節點的單跳可達鄰居數目。層次型拓撲結構控制利用分簇機制，讓一些節點作為簇頭節點，由簇頭節點形成一個處理并轉發數據的骨干網，其他非骨干網節點可以暫時關閉通信模塊，進入休眠狀態以節省能量。現在的拓撲控制研究的發展趨勢是以實際應用為背景，多種機制結合使用，強調網絡拓撲控制的自適應性和魯棒性，在保證網絡連通性和覆蓋性的前提下，提高網絡通信的效率，最大限度地節省能量來延長整個網絡的生存時間。考慮到不同的應用背景各有特點和網絡生存時間，一般都會綜合使用拓撲控制。 2 系統設計方案 整個系統由若干無線傳感器節點、基站和用戶等組成。 一個適用于火災監測的傳感器網絡除了傳感器節點外，還有基站和Intemet。最底層的傳感器節點向上層依次為傳輸層、基站、最終連接到Intemet。為獲得準確的數據，傳感器節點將感應到的數據傳送到一個網關節點。網關節點負責將傳感器節點傳來的數據經由一個傳輸網絡發送到基站上。傳輸網絡是負責協同各個傳感器網絡網關節點、綜合網關節點信息的局部網絡。基站是能夠和Intemet相連的一臺計算機，它將傳感數據通過Intemet發送到數據處理中心，同時它還具有一個本地數據庫副本以緩存最新的傳感數據。監測人員可以通過任意一臺連人Intemet的終端訪問數據中心，或者向基站發出命令。考慮到林場可能在非常偏遠的地區，基站需要以無線的方式連人Intemet。對于偏遠地區來說，使用衛星是一種比較可靠的方法。可以將監控區域附近的衛星通信站作為傳感器網絡的基站。 無線傳感器網絡的傳感器節點個數通常很多，它們不僅體積小、成本低，另外還要求傳感器節點功耗非常低，以滿足用電池即可維持長時間的工作狀態。因此這些特點決定了對傳感器節點的設計需要在盡可能簡單的情況下滿足應用需求。 無線傳感器節點是由硬件層和軟件層共同配合完成任務。 2.1 硬件層 一般都包括以下四個單元：供電單元、數據采集單元(包括傳感器和A/D模數轉換器件)、數據處理單元(包括存儲器和微控制器)、無線通信單元。微控制器作為傳感器節點的“心臟”，在上面運行著嵌入式系統軟件，從而對另外三個單元的工作進行控制。在硬件的選取上，盡量采用低功耗器件，還可以考慮在無數據采集和無數據通信的時候命令微控制器進入“睡眠”狀態并可切斷無線通信單元的部分電源，從而降低功耗。 軟件層用來控制硬件層，是整個傳感器的“大腦”，除了最基本的數據采集和發送之外，根據應用的場合，還需要實現關于網絡拓撲、自組織、路由選擇、能耗節約、錯誤處理、可靠性保證等一系列的算法與設計。對于一些簡單的應用可以使用單一循環邏輯的軟件來完成。而一些復雜性較高的應用場景就有必要使用針對無線傳感器網絡特點的嵌入式操作系統嘲。這類操作系統，除了要滿足對于資源有限、可移植性、實時性等方面的需求外，重點還要考慮節能性的需求，另外使用事件驅動的方式也可以適應無線傳感器網絡以數據流為中心的特點。 2.2 軟件層 包括三個層次：硬件抽象層、系統服務層和應用層。硬件抽象層實現對硬件平臺(電源管理、數據采集、數據處理和無線通信單元)的抽象，為上層屏蔽底層硬件細節，簡化系統平臺移植。系統服務層包括通信服務、傳感服務、能耗管理服務、實時內核四部分，在這個層次中除了實現操作系統如任務調度、信號量等內核服務外，還將完成各種路由、安全算法的實現，并支持各類通信傳輸協議。應用層是由用戶根據具體應用的需要定義，利用系統服務層提供的接口，能方便的設計出上層軟件。 3 結語 森林火災監測是一個跨學科的課題。傳感器網絡為實現更加準確、數據量更大、對環境影響小的林火監測提供了一個全新的手段。無線傳感器硬件平臺的設計對于整個無線傳感器網絡的開發與應用至關重要，作為整個系統的底層支持，其必然向微型化、高度集成化、網絡化、節能化、智能化的方向發展，近幾年，隨著計算機成本下降和微處理器體積縮小，開發和構造無線傳感器將有更廣闊的應用前景。尤其在環境監測方面的應用得到大家的重視，各國都在進行這方面的探索，力求研究出更加符合無線傳感器網絡的環境監測系統。 但是，我們還應該清楚的認識到，無線傳感器網絡才剛剛開始發展，它的技術、應用都還遠遠談不上成熟，我們期待切實可行的無線傳感器網絡系統早日應用在林火監測方面。 |
