无线传感器网络技术帮助监测森林火灾

　引言

　　为了减少森林火灾带来的损失，世界各国非常重视林火监测。林火监测的措施通常可划分为四个空间层次，即地面巡护、嘹望台定点观测、空中飞机巡护和空间卫星监测。林火监测系统的功能是及时发现火情，准确探测起火点，确定火的大小、动向，监视林火发生发展的全过程。但是在茫茫林海，只靠巡护员检测火情是很不够的，嘹望台嘹望又受到很多条件的限制，一般情况下，小火时烟雾小不易发现，发现时往往已酿成灾；大火蔓延时，烟雾弥漫，很难确定大火的位置和发展动向；通过观察烟雾测定的数据往往误差较大；夜间观测困难。而靠飞机巡逻观察不仅耗资大，速度也不是最陕的，并且图像的分辨率低，一般火灾燃烧几公里才能被发现。由于上述不足，森林防火指挥部在制定扑火计划和调动扑火力量时，可能因火灾位置不准而造成不必要的损失。

　　随着科学技术的发展，高科技不断被应用到林火监测中，森林防火工作日益走向高科技、智能化、系统化、综合化。环境监测是一类典型的传感器网络的应用。与传统的环境监控手段相比，使用传感器网络进行环境监控有三个显着的优势：一是传感器节点的体积很小且整个网络只需要部署一次，因此部署传感器网络对监控环境的人为影响很小。这一点在对外来生物活动非常敏感的环境中尤其重要。二是传感器网络节点数量大，分布密度高，每个节点可以检测到局部环境的详细信息并汇总到基站，因此传感器网络具有数据采集量大，精度高的特点。三是无线传感器节点本身具有一定的计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化进行较为复杂的监控，传感器节点还具有无线通信能力，可以在节点间进行协同监控。通过增大电池容量和提高电池使用效率，以及采用低功耗的无线通信模块和无线同协议可以使传感器网络的生命期延长很长时间，这保证了传感器网络的实用性。节点的计算能力和无线通信能力使得传感器网络能够重新编程和重新部署，对环境变化、传感器网络自身变化以及网络控制指令做出及时反应，因而传感器网络适用于多种环境监测应用中。

　　1 无线传感器网络

　　1.1 无线传感器网络介绍

　　无线网络是由许多独立的无线节点之间，通过空气中的无线电波，光波，构成的无线通信网络。是由大量微型、智能、低功耗传感器以某种网络协议构成的无线网络。其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术以及无线通信技术，正成为一个新兴技术领域，被认为是21世纪最重要的技术之一。

　　无线传感器网络节点具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能，可以随机或者特定的布置在目标环境中，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。传感器节点主要由电源管理模块、传感器、微处理器、存储器以及射频模块等功能模块构成。典型的传感器节点结构如图1所示。

　　电源管理模块为其他功能单元提供正常工作所必需的能源。传感器用于感知、获取外界的信息，并通过信号处理电路将其转换为数字信号。微处理器部件负责协调节点各部分的工作，如对传感器获取的信息进行必要的处理、保存，控制传感器和电源的工作模式等。射频模块负责与其他传感器或观察者的通信。

　　1.2 路由协议

　　路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个方面的功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径正确转发。在无线传感器网络中，节点能量有限且一般没有能量补充，因此路由协议需要高效利用能量，同时，传感器网络节点数目往往很大。节点只能获取局部拓扑结构信息，路由协议要能在局部网络信息的基础上选择合适的路径。传感器网络具有很强的应用相关性，不同应用中的路由协议可能相差很大，没有一个通用的路由协议。此外，传感器网络的路由机制还经常与数据融合技术联系在一起，通过减少通信量而节省能量。因此，传统无线网络的路由协议不适应于无线传感器网络。相对于传统无线通讯网络而言，传统无线通讯网络研究的重点放在无线通讯的服务质量（Qos）上，而无线传感器节点是随机分布，电池供电，因此目前无线传感器网络路由协议的研究重点是放在如何提高能量效率上，当前流行的几个无线传感器网络的路由协议有：泛洪协议、Gossiping协议、SPIN协议、定向扩散（DirectedDi舶sion）协议、LEACH协议等闭。

　　1.3 无线传感器网络管理技术

　　在传感器网络中，传感器节点是体积微小的嵌入式设备，采用能量有限的电池供电，它的计算能力和通信能力十分有限，所以除了要设计能量高效的MAC协议、路由协议以及应用层协议之外，还要设计优化的网络拓扑控制机制。对于自组织的无线传感器网络而言，网络拓扑结构控制对网络性能影响很大。良好的拓扑结构能够提高路由协议和MAC协议的效率，为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面提供基础，有利于延长整个网络的生存时间。所以，拓扑控制是传感器网络中的一个基本问题。

　　传感器网络拓扑控制主要研究的问题是：在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的通信链路，形成一个数据转发的优化网络结构。具体地讲，传感器网络中的拓扑控制按照研究方向可以分为两类：节点功率控制和层次型拓扑结构组织。功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，均衡节点的单跳可达邻居数目。层次型拓扑结构控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。现在的拓扑控制研究的发展趋势是以实际应用为背景，多种机制结合使用，强调网络拓扑控制的自适应性和鲁棒性，在保证网络连通性和覆盖性的前提下，提高网络通信的效率，最大限度地节省能量来延长整个网络的生存时间。考虑到不同的应用背景各有特点和网络生存时间，一般都会综合使用拓扑控制。

　　2 系统设计方案

　　整个系统由若干无线传感器节点、基站和用户等组成，如图2所示。

　　一个适用于火灾监测的传感器网络除了传感器节点外，还有基站和Intemet。最底层的传感器节点向上层依次为传输层、基站、最终连接到Intemet。为获得准确的数据，传感器节点将感应到的数据传送到一个网关节点。网关节点负责将传感器节点传来的数据经由一个传输网络发送到基站上。传输网络是负责协同各个传感器网络网关节点、综合网关节点信息的局部网络。基站是能够和Intemet相连的一台计算机，它将传感数据通过Intemet发送到数据处理中心，同时它还具有一个本地数据库副本以缓存最新的传感数据。监测人员可以通过任意一台连人Intemet的终端访问数据中心，或者向基站发出命令。考虑到林场可能在非常偏远的地区，基站需要以无线的方式连人Intemet。对于偏远地区来说，使用卫星是一种比较可靠的方法。可以将监控区域附近的卫星通信站作为传感器网络的基站。

　　无线传感器网络的传感器节点个数通常很多，它们不仅体积小、成本低，另外还要求传感器节点功耗非常低，以满足用电池即可维持长时间的工作状态。因此这些特点决定了对传感器节点的设计需要在尽可能简单的情况下满足应用需求。

　　无线传感器节点是由硬件层和软件层共同配合完成任务。

　　2.1 硬件层

　　一般都包括以下四个单元：供电单元、数据采集单元（包括传感器和A／D模数转换器件）、数据处理单元（包括存储器和微控制器）、无线通信单元。微控制器作为传感器节点的“心脏”，在上面运行着嵌入式系统软件，从而对另外三个单元的工作进行控制。在硬件的选取上，尽量采用低功耗器件，还可以考虑在无数据采集和无数据通信的时候命令微控制器进入“睡眠”状态并可切断无线通信单元的部分电源，从而降低功耗。

　　软件层用来控制硬件层，是整个传感器的“大脑”，除了最基本的数据采集和发送之外，根据应用的场合，还需要实现关于网络拓扑、自组织、路由选择、能耗节约、错误处理、可靠性保证等一系列的算法与设计。对于一些简单的应用可以使用单一循环逻辑的软件来完成。而一些复杂性较高的应用场景就有必要使用针对无线传感器网络特点的嵌入式操作系统嘲。这类操作系统，除了要满足对于资源有限、可移植性、实时性等方面的需求外，重点还要考虑节能性的需求，另外使用事件驱动的方式也可以适应无线传感器网络以数据流为中心的特点。

　　2.2 软件层

　　包括三个层次：硬件抽象层、系统服务层和应用层。硬件抽象层实现对硬件平台（电源管理、数据采集、数据处理和无线通信单元）的抽象，为上层屏蔽底层硬件细节，简化系统平台移植。系统服务层包括通信服务、传感服务、能耗管理服务、实时内核四部分，在这个层次中除了实现操作系统如任务调度、信号量等内核服务外，还将完成各种路由、安全算法的实现，并支持各类通信传输协议。应用层是由用户根据具体应用的需要定义，利用系统服务层提供的接口，能方便的设计出上层软件。

　　3 结语

　　森林火灾监测是一个跨学科的课题。传感器网络为实现更加准确、数据量更大、对环境影响小的林火监测提供了一个全新的手段。无线传感器硬件平台的设计对于整个无线传感器网络的开发与应用至关重要，作为整个系统的底层支持，其必然向微型化、高度集成化、网络化、节能化、智能化的方向发展，近几年，随着计算机成本下降和微处理器体积缩小，开发和构造无线传感器将有更广阔的应用前景。尤其在环境监测方面的应用得到大家的重视，各国都在进行这方面的探索，力求研究出更加符合无线传感器网络的环境监测系统。

　　但是，我们还应该清楚的认识到，无线传感器网络才刚刚开始发展，它的技术、应用都还远远谈不上成熟，我们期待切实可行的无线传感器网络系统早日应用在林火监测方面。