無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )及其應用

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一種自組織網(wǎng)絡(luò )，具有快速展開(kāi)、抗毀性強等特點(diǎn)，廣泛應用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監測等方面。本文根據光纜干線(xiàn)預防性維護需求和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，給出了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的光纜干線(xiàn)預警系統的設計方案。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，光纜干線(xiàn)，預防性維護，設計方案

1．引言
隨著(zhù)通信技術(shù)、嵌入式計算技術(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、計算能力和通信能力的新型網(wǎng)絡(luò )—無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )逐步發(fā)展起來(lái)了，因其具有開(kāi)設簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、抗毀性強、隱蔽性高等優(yōu)勢，在發(fā)達國家得到了很好的應用。

2．無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )及其特點(diǎn)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（Wireless Sensor Network, WSN）是一種新型的信息獲取系統，是由部署在監測區域內大量的廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò )系統，其目的是協(xié)作地監測、感知和采集網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域內各種感知對象的信息，并對這些信息進(jìn)行處理，最終發(fā)送給觀(guān)察者。無(wú)線(xiàn)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節點(diǎn)）和大量部署于監測區域、配有各類(lèi)傳感器的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)構成。每個(gè)節點(diǎn)成本低，功耗小，具有一定計算處理能力、通信能力。雖然單個(gè)節點(diǎn)采集數據并不精確，也不可靠，但是大量節點(diǎn)相互協(xié)作形成高度統一的網(wǎng)絡(luò )結構，提高了數據采集的準確度和運行的可靠性，可部署于在敵占區、災害區、核反應堆等人力不可達的特殊區域進(jìn)行數據采集、傳輸等，具有其他網(wǎng)絡(luò )無(wú)法比擬的特性，可廣泛用于國防、環(huán)境監測、智能家居等領(lǐng)域。
與蜂窩網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等其它無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )相比，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )有其自身的顯著(zhù)特點(diǎn)：
l) 分布式、自組織性。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)是由對等節點(diǎn)構成的網(wǎng)絡(luò )，不存在中心控制。管理和組網(wǎng)都非常簡(jiǎn)單靈活。不依賴(lài)固定的基礎設施，每個(gè)節點(diǎn)都具有路由功能，可以通過(guò)自我協(xié)調、自動(dòng)布置而形成網(wǎng)絡(luò )，不需要其它輔助設施和人為手段。
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，傳感器節點(diǎn)會(huì )損壞，導致一些傳感器節點(diǎn)不能正常工作，但隨機分布的大量節點(diǎn)之間可以協(xié)調互補，保證部分傳感器節點(diǎn)的損壞不會(huì )影響到全局任務(wù)。
3)可擴展性。當網(wǎng)絡(luò )中增加新的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)時(shí)，也不需要其它外界條件，原有的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可以有效地融納新增節點(diǎn)，使新增節點(diǎn)快速融入網(wǎng)絡(luò )，參與全局工作。
4)動(dòng)態(tài)拓撲。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )內的節點(diǎn)可能會(huì )因為能量耗盡或其他故障退出網(wǎng)絡(luò );有些節點(diǎn)可能處于工作狀態(tài)，有些節點(diǎn)可能處于關(guān)閉狀態(tài)，沒(méi)有參與網(wǎng)絡(luò )通訊;也有可能又會(huì )新增大量的節點(diǎn)融入網(wǎng)絡(luò )，這些都會(huì )使網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構隨時(shí)發(fā)生變化。
5)應用相關(guān)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )用來(lái)感知客觀(guān)物理世界，獲取物理世界信息。不同的傳感器網(wǎng)絡(luò )應用關(guān)心不同的物理量，因此不同應用背景將導致不同的節點(diǎn)硬件平臺、軟件系統和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )不能象Internet一樣具有統一的通信協(xié)議平臺，必須針對具體應用來(lái)研究傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。這也是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )區別于傳統網(wǎng)絡(luò )系統的顯著(zhù)特征。
6)規模大。為了提高網(wǎng)絡(luò )的可靠性，通常在目標區域內部署大量傳感器節點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò )可能包含多達數千甚至上萬(wàn)個(gè)傳感器節點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò )的大規模性還能夠通過(guò)不同空間視角獲得更大的信噪比，從而提高監測準確性。
7)高冗余。節點(diǎn)的大規模部署使得無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通常具有較高的節點(diǎn)冗余，網(wǎng)絡(luò )鏈路冗余以及采集的數據冗余，從而使得系統具有很強的容錯能力。
8)空間位置尋址。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )一般不需要支持任意兩個(gè)傳感器節點(diǎn)之間的點(diǎn)對點(diǎn)通信，傳感器節點(diǎn)不必具有全球唯一的標識，不必采用因特網(wǎng)的IP尋址。用戶(hù)往往不關(guān)心數據采集于哪一個(gè)節點(diǎn)，而關(guān)心數據所屬的空間位置，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 )通常以數據本身作為查詢(xún)或傳輸線(xiàn)索，因此傳感器網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)以數據為中心的網(wǎng)絡(luò )。

3．光纜干線(xiàn)預防性維護需求
光纖通信傳送網(wǎng)是其它業(yè)務(wù)網(wǎng)系的基礎，光纖通信傳送網(wǎng)一旦出現阻斷，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，我們可以應用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對光纜干線(xiàn)經(jīng)過(guò)的險情高發(fā)地段進(jìn)行監測和預警，提前預報險情，提醒線(xiàn)路維護人員提前進(jìn)行路基加固定、線(xiàn)路搶代通及線(xiàn)路整改等準備工作，將安全隱患消滅在萌芽狀態(tài)。

4．基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的光纜干線(xiàn)預警系統的設計
通信光纜干線(xiàn)一般部署于地表以下的土壤層，當地質(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 )的正常運行。為此，我們可以設計一個(gè)基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的光纜干線(xiàn)預警系統，其架構如圖1所示，系統由數據采集子系統、數據傳輸子系統、數據管理子系統構成。

數據采集子系統由相應的傳感器及其變送器構成，負責土壤應力、溫度、濕度等狀態(tài)信息的采集，各傳感器部署于待監測路段土壤層，其采集的信息通過(guò)WSN節點(diǎn)的A/D轉換接口進(jìn)入節點(diǎn)。
數據傳輸子系統由無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，微控制單元(Micro Controller Unit，MCU)，GPRS/GSM/CDMA模塊，衛星通信網(wǎng)組成，負責將采集的數據上傳到管理中心。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)具有雙重功能，一方面連接各類(lèi)傳感器，接收相應數據，另一方面，負責數據打包、傳輸等，充當路由者。無(wú)線(xiàn)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點(diǎn)，從而使數據通過(guò)多個(gè)節點(diǎn)以多跳中繼的方式上傳到sink節點(diǎn)。微控制單元負責接收并通過(guò)GPRS/GSM/CDMA模塊轉發(fā)數據到管理中心。GPRS/GSM/CDMA數傳模塊、衛星通信網(wǎng)主要用于實(shí)現遠程數據的傳輸，一般待監測的區域距離管理中心較遠，采用GPRS/GSM/CDMA的數傳方式顯得更為靈活和高效。
數據管理子系統是系統的管理中心，用于系統數據存儲、管理、分析、顯示、維護的子系統，主要包括數據庫服務(wù)器、應用服務(wù)器及相關(guān)配套設施，負責對采集到的數據進(jìn)行存儲和管理。比如系統根據采集到的數據分析土壤應力變化情況，如果應力超限則說(shuō)明土壤層可能發(fā)生滑坡、沉降等災害，系統自動(dòng)發(fā)出聲光預警，并顯示具體位置等相關(guān)信息，從而可以提示維護人員提前采取必要的補救措施，保證通信光纜不被損壞。同時(shí)，數據管理子系統還包括基于B/S模式的數據查詢(xún)、顯示系統，客戶(hù)機可以通過(guò)數據傳輸網(wǎng)（DCN）訪(fǎng)問(wèn)系統，為網(wǎng)管中心等通信網(wǎng)絡(luò )管理部門(mén)隨時(shí)查看和分析某地區通信光纜的安全狀態(tài)提供訪(fǎng)問(wèn)手段。管理中心部署在各地區的維修中心，系統一旦發(fā)出預警，值班人員可立即通知線(xiàn)路維護人員到系統指示的地點(diǎn)進(jìn)行預防性維護，確保光纖通信傳送網(wǎng)安全可靠地運行。