1 引言
　　近年來(lái)，隨著無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)和環(huán)境監(jiān)督提出的更高要求焊傅，越來(lái)越多的企業(yè)和機(jī)構(gòu)都致力于在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布署大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)狈涮，經(jīng)由無(wú)線(xiàn)通信方式形成一個(gè)多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狐胎，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的信息的采集量化、處理融合和傳輸應(yīng)用。與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)手段相比粮按，使用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)有三個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)：一是網(wǎng)絡(luò)的自組性提供了廉價(jià)而且快速部署網(wǎng)絡(luò)的可能;二是現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)可通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行（路由）傳送忽浓，在不增加功耗和成本的前提下，可將系統(tǒng)性能提高一個(gè)數(shù)量級(jí);三是網(wǎng)絡(luò)的健壯性晌箍、抗毀性滿(mǎn)足了某些特定應(yīng)用的需求肉敏。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是應(yīng)用性非常強(qiáng)的技術(shù)，它在當(dāng)前我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力是巨大的剿恬。
2 系統(tǒng)概述
　　環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于層次型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)索击，最底層為部署在實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)境中的傳感器節(jié)點(diǎn)。向上層依次為傳輸網(wǎng)絡(luò)铡暂，基站邢侵，最終連接到Internet。傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊倡油、處理器模塊版鳞、無(wú)線(xiàn)通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成，傳感器節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示栓栋。為獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)程腹，傳感器節(jié)點(diǎn)的部署密度往往很大，并且可能部署在若干個(gè)不相鄰的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)儒拂，從而形成多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)寸潦。傳感器節(jié)點(diǎn)將感應(yīng)到的數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將傳感器節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)由一個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基站上社痛。傳輸網(wǎng)絡(luò)是負(fù)責(zé)協(xié)同各個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)见转、綜合網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)信息的局部網(wǎng)絡(luò)∷獍В基站是能夠和Internet相連的一臺(tái)計(jì)算機(jī)（或衛(wèi)星通信站）斩箫，它將傳感數(shù)據(jù)通過(guò)Internet發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，同時(shí)它還具有一個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)副本以緩存最新的傳感數(shù)據(jù)撵儿。監(jiān)護(hù)人員（或用戶(hù)）可以通過(guò)任意一臺(tái)連入Internet的終端訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)中心乘客，或者向基站發(fā)出命令〉硇基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適合于在煤礦寨典、油田安全監(jiān)測(cè)，溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)房匆、環(huán)保部門(mén)的大氣監(jiān)測(cè)耸成、突發(fā)性環(huán)境事故的預(yù)測(cè)及分析、特殊污染企業(yè)的監(jiān)測(cè)茬麻，生物群種的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)以及家庭台泥、辦公室及商場(chǎng)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用言雀。 
 

                 圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)
3 系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)及架構(gòu)
　　3.1 系統(tǒng)特點(diǎn)
　　利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域一般具有以下特點(diǎn)：
　　（1）無(wú)人環(huán)境必胜、環(huán)境惡劣或超遠(yuǎn)距離情況下信息的采集和傳送刚哼，保證系統(tǒng)工業(yè)級(jí)品質(zhì)安全可靠。
　∈拿巍（2）生物群種對(duì)于外來(lái)因素非常敏感丹残，人類(lèi)直接進(jìn)行的生態(tài)環(huán)境監(jiān)控可能反而會(huì)破壞環(huán)境的完整性，包括影響生態(tài)環(huán)境中種群的習(xí)性和分布等夯饲。
　“崽濉（3）需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備相對(duì)比較多撑雨，但僅僅用于監(jiān)測(cè)或控制垮川。
　　（4）系統(tǒng)實(shí)施戴卜、運(yùn)行費(fèi)用要低逾条，無(wú)需鋪設(shè)大量電纜，支持臨時(shí)性安裝投剥，系統(tǒng)易于擴(kuò)展和更新师脂。
　　（5）具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歸檔能力江锨，能夠使大量的傳感數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到后臺(tái)或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)危彩，并能夠進(jìn)行離線(xiàn)的數(shù)據(jù)挖掘，數(shù)據(jù)分析也是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中非常重要的一個(gè)方面泳桦。
　　3.2 系統(tǒng)架構(gòu)
　　3.2.1 礦井安全監(jiān)控
　　礦井利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)井下安全監(jiān)控的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)井下多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集娩缰，主要包括CO灸撰、 、 拼坎、瓦斯浮毯、風(fēng)速和氣壓等參數(shù)，通過(guò)井場(chǎng)監(jiān)控終端（基站）和地面基站傳送給后臺(tái)監(jiān)控中心泰鸡。后臺(tái)監(jiān)護(hù)人員通過(guò)該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可及時(shí)债蓝、有效、全面的掌握礦井情況障翼，有利于礦井實(shí)施指揮調(diào)度缚宜、安全監(jiān)測(cè)，從而可以有效的防止礦井事故的發(fā)生谚茅。 
 

             圖2 礦井無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
　　3.2.2 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)
　　傳感器網(wǎng)絡(luò)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用非常典型型圈。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校計(jì)算機(jī)系Intel實(shí)驗(yàn)室和大西洋學(xué)院（The College of the Atlantic, COA）聯(lián)合開(kāi)展了一個(gè)名為 “in-situ”的利用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控海島生態(tài)環(huán)境的項(xiàng)目意澡。該研究組在大鴨島（Great Duck Island）上部署了由43個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)上安裝有多種傳感器以監(jiān)測(cè)海島上不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)喜拥。如使用光敏傳感器蒜丙、數(shù)字溫濕度傳感器和壓力傳感器監(jiān)測(cè)海燕地下巢穴的微觀環(huán)境;使用低能耗的被動(dòng)紅外傳感器監(jiān)測(cè)巢穴的使用情況，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示抹欢。 
 

                      圖3 生態(tài)環(huán)境無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
　　3.2.3 智能家居
　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以應(yīng)用于家居中溯童，其家用遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。通過(guò)在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點(diǎn)脉织，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與Internet連接在一起求馋，用戶(hù)可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)完成對(duì)家電的遠(yuǎn)程遙控，例如用戶(hù)可以在回家之前半小時(shí)打開(kāi)空調(diào)抚垃，這樣回家的時(shí)候就可以直接享受適合的室溫喷楣，從而給用戶(hù)提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環(huán)境鹤树。 
 

            圖4 家用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
4 關(guān)鍵技術(shù)研究
　　4.1 能量管理
　　應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一般都采用電池供電铣焊，要求頻繁更換電池或者頻繁充電是不太現(xiàn)實(shí)的，因此在傳感器網(wǎng)絡(luò)中罕伯，能量消耗是一個(gè)需要十分仔細(xì)考慮的問(wèn)題曲伊。節(jié)點(diǎn)節(jié)省能量的最主要方式是休眠機(jī)制。當(dāng)節(jié)點(diǎn)目前沒(méi)有傳感任務(wù)并且不需要為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)傳感數(shù)據(jù)時(shí)追他，關(guān)閉節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信模塊坟募、數(shù)據(jù)采集模塊甚至計(jì)算模塊以節(jié)省能量。這樣邑狸，一個(gè)傳感任務(wù)發(fā)生時(shí)懈糯，只有與之相鄰的區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)，從而形成一個(gè)活動(dòng)區(qū)域单雾∽活動(dòng)區(qū)域隨著數(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳送而移動(dòng)，這樣原先活動(dòng)的節(jié)點(diǎn)在離開(kāi)活動(dòng)區(qū)域后可以轉(zhuǎn)到休眠模式從而節(jié)省能量乐慌。另外妈唯，節(jié)點(diǎn)間也可以通過(guò)“輪換值班”來(lái)減少能量消耗。這些節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài)飘含，只是周期性蘇醒過(guò)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)或者檢測(cè)信道的狀態(tài)燃悍，以確定是否有屬于自己的消息，但這種機(jī)制要求應(yīng)用設(shè)計(jì)者在電池消耗和消息延遲之間做出權(quán)衡鼓笨。
　　4.2 定位技術(shù)
　　位置信息是傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分箭瘫，沒(méi)有位置信息的監(jiān)測(cè)消息通常毫無(wú)意義。確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一锰胀。為了提供有效的位置信息隅凡，隨機(jī)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)必須能夠在布置后確定自身位置茫失。根據(jù)定位過(guò)程中是否實(shí)際測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離或角度，把傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位分類(lèi)為基于距離的定位和距離無(wú)關(guān)的定位绵捡。其中基于距離的定位分為基于TOA的定位真王、基于TDOA的定位、基于AOA的定位和基于RSSI的定位等安揣。距離無(wú)關(guān)的定位機(jī)制主要有質(zhì)心算法街立、DV-Hop算法、Amorphous算法和APIT算法等埠通。由于距離無(wú)關(guān)定位機(jī)制對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件要求較低赎离，并且受環(huán)境因素的影響較小，雖然定位誤差相應(yīng)有所增加端辱，但定位精度能夠滿(mǎn)足多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求梁剔，是目前大家重點(diǎn)關(guān)注的定位機(jī)制。
　　4.3 數(shù)據(jù)融合技術(shù)
　　環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用的最終目標(biāo)是對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境的數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)收集舞蔽。采樣頻率和精度由具體應(yīng)用確定荣病，并由控制中心向傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)出指令。對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)渗柿，需要考慮采樣數(shù)據(jù)量和能量消耗之間的折中个盆。處于監(jiān)控區(qū)域邊緣的節(jié)點(diǎn)由于只需要將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，能量消耗相對(duì)較少朵栖，而靠近基站的節(jié)點(diǎn)由于同時(shí)還需要為邊緣節(jié)點(diǎn)路由數(shù)據(jù)颊亮，消耗的能量要多2個(gè)數(shù)量級(jí)左右。因此陨溅，邊緣節(jié)點(diǎn)必須對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的壓縮和融合處理后再發(fā)送給基站终惑。Intel實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)中使用了標(biāo)準(zhǔn)的Huffman算法和Lempel-Ziv算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，使得數(shù)據(jù)通信量減少了2～4個(gè)數(shù)量級(jí)健十。如果使用類(lèi)似于GSM語(yǔ)音壓縮機(jī)制的有損算法進(jìn)一步處理诊拦，還可以獲得更好的壓縮效果。表1表明了幾種經(jīng)典壓縮算法的壓縮效果决盔。
　　            表1 幾種經(jīng)典壓縮算法對(duì)傳感數(shù)據(jù)的壓縮效果 
 

　　4.4 安全管理
　　傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的許多安全策略和機(jī)制不再適合于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：（1）無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)缺乏基礎(chǔ)設(shè)施支持散岩，沒(méi)有中心授權(quán)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)酿乾，節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力很低，這些都使得傳統(tǒng)的加密和認(rèn)證機(jī)制在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中難以實(shí)現(xiàn)萌圣，并且節(jié)點(diǎn)之間難以建立起信任關(guān)系;（2）有限的計(jì)算和能源資源往往需要系統(tǒng)對(duì)各種技術(shù)綜合考慮渣蒙，以減少系統(tǒng)代碼的數(shù)量，如安全路由技術(shù)等;（3）無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的協(xié)作特性和路由的局部特性使節(jié)點(diǎn)之間存在安全耦合低海，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的安全泄露必然威脅網(wǎng)絡(luò)的安全缔寒，所以在考慮安全算法的時(shí)候要盡量減小這種耦合性;（4）在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中挪其，由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性和無(wú)線(xiàn)信道的時(shí)變特性，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)感细、網(wǎng)絡(luò)成員及其各成員之間的信任關(guān)系處于動(dòng)態(tài)變化之中什猖。目前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)SPINS安全框架在機(jī)密性、點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證红淡、完整性鑒別不狮、新鮮性、認(rèn)證廣播方面已經(jīng)定義了完整有效的機(jī)制和算法在旱，安全管理方面目前以密鑰預(yù)分布模型作為安全初始化和維護(hù)的主要機(jī)制摇零，其中隨機(jī)密鑰對(duì)模型、基于多項(xiàng)式的密鑰對(duì)模型等是目前最有代表性的算法桶蝎。
5 展望
　　環(huán)境監(jiān)測(cè)是一類(lèi)典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用驻仅，在實(shí)際的應(yīng)用中還有很多關(guān)鍵技術(shù)，包括節(jié)點(diǎn)部署登渣、遠(yuǎn)程控制噪服、數(shù)據(jù)采樣和通信機(jī)制等。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的應(yīng)用相關(guān)性绍豁，在環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體的研究芯咧。并且隨著無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟和完善，我們還可以在各個(gè)方面開(kāi)展許多新的應(yīng)用竹揍，比如軍用傳感網(wǎng)絡(luò)可以監(jiān)測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)的態(tài)勢(shì);交通傳感網(wǎng)絡(luò)可以配置在交通要道用于監(jiān)測(cè)交通的流量妆吱，包括車(chē)輛的數(shù)量、種類(lèi)棱悄、速度和方向等相關(guān)參數(shù);監(jiān)視傳感網(wǎng)絡(luò)可以用于商場(chǎng)啃端、銀行等場(chǎng)合來(lái)提高安全性」硪迹可以預(yù)見(jiàn)含口，隨著無(wú)線(xiàn)傳感設(shè)備性?xún)r(jià)比的提高以及相關(guān)研究的不斷深入和傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷普及，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)將給人們的工作和生活帶來(lái)更多的方便寥药。
參考文獻(xiàn)
　　[1] 徐君麗模皱、劉冀偉、王志良.基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]颅蟹，微計(jì)算機(jī)信息噪蒲，2005年第21卷第6期
　　[2] 孫利民、李建中令消、陳渝等.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]篙萧，清華大學(xué)出版社，2005年5月第1版
　　[3] 陳玲陋住、趙建夫.環(huán)境監(jiān)測(cè)[M]漏设，化學(xué)工業(yè)出版社墨闲、環(huán)境科學(xué)與工程出版中心，2004年2月第1版
　　[4] Lawrence A.Klein[美]著郑口，戴亞平鸳碧、劉征、郁光輝譯.多傳感器數(shù)據(jù)融合理論及應(yīng)用[M]潘酗，北京理工大學(xué)出版社杆兵，2004年2月第2版
　　[5] 鄭少仁、王海濤仔夺、趙志超等.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M]琐脏，人民郵電出版社，2005年1月第1版
　　[6] Polastre J缸兔、Szewczyk R日裙、Mainwaring A, etc.Analysis of Wireless Sensor Networks for Habitat monitoring[M]，Wireless Sensor Networks,2004
　　[7] Guoliang Xing惰蜜、Chenyang Lu昂拂、Ying Zhang.Minimum Power Configuration in Wireless Sensor Networks[EB/OL]，http://www.cse.wustl.edu推讽，2005.5
　　[8] Bharath Sundararaman逻富、Ugo Buy、Ajay D.Kshemkalyani.Clock Synchronization for Wireless Sensor Networks[EB/OL],(暫不可見(jiàn)),2005.1
　　[9] E.ilker Oyman路槐、Cem Ersoy.Overhead Energy Considerations for Efficient Routing in Wireless Sensor Networks[EB/OL],(暫不可見(jiàn)),2004.5

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