无线传感网络技术在环境监测中的应用探索

科｝技ｌ论Ｉ坛　科　——黑龙江——　投信总　基于环境监测的无线传感器网络ＭＡＣ协议研究　胡啸李国军　（重庆邮电大学移动通信重点实验室一无线信息网络研究中心，重庆４０００６５）　摘要：随着技术的进步和研究的深入，无线传感器网络越来越广泛地应用到人们生活的方方面面，尤其是在环境监测领域。ＭＡＣ协议作为传　感器网络设计要点＂－３中的一个关键的组成部分，对于网络的节能以及保障通信能力有着重要的意义。主要介绍了无线传感器网络中的几种ＭＡＣ机　制，并从ＭＡＣ的角度提出基于环境监测应用的ＷＳＮ设计要点。　．　关键词：无线传感器网络；环境监测；ＭＡＣ；节能　ｌ概述　以数据为中心：传统网络是以为中心的网　无线传感器网络（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔ—　ｗｏｒｋ），由大量的传感　枷成，节点问协作地感知、　采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对　象的监测信息，如图１。这种网络具有机动ｌ生高、部　署快速等诸多特点，可应用于现代化战场、环保、　医疗、空间探索等多种场　但是，支持该网络应　用的技术还存在诸多问题，比如节点的电量和计　算能力的局限性、完全的分布式环境等。针对＿节．　电量局限陛问题，以及由于节点睡眠时间较长且　延时较大在出现紧急情况反应缓慢的问题，从　ＭＡＣ层的角度提出了改进方案。　０　ｏ苷通　●　蟹喜＃艘书点　Ｏ　●　Ｏ　●　紧急节点　０　●　ｏ　Ｏ　●　０　ｏ　０　０　ｏ　。　●　Ｏ　●　●　●　ｏ　Ｏ　●　ｏ　Ｏ　ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｄ　图ｌ基于环境监测的无线传感器网络结构　无线传感器网络是一种以数据为中心的自　组织无线网络。网络中的节点密集，数量可多可少　且部署在十分广泛的区域；网络拓扑结构动态变　化，网络具有自组织和自调整的特点。网络节点具　有成本低体积小，能量及其有限，计算能力、存储　能力和通信能力有限的特点。节点的能量是设计　节点是考虑的最为关键的因素。　无线传感器网络有几个显著特征日：　节能：传感器节点是微型嵌入式设备，它的　价格要求非常低廉，因而造成它的处理能力、存储　能力、通信带宽和携带的能量者　Ｅ常有限，特别是　为每个传感器节点。供电的电源能量有限，通常不　易或无需更换，节省能量成了无线传感器网络系　统设汁中的重要目标。　低成本：传感器节点应该廉价。因为一个大　型的传感器网络往往由成百上千个传感器节点组　成，所以每个节点应该低成本，低价格。　无线的：传感器节点通过无线传输数据。　自组织：无线传感器网络系统更适合于人不　能或不宜到达的地域，节点的部署采用非人工、随　机方式实施。无线传感器网络系统可以通过一套　合适的通信协议保证网络在无人干预的情况下自　动组网，自动运行。在节点失效等问题　现的隋况　下，系统能自动调整，实现无人值守。　多跳：一个传感器节点可能无法通达基站。　解决办法是通过多跳到达基站。无线电信号的能　量消耗与扩成正比，其中表示通信的距离。因此一　个长距离的信息传送消耗的能量要远远大于多个　短距离的信　传送。这也是要用多跳的原因。　络，每个节点拥有全网唯一的地址，数据转发以目　的　的为依赖。在无线传感器网络中，节点没有　地址，是以数据为中心的网络，它关心的是数据本　身，如事件、时间和地点，而并不关注数据是由哪　个廿．　采集。　与应用相关：无线传感器网络系统与应用密　切相关，不同的应用背景，无线传感器网络的设计　具有差别，甚至完全不同。　２现有的几种ＭＡＣ协议　・２．１　Ｓ￣－ＭＡＣ协议　Ｓ－ＭＡＣ是分布式的层协议，无须任何局部或　全局主节点的调度便能让传感器节点发现相邻节　点，并安排合理俪酋占用时间。它是一种基于竞争　的控制协议。但加入了同步的功能。Ｓ－ＭＡＣ最重　要的是将时间划分为多个帧，每个帧由两部分构　成：活动状态和休眠状态。在休眠状态，节点将关　闭其发射接收器来节省能量。在活动状态，节点可　以和它的相邻节点进行通信并且发送在休眠期间　的消息队列。将所有的数据放在活动部分进行发　送，减少了在整个时间内进行监听所造成的空闲　监听能量损耗。　尽管ＳＭＡＣ比８０２．１　１节省了更多的能量，但　是他不能很好地适应网络中业务的变化，以及由　此带来的流量变化，因为他对所有的传感器节点　设置的占空比是一个固定值。当有低时延、高速率　要求的业务时，ＳＭＡＣ的占空比必须设置为一个　较高的值，当该业务消失以后，ＳＭＡＣ依然维持该　占空比，此时将浪费大量的能量。另外，因为所有　节点的占空比都相同，而在实际的过程中针对不　同区域的发生的事件需要采取不同的监听策略，　此时同一网络中的节点就不再公用一个占空比。　ＳＭＡＣ显然不能适应这些业务的灵活配置。　２．２　Ｔ＿ＭＡＣ协议　＿ｒ＿ＭＡｃ协议是在Ｓ－ＭＡＣ协议的基础上提　出的。传感器网络的ＭＡＣ协议最重要的目标是减　少能量消耗，在空闲侦听、碰撞、计算、串音等浪费　因素中，空闲侦听的能量消耗占绝对大的比例，特　别是在消息传输频率较低的情况下。　＿ＭＡｃ是将　能量损耗、时延和吞吐量综合考虑的协议。它将帧　划分为可变长度的活动状态和休眠状态，所有的　数据在可变的活动状态持续期间内发送出去。　通过动态改变活动状态的持续时间来维持　网络负载的平衡。即使节点处于活动状态，但经过　ＴＡ时间后仍无数据发送，节点将立即进入休眠状　态。每个节点在活动状态期间，必须保持信道监听　以发现潜在的传输数据。当在ＴＡ时间段内仍没有　激活事件发生时，活动状态结束。　ｒＡ的长度决定　了每个帧的最小空闲监听的时间，如何设定ＴＡ的　值是非常关键的。　Ｓ－ＭＡＣ和Ｔ－ＭＡＣ相对于前两种协议更加　适用于无线传感器网络，在减少空闲监听能量损　耗上，Ｔ－ＭＡＣ较Ｓ－ＭＡＣ做的更好。　Ｔ－ＭＡＣ协议能偶根据当前的网络状况，通过　提前结束活动周期来减少空闲侦听，但带来了早　睡问题。Ｔ－ＭＡＣ为解决早睡问题提出了请求发送　和满缓冲区优化两种方案都不是很理想。Ｔ＿ＭＡｃ　协议的适用场合还需要进一步研究；对网络动态　拓扑结构变化的适应陆也需要进一步研究。　３应用于环境监控的无线传感器网络　基于环境监控应用的无线传感器网络要求　绝大部分的工作时间是在常规态下工作的，只在　出现紧急突发监测事件的时候进入紧急工作状　态。这两种不同的状态要求网络能够采取不同的　ＭＡＣ策略来区分服务。对于常规晴况要保证节点　的能量能够使用较长的时间，数据采集的频率以　及对实时胜的要求相对较低。而在紧急态下要求　节点能够高速工作，能够及时地传输紧急数据，此　时也应尽可能地减少不相关节点的能量损耗。　在网络协议的设计中，我们还必须考虑到以　下几个方面的内容：高可靠性和低时延；网络具备　自愈合、高宽容，很多传感器节点都是布置在高危　地带，那里不适合工作人员长期驻留，因此，一旦　这些地方产生危险紧急事件，传感器节点很可能　在此过程中遭受破坏；设计必须足够简单因为能　量有限，这就意味着节点的设计结构不能够过于　复杂，应尽可能简化；网络整体的节能。　４总结　能量与时间在无线传感器网络中是一对矛　盾体。能量消耗过大将导致网络寿命的缩减，如果　一味地延长网络时间而节约能量的开销，会降低　网络的利用率。因此如何据具体的应用来妥善处　置二者间的关系将尤为重要，这也是未来研究的　重要方向。　参考文献　『】仵天爽。唐洪，李婷等．无线传感器网络协议与体　系结构　．北京：电子工业出版社．　ｆ２１李功．无线传感器网络在环境监测中的研究设计　【ＪＪ．浙江大学，２００６．　［３］ＷＥＩ　Ｙ　Ｅ；ＨＥＩＤＥＭＡＮＮｊ；ＥＳＴＲＩＮ．Ｄ．Ａｎ　ｅｎｅｒ＿　ｇｙ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ＩＮＦＯＣＯＭ　２００２．Ｔｗｅｎｔｙ－Ｆｉｒｓｔ　Ａｎ—　ｎｕａｌ　Ｊｏｉｎｔ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｓｏｃｉｅｔｉｅｓ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．ＩＥＥＥ　Ｖｏｌｕｍｅ　３．２３－２７　Ｊｕｎｅ　２００２　Ｐａｇｅ（ｓ）：１５６７—１５７６．　［４］ＫＡＷＡＩ，ＴＥＴＳＵＹＡ；ＷＡＫＡＭＩＹＡ，ＮＡＯＫｋ　ＭＵＲＡＴ＆Ｄｅｓｉｇｎ，Ｐｒｏｐｏｓａｌ　ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ａ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　Ｕｒｇｅｎｔ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　『Ｃ］，Ｍｏｂｉｌｅ　Ａｄｈｏｃ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００７．ＭＡＳＳ２００７．　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｎｍｔｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　８一Ｉ１　Ｏｃｔ．２００７　Ｐａｇｅ（ｓ）：ｌ一３．　责任编辑：周宝军　一

无线传感网在智能家居中的应用

智能家居是未来家庭的趋势，其中无线传感技术是实现智能家居的关键。无线传感网是基于无线通信技术和传感技术相结合的一种新型网络，通过各种传感器和执行器的相互连接，实现对设备、环境和人的感知和控制，使智能家居变得更加自动化和舒适。本文将介绍无线传感网在智能家居中的应用和未来发展。

一、无线传感网在智能家居中的应用

1.环境监测

智能家居的第一要义是环境监测，无线传感技术能够实时获取家庭环境中的温度、湿度、二氧化碳浓度、光线强度等具体信息，从而控制家居的空调、加湿器、晾衣架灯光等设施，使居住环境更加舒适和便利。

2.安防监控

智能家居中的安防监控是无线传感网的另一大应用。通过与摄像头、门锁等设备的连接，用户可以在手机上实时监控家里的情况，并且可以随时开关门锁、开关照明等控制，从而保证家庭安全。同时，如果智能家居系统检测到入侵或火灾等紧急情况，它可以自动触发报警，并向用户手机发送通知，对家庭安全提供了强有力的保障。

3.能源管理

随着能源成为全球关注的焦点，能源管理越来越成为智能家居的重点。无线传感技术可以实时监测家庭的用电情况，联动家电设备调节用电方式，适当增减用电设备，减少能源消耗。通过连接家里的空调、洗衣机、热水器等设备，智能家居可以实现用电的按需分配，节省能源。

4.医疗保健

随着人们对健康意识的提高，智能家居为医疗保健带来了新希望。通过与家用医疗设备的连接，无线传感技术可以实时监测家庭成员的生理指标、记录用药情况，从而实现便捷、个性化的管理。例如，智能家居可以通过触摸屏、语音等方式进行医生和患者的直接交流，从而实现更加智能化的家庭医疗。

二、无线传感网在智能家居中的现状和未来

在当前，无线传感网已经广泛应用于各类智能家居设备之中。然而，智能家居是一个博大精深的领域，有待未来的不断研究和探索。如何进一步提高无线传感网的工作效率和数据处理速度，如何更好地兼容不同的智能家居设备，如何提高网络的稳定性和安全性，都是目前智能家居和无线传感技术研究的重点。

应用无线传感器网络进行环境监测的优点

丁淑琴陈栋

(常熟市环境监测站，江苏常熟215500)

喃要]无线传感器网络具有一些显著的特点，只需要部署一次，减少了人为因素对环境的影响．节点数量庞大，可以得到丰富的采集数据．具备通信能力，可以协同工作等。这些特点使得基于无线传感网络的环境监测系统优于传统的环境监测系统，具有越来越广泛的应用前

景。【关键词]无线；传感器；监测

目前，无线传感器网络在军事、民用和学术界等许多领域的研究

都取得了重大的进展。环境监测是一类典型的应用。将大量的传感器节

点通过飞机布撒、人工填埋等方式随机部署在监测区域内，并对感兴趣

的信息进行不问断的高精度采集。

由于环境监测的范围涉及整个生态环境的各个领域，就日常环境

监测的范围而言，有大气、水质、危险固体废物、土壤、及噪声、电磁

辐射、放射性等的监测。传统的环境监测方法有定点(人工或自动)监

测和在线连续监测。人工监测通常要在监测区域内部署设备、线路，配

置一定的工作人员。自动监测和在线监测则需部署体积庞大、价格昂贵

的设备和大量的线路，而且一旦部署完毕，就很难根据监测的需求改变

监测任务，系统可重用性差．监测成本较高。在一些特殊区域，如电源

供给困难的沙漠、高山，存在放射源、野生动物等人员不能到达的区

域，发生地震、洪水等灾难性场所，更是增加了监测的难度。现在利用

最前沿的新技术——无线传感器网络，可以突破传统的监测方法，为环

境监测提供低成本，高可靠性的方法。本文主要阐述了无线传感器网络

的特点，并进一步分析其应用在环境监测上的优点。

1无线传感器网络在环境监测中的应用现状

无线传感器网络是融合了通信、网络、微电子等多学科精华的新

技术。面向环境监测的无线传感器网络可供参考的实例比较少，而且这

些成果也主要集中在国外，如美国俄勒冈洲研究生院在哥伦比亚河设置了13个站来监测每个站所在区域的流速、盐度、温度及水位。

我国目前也有少量科研单位和院校开始了该领域的研究，上海交

通大学自动化系基于气体污染源浓度衰减模型，开展了气体源预估定位

第３Ｏ卷第４期　

２０１２年８月　陕西科技大学学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈａａｎｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．３０　ＮＯ．４　

Ａｕｇ．２０１２　

文章编号：１０００—５８１１（２０１２）０４—００８１—０４　

无线传感器网络在环境监测系统中的设计与应用　

郭文强，张玉杰，侯勇严，付　

（陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安　菊　

７１００２１）　

摘　要：为了克服传统的环境监测系统布线复杂和数据采样困难的问题，提出了基于ＺｉｇＢｅｅ　

无线传感器网络的解决方案。通过传感器节点采集环境监测现场的数据，并实时将监测数据　

通过ＣＣ２５３０的ＺｉｇＢｅｅ通信协议无线传输至协调器，然后将数据传输到上位机进行监测与分　析处理。实验结果表明，该无线传感器网络能够可靠、有效地采集相应环境数据，并及时传输　

至监测平台，为环境监测系统的高效、安全运行提供了可靠依据．　

关键词：环境监测；无线传感器网络；ＺｉｇＢｅｅ　

中图法分类号：ＴＮ９１９．３　文献标识码：Ａ　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　

ｉｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　

ＧＵｏ　Ｗｅｎ—ｑｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｙｕ—ｊｉｅ，Ｈ０Ｕ　Ｙｏｎｇ—ｙａｎ，Ｆｕ　Ｊｕ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ　ａｎ　

７１００２１．Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　ｃｏｍｐｌｅｘ　

ｗｉｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ　ｄａｔａ　ｓａｍｐｌｉｎｇ，ａ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＺｉｇＢｅｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｓ