2 2 2 2 2 第 52 卷 第 3 期 　2006 年 6 月 文章编号 :1671 8836 (2006) 03 武汉大学学报 (理学版) J . Wuhan Univ. (Nat . Sci. Ed. ) 0345 04 Vol. 52 No . 3 　 J une 2006 ,345～348 基于无线传感器网络的环境监测系统 (1. 武汉大学 电子信息学院 , 湖北 武汉 430072 ; 2. 中船重工宜昌测试技术研究所 ,湖北 宜昌 443003) 饶云华1 , 代 　莉1 , 赵存成2 , 曹 　阳1 　　摘 　要 : 针对当前城市环境保护与在线监测的需要 ,提出了一种利用具有自组织特性的无线传感器网络 (wireless sensor networks ,WSN) 对温度 、湿度和噪声等环境变量进行在线监测的方法. 该方法采用了对等式网络 体系结构 、低功耗微小网络节点 、基于拓扑树的网络初始化配置算法以及基于地理位置特性的路由算法 ,不仅解决 了传统监测方法中网络布线复杂 、精度有限的问题 ,而且具有实时性和容错性强等特点. 仿真结果表明 ,在 1 000 个 节点 、通信距离为 100 m 的条件下 ,监测数据延迟时间 < 600 ms ,较好地满足了实时环境监测的要求. 关 　键 　词 : 无线传感器网络 ; 环境监测 ; 配置 ; 路由 中图分类号 : TP 393 　　　文献标识码 :A 0 　引 　言 　　环境监测是环境保护的基础 ,其目的是为环境 保护提供科学决策的依据 ,目前所采用的主要方法 有定点巡检和连续在线监测两种. 定点巡检方法存 在耗费人力较大 、无法对危险区域进行监测等缺点 , 已经不能满足越来越高的环境监测要求[ 1 ] . 在线监测方法利用传感器对被监测参数进行测 量 ,然后通过网络发送到控制中心来实现监测 ,其数 据传输主要利用公共有线电话网 ( PS TN) 或移动电 话网 ( GSM , GPRS) 进行[ 1 ,2 ] . PS TN 由于布线困难 、 费用较高 ,因此应用范围有限 ,而利用移动电话网进 行数据传输可以克服布线困难的缺点 ,但在大范围 测量时 ,成本较高且数据采集精度较差. 另外 ,由于 能耗较大 ,每隔较短时间便需要更换电池 ,这样在危 险区域和大面积监测区域应用时非常不方便. 无线传感器网络[ 3 ] 由低功耗微小网络节点通过 自组织方式构成无线通信网络 ,能够通过密集的节 点布置 ,协作地实时感知 、监测和采集网络分布区域 内的各种微观环境信息 ,并对这些信息进行处理 ,从 而获得详尽而准确的信息. 目前 ,无线传感器网络已成为国内外的研究热 点 ,并取得了可喜的进展[ 4 ] ,如 Intel 研究中心伯克 利实验室的研究人员在 Great duck island 上使用无 　　收稿日期 : 2005 09 15 　　　　 线传感器网络来研究岛上鸟类活动[ 3 ,5 ] ,该系统将 传感器获取的温度 、湿度和气压等环境信息以多跳 路由的方式发送到监测管理中心 ,管理中心使用这 些信息可以在不干扰野生动植物正常生活的情况下 监视其活动和生存环境. 国内一些科研院所和高校 也开展了无线传感器网络理论和应用的研究[ 6 ] . 本文针对当前环境监测中面临的网络布线困 难 、成本高及实时性差等问题 ,提出了基于无线传感 器网络的城市环境监测系统. 该系统主要由低功耗 微小网络节点通过自组织方式构成 ,可利用网络节 点功耗低 、工作时间长 、成本低的特点 ,实现危险区 域的低成本无人连续在线监测. 同时 ,无线传感器网 络节点布置密集 ,对每个监测点都有多个节点进行 测量 ,可以通过数据融合提高数据精度 ,而单节点失 效不影响测量效果 ,这种测量方式使得系统容错性 强[ 7 ,8 ] . 另外 ,无线传感器网络不仅可以进行监测 , 还可对指定区域进行查询 ,这些特点是传统在线监 测系统所不具备的. 目前 ,这方面的研究还未见相关 文献报道. 1 　系统结构 无线传感器网络由网络节点以自组织方式构 建 ,具体来说主要分为两种体系结构 :对等式和分层 基金项目 : 国家 863 计划 (2004AA639690) ; 教育部博士点基金 (20040486049) ; 武汉市晨光计划 (20055003059 作者简介 : 饶云华 (1972 ) ,男 ,博士后 ,讲师 ,现从事无线传感器网络及 IC 设计等研究. 　E mail :raoyunhua @hot mail . com 27) 资助项目 

2 643 分布式结构. 由于环境监测的区域大且分散 ,因此本文采用 对等式节点拓扑布置方法 ,在较集中的监测区域布 置传感器网络 ,然后通过网关与控制中心进行通信 , 其拓扑结构如图 1 所示. 图 1 　面向环境监测的传感器网络结构 　　网络主要组成部分有 : 传感器节点 :将传感器周期性采集到的大气等 信息以多跳路由的方式发送到环境监测管理中心. 网关 :位于传感器网络边缘 ,实现传感器网络与 互联网的互连互通 ,在此实现传感器网络协议到互 联网协议的转换. 环境监测管理中心 :负责污水等信息的存储 、处 理 、评估等. 通常一个管理中心可以同时管理多个监 测区域. 远程监控和 PDA 用户可通过互联网对环 境监测中心的数据进行访问 ,并可通过中心进行实 时查询等. 2 　网络节点设计 在自组织无线传感器网络中每个传感器节点主 要由传感器及模数转换 、处理器 、无线通信 、电源等 模块和软件构成. 嵌入式处理器对传感器采集信息 进行处理并控制整个传感器节点的运行 ,无线通信 模块实现网络通信 ,电源模块则对传感器节点的运 行提供电源 ,软件包括嵌入式操作系统和应用软件. 2. 1 　硬件设计 由于针对不同应用 ,传感器网络节点需要不同 的通信 、处理和感应模块以及不同软件 ,因此 ,为了 使节点能够具有较广的适用范围 ,必须使节点的各 个模块能够方便的替换. 本文将节点从功能上分为 : 能量控制 、计算处理 、无线通信和感应 4 个硬件模 块. 这几个模块分别独立设计与实现并行的调试开 发 ,可降低系统开发成本和研发周期以及系统投入 使用后的管理与维护成本. 各个模块通过 I2C ( In 武汉大学学报 (理学版) 第 52 卷 integrated circuit) 互联 ,从而达到可扩展和替换 ter 的目的 ,如图 2 所示. 图 2 　节点硬件模块图 　　传感器数据采集模块主要由温度 、湿度 、CO2 、 声强等传感器及模数转换电路组成. 由于传感器输 出信号格式与 CPU 输入电平不一致 ,因此 ,传感器 信号需通过信号调理后再进行模数转换. 模数转换 后的信号经光电隔离后送到 CPU 进行处理. CPU 采用 TI 公 司的 MSP430F149. MSP430 系列单片机能够在低电压下超低功耗 (5 种节电模 式) 工作 ,具有强大的处理能力和丰富的外部接口. 无线收发模块采用 RFM 公司的 TR1000. 该模 块工作频率稳定可靠 ,外围元件电路简单 ,便于设 计. 同时 , TR1000 采用了低发射功率 ,高接收灵敏 度的设计 ,数据传输速率可达到 115. 2 kb/ s ,理想传 输环境下有效通讯距离为 1 000 m. 本文采用 A S K (amplit ude shift keying) 传输数据 ,对每位数据采 用曼彻斯特编码 ,这样可以较好地克服无线信道带 来的误码. 2. 2 　软件设计 当前 ,网络节点硬件一般只能完成物理层的功 能 ,物理层以上的功能都必须由软件来实现 ,因此 , 软件设计对整个节点的功能和资源利用具有很大的 影响. 本文通过两个方面的设计对软件性能提供保 障 ,即采用多任务操作系统和面向对象的协议设计. 首先 ,网络节点一般都具有数据采集 、信息处 理 、数据转发以及路由等功能 ,这些功能往往同时发 生 ,因此 ,为了能够在有限的硬件资源下处理这些并 发事件 ,本文采用了开放源代码的多任务实时操作 系统 TinyOS. 该系统基于组件的架构 ,主要应用于 无线传感器网络. 当外部硬件通信设备 、定时器 、传 感器等触发硬件中断后 ,系统执行相应的中断处理 , 完成所有触发事件处理后 ,系统进入睡眠状态 ,从而 节省能量. 其次 ,从软件的可扩展性等考虑 ,为了使 节点能够根据应用不同而运行各种不同的通信协 议 ,本文采用面向对象的通信协议设计 , 将 MAC (media access cont rol) 、网络层等每层协议设计为 一个对象 ,定义协议的外部接口为虚函数. 不同通信 协议的实现为实例化的对象 ,采用重载虚函数的方 法 ,开发者可以重用开发接口. 由于路由 、MAC 等 

第 3 期 饶云华 等 :基于无线传感器网络的环境监测系统 743 协议为各自独立实现的对象 ,这样 ,当应用要求改变 时 ,可以更改具体实现方法而不用更换接口. 节点的方法进行地址分配后 ,向各节点发送地址包 , 各节点收到后采用该地址并返回 AC K 包响应 ; 3 　系统配置运行设计 系统运行前必须进行初始化设置与配置 ,初始 化设置包括节点布置 、地址分配 、地址表建立 、拓扑 树构建等[ 9 ,10 ] ,本文将先讨论系统整体工作流程 ,然 后讨论网络配置初始化过程 ,最后讨论系统中节点 运行方法. 传感器周期性地对环境因素进行采样和分析. 当检测的参数值到超过设定值时 ,则传感器模块以 硬件中断的方式触发事件发生 ,系统响应中断 ,读取 数据并通过多跳路由向网关发送报告. 网关收到报 告后必须返回一个 AC K(响应) 包来响应报告信息 , 并通过协议转换向控制中心报告. 发送信息的网络 节点必须通过收到 AC K 包来验证事件信息已经发 送到网关节点. 网络节点采用手工布置于被监测区域 ,这样不 仅可按照要求控制网络的拓扑结构 ,还可简化地址 分配和路由等算法 ,网关节点布置在监测区域中心. 3. 1 　网络初始化及配置过程 由于网络节点地址都是基于地理位置来分配 的 ,因此 ,当网络节点布置在监测区域后 ,还必须对 网络节点进行基于地理位置的地址分配 ,并构造路 由算法的网络拓扑结构. 本系统采用树形路由结构 , 其好处是可以直接构建基于树的拓扑和转发结构 , 在各种复杂环境下容易发现和维持稳定的拓扑树以 及控制媒质访问和发送时间. 网络节点地址分配过程如下 : ①节点启动后 ,网关节点根据节点布置拓扑决 定通信距离 ,以该通信距离向周围节点广播地址包 , 该地址包中有网关节点地址 ,为拓扑树的根节点 ; ②网关节点通信范围内的节点收到地址包后 , 生成一个 16 位随机码 ,并在一个随机退避时间后将 该码返回到网关节点 ,网关节点收到其各个邻节点 返回的带有随机码的响应包后 ,根据收到时间的先 后顺序对各节点进行地址分配 ,并将带有分配地址 的包发送到各节点 ,各节点收到含有分配地址的包 后 ,采用该地址 ,并向网关节点返回 AC K 包响应 ; ③各已分配地址的节点根据本地地址在一定 时间延迟后 ,向邻节点进行广播. 已分配地址的邻节 点丢弃该广播包 ,未分配地址的则节点生成一个 8 位随机码 ,并在一个随机退避时间后返回到该节点. 该节点收到各返回的随机码包 ,并按照上一步网关 ④如此循环 ,直到所有节点都分配地址. 按照上面步骤操作后[ 2 ] ,可以构建拓扑树如图 3 所示. 图 3 　网络拓扑树 　　在网络节点地址分配后 ,每个节点执行查询功 能以发现邻节点 ,并通过地址对比确定与响应节点 的关系 ,从而建立路由表. 当每个节点的路由表建立 后就进入能量管理模式 ,等待监测事件发生. 由于一些节点可能失效和有新加入节点 ,因此 , 节点需要执行周期性查询过程以更新路由表. 每个 节点必须查询到其父节点才能正常工作 ,否则 ,将一 直查询直到得到其父节点. 3. 2 　路由过程 建立树形拓扑结构的一个好处就是路由算法非 常简单 ,因为节点发送的数据包总是先发送到其父 节点 ,父节点再发送到其父节点 ,最后到达网关节 点. 如图 3 中节点 1. 1. 1. 2 向网关节点 (即根节点) 发送数据包 ,它首先从地址表中查询其父节点1. 1. 1 并向其发送数据包. 然后 ,1. 1. 1 向 1. 1. 1. 2 返回 O K 包 ,并向其父节点 1. 1 转发数据包 ,这样直到数 据包到达根节点 1. 根节点收到数据包后 ,将响应的 AC K 包发送到节点 1. 1 ,节点 1. 1 向根节点 1 返回 O K 包并向节点 1. 1. 1 转发 AC K 包 ,然后 ,将 AC K 包一步一步的返回到 1. 1. 1. 2 节点. 为了评估该算法的时延特性 ,本文进行了仿真 分析 ,采用了 1 000 个节点的网络 ,节点间通信距离 为 100 m ,节点随机采样数据并通过多跳路由发送 到监测中心 , 仿真结果表明其 时延 平均小 于 600 ms ,能够满足实时监测的要求. 4 　结 　论 　　本文针对当前环境监测中面临的监测点分散 、 布线困难和实时性差等特点 ,提出了利用无线传感 器网络对环境进行在线监测的方法. 着重讨论了无 线传感器网络体系结构 、网络节点软硬件设计以及 

2 2 843 武汉大学学报 (理学版) 第 52 卷 网络初始化和配置过程的设计 ,还讨论了基于网络 拓扑树的路由算法. 在环境监测中采用无线传感器 网络 ,可以利用其节点功耗低 、工作时间长 、成本低 、 能自组织地通信以及在危险区域和大面积监测中容 易布置等特点 ,能够实现低成本连续在线监测 ,较传 统在线监测系统具有更大的优势. 参考文献 : [ 1 ] 　石田耕三. 环境监测技术的现状及发展趋势 [J ]. 中国 7. 环境监测 ,2005 ,1 :4 Kozo I. The Present Status and Development Trends of Environmental Monitoring[J ]. Envi ronmental Monito ri ng i n Chi na ,2005 ,1 :4 7 (Ch) . [ 2 ] 　Tubaishat M , Madria S. Sensor Networks : an Over view[J ]. I E E E Potenti als ,2003 ,22 (2) :20 23. [ 3 ] 　Arici T ,Altunbasak Y. Adaptive Sensing for Environ ment Monitoring U sing Wireless Sensor Networks[J ]. I E E E W CN C ,2004 ,5 (1) :2350 2355. [ 4 ] 　Lindsey S ,Raghavendra C S ,Sivalingam K. D ata Gat h eri ng i n S ensor N etw orks Usi n g t he Energ y Del ay Met ric [ C ]/ / Procee di ngs of t he 15 t h I nternational Parallel &Dist ribute d Processi ng S y m posi um . Wash ington D C : IEEE Computer Society ,2001 :188. [ 5 ] 　Szewczyk R ,Mainwaring A ,Polastre J . An Analysis of a Large Scale Habitat Monitoring Application [ J ]. A CM S en S ys ,2004 ,11 :3 5. [6 ] 　崔 　莉 ,鞠海玲 ,苗 　勇 ,等 ,无线传感器网络研究进展 [J ]. 计算机研究与发展 ,2005 ,42 (1) :163 Cui Li ,J u Hailing ,Mail Yong ,et al . Overview of Wire less Sensor Networks [ J ]. J ournal of Com p uter Re search and Development ,2005 ,42 (1) :163 174 (Ch) . 174. [ 7 ] 　Kirousis L , Kranakis E , Krizanc D , et al . Power Con sumption in Packet Radio Networks [ C ]/ / Procee di n gs t he 14 t h A nnual S y m posi um on T heoretical A s pects of of Com p uter S cience. London : Sp ringer Verlag ,1997 : 363 374. [ 8 ] 　Liang W. Constructing Minimum Cast Trees in Wireless Ad Hoc Networks[ C]/ / Proc. A nnu Energy Broad al W orkshop on M obile and A d Hoc N etw orki n g and Com p uti n g. New York : ACM Wireless Networks Press ,2002 :112 122. [ 9 ] 　Wieselthier E ,Nguyen D , Ephremides A. On the Con Efficient Broadcast and Multicast struction of Energy Trees inWirelessNetworks[ C/ OL ] / / Proc I E E E I N FOCOM . 2000 [ 2004 01 ]. htt p :/ / citeseer. ist. psu. 12 e du/ w ieselt h ier00const ruction. html. [ 10 ] Heinzelman W , Chandrakasan A ,Balakrishnan H. En ergy for Wireless Microsensor Networks [ C/ OL ]/ / Proc I nternational Efficient Communication Protocol Con f erence on A coustics , S peech and S i gnal Process i n g 2000 [ 2004 12 01 ]. htt p :/ / w w w. mtl. mit. e du/ research/ ics ys tems/ uam ps/ . Wireless Sensor Net works Based Environmental Monitor System RAO Yunhua1 , DAI Li1 , ZHAO Cuncheng2 , CAO Yang1 (1. School of Electronic Information , Wuhan University , Wuhan 430072 , Hubei , China ; 2. Yichang Testing Technique Research Institute , China Shipbuilding Industry Company , Yichang 443003 , Hubei , China) 　　Abstract : Wit h t he requirement of environmental conservation and monitor ,a wireless sensor networks based online monitor met hod is p ropo sed for t he temperat ure , humidit y and yawp . The peer peer net work architect ure const ruction ,low power node design of system layer and topology t ree based network ini tial and configuration p rocess is adopted in t his system. The geograp hical character based routing algorit hm is also adopted. This system overcomes t he p roblems of network layout complexit y and limited ,data p reci sion ,is highly real time and failure tolerance. Simulation wit h 1 000 nodes and 100 m co mmunication range shows t hat t he delay of monitor data is less t han 600 ms ,which satisfies t he real time requirement of envi ronment monitor. to Key words : wireless sensor networks ; environmental monitor ; configuration ; routing