| 基于移动通信公网和无线传感器网络的水情遥测系统层次设计 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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俞 弦 , 徐立中 , 王慧斌
（河海大学计算机与信息工程学院，江苏 南京 210098）
摘 要：引入近年来迅速发展的无线传感器网络技术，提出了将无线传感器网络和移动通信公网应用到水情遥测中的设计思想。在此基础上，提出了基于移动通信公网和无线传感器网络的水情遥测系统的功能层次划分图，对该遥测系统的通信协议设计进行了初步设计，并就遥测系统的优势和有待改进的地方做了详细的分析和描述。 关键词：水情遥测；无线传感器网络；移动通信网；层次设计；多传感器管理
0 前言 根据我国流域水文水资源特点和供用水特征，基于目前流域所面临的水资源短缺和污染问题，需要研究和开发流域水资源实时监控管理系统 [1]，而目前我国对现有水资源遥测技术的应用还有所欠缺。研制流域水资源遥测系统的主要目的是：节水、防污、提高水资源利用效率和最终实现水资源的可持续利用，通过水资源信息的实时采集、快速传输，及时提供水资源决策方案，以及快速给出方案实施情况的评估结果等，以确保实现水资源的统一、动态和科学管理，实现“防洪与兴利”、当地水与外调水、水质与水量、优质水与劣质水之间联合调度、管理的信息化和现代化，确保水资源与社会经济、生态环境之间的协调发展。
1无线传感器网络技术 随着传感器技术、嵌入式芯片技术和无线网络技术的发展，传感器网络作为一种先进的、无处不在的计算平台出现了，这标志着后PC时代的到来[2]。无线传感器网络(WSN)综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协同地实时监测、感知采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，传送给需要信息的用户。如果说国际互连网（internet）是一个获取数字信息的强大网络，那么，无线传感器网络无疑是一个获取真实物理环境模拟量的强大网络，能够有效而又成本低廉地探知危险、偏远、复杂环境地区的信息，是一个获取宏观变化规律的工具。无线传感器网络体系主要由传感器节点、汇聚节点和任务管理节点组成，结构如图1所示。与传统的无线通讯网络相比，WSN有几十、几千，甚至上万个节点，是一个采用无线通讯方式的、动态组网的多跳的移动对等网络。
其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。虽然此网络中各个节点的能量、通讯能力和计算存储能力十分有限，但也有很多优点： 目前无线传感器网络技术的应用研究已经遍布各个行业、领域，已经从军事上的应用，拓展到在矿山、交通、环境检测和预报等各项民用行业的应用。 本文正是利用了无线传感器网络能有效地工作于偏远、复杂地区这一特点，解决了在水资源遥测中难以克服的环境复杂、偏远等问题。
2 基于移动通信公网和无线传感器网络的水情遥测系统体系结构 随着经济的迅速发展，其对环境破坏日益严峻，近20年来国家不断增加对水情监测的投资，特别是在各流域中建立了一些国家级、省级、地市级水文、水情监测站、点。以流域水环境质量监测站为例，全国水环境质量监测站网分4级控制，分别为：国控测点、省控测点、市控测点站和县级测点。省控以上地表水监测网络共有：1868条河流、182个湖泊和440个水库，共设置监测断面9000多个；国家地表水监测网络由260个重点监测站组成，监测250条河流、18个湖泊和10个水库，监测断面759个。目前已初步形成水质自动监测能力，其中国家投资建设的有82个，地方投资建设79个，总数已达161个[3]。 面对如此庞大的流域监测网络，我们面临如何有效的获取流域信息，保证最终决策的准确性、全面性，进而形成一个对各种信息进行全方位地，联合地获取、分析，并最终为决策提供有力支持的网络的问题。 针对这个问题，结合无线传感器网络和移动通信网络的突出特点，提出了将无线传感器网络结合移动通讯网络技术应用到流域监测中的思想，并给出了一个初步的应用系统协议构架。系统体系结构示意图如图2所示。
（1）SENSOR信号采集层： 在系统的最底层，SENSOR信号采集层中，通过对原有各级，各种应用的水文监测站、检测点加装与无线传感器网络协议相匹配的无线通讯模块和A/D、D/A模块，可将他们变成整个无线传感器网络中的一个个节点。所有的节点通过自组织形成一个个的簇，每个簇又根据相应的LEADER选择算法，得到具体时段的簇LEADER节点负责本簇内所有节点与外界的通信工作。 （2）移动通讯网络层及用户：当簇LEADER收集完毕本簇待传的信号后，借助移动通讯网络中的基站（BS）将处理过的信息发送到广域网中，然后整个流域、或者是更高级别的指挥中心、移动监测点，甚至是各个移动台就能够根据自己获得的权限，对流域的信息进行读取，或者管理、设置各个监测点的检测参数。 在一些偏远的山区，通讯工具十分有限的地方，传统的信号采集传输很难实现，更不用说长时间地、多点地监测了。而在本系统中，将移动通讯网络层接入广域网，借助于移动通讯网络，将信号转发到广域网供用户查询。而移动通讯网络在中国已经十分成熟了，如GSM网络几乎覆盖了90%的中国地区，这样就可轻易地覆盖以前很难获得数据的流域地区。 接入移动通信网络的方法有很多，如短消息业务（SMS）、GPRS等等。SMS应用在水文信息采集中,经过1 年(2002 年) 多的使用及发送成功率实时性实验,发送成功率实验结果[4]见表1。 从表1可以看出，其中每天定时发送6
次，全年发送成功率在98%以上。可见，以此方法接入广域网还是十分可行的。当然，
GPRS，CDMA等也可以有效的通过移动网接入广域网。 表1 发送成功率实验结果表
3水情遥测系统的通信协议设计 3.1基于移动通信公网和无线传感器网络的水情遥测系统层次设计
基于移动通信公网和无线传感器网络的水情遥测系统的功能层次划分见图3。图3中每个传感器节点采取根据具体流域特点改进的无线传感器协议。包括应用层（初步的数据融合、信号处理等）、运输层（负责与外界的数据传输）、网络层（路由的发现与维护）、数据链路层（MAC等）、物理层（信号接受、调制、解调）[5]。被测环境，在此即流域，而敏感元件，则代表个监测点的信号采集器件。同时作为簇LEADER，还必须与簇中其他的节点通过无线通讯的方式保持连接。中间为传输过程，即图2中的移动通讯网络层（BS、广域网等等），在整个应用中应始终保证此过程处于透明的状态。
图3 流域水情遥测系统的功能层次图
在指挥中心，也就是在传输过程之上的所有部分，主要负责对数据的查询、融合、决策，以及依据决策对监测传感器的各个参数进行管理。根据具体的分工，数据查询层分为归一化逻辑存储区和各个查询代理，他们将用户的查询指令归一化后通过各个流域段的代理传送到节点，然后从中获取需要的信息。然后，在数据融合层中将得到的信息依据决策所需进行融合，再将结果递交到决策层，最后决策层以此为依据，对流域的情况进行判断，并做出各种预测、决策等。多传感器管理层根据决策的结果和需要，再对各个区域传感器的各项参数进行设置，从而满足下一步的监测需求。同样这些指令也通过传输网络到达LEADER节点，再由LEADER节点根据自己的具体情况在本簇内执行。 以此协议为基础的系统实现具有很强的可行性，在现有流域中要实现本系统，只需对现有的监测点稍做升级即可。在其中加入通讯和数据采集模块。成本低廉，也容易实现。并且具有以下优势： （1）大大加强了整个监测系统的鲁棒性和可拓展性。改进后的节点采用的是自适应组网、维护路由的算法，这也就意味着，可以根据流域监测的需要任意地增、减监测点的数量。并且在遇到特殊情况造成部分节点毁坏的情况下，整个网络仍然可以基本不受影响的运作（信号采集、通讯）。 （2）在节点应用层中增加了信息融合技术，以及簇技术的应用。有效地在底层网内消除了大量布置监测节点带来的冗余信息，与原来的通讯方式相比，大大减小了系统长时间大范围监测活动对无线通讯网络带来的压力。 （3）层次设计中使用的大部分监测节点的前身都是水文站点和各监测站点，往往有比传统无线传感器望路中节点庞大得多的能量供应体系，即减少了能量对本系统中节点工作的束缚。所以可以通过在流域中少量节点加装GPS,再通过WSN的定位算法实现对全流域大部分节点的精确定位，从而为下一步的决策过程的准确性提供了极大的保障。 （4）多传感器管理技术的应用，使得系统可以依据决策结果，或者根据具体需要灵活地对各个监测节点的各个参数做出实时的调整，这在提高节点监测灵活性的同时，也使得系统能够满足各种流域信息监测的要求，进一步拓展了系统的应用范围。
（5）在流域检测系统的功能层次图中，可以清楚的看到，在用户功能中有一个数据查询层，它能提供一种快速的数据查询方法，通过SENSOR
PROXY，数据查询过程更有针对性，同时也大大提高了用户对流域具体段信息查询的速度，即提高了整个系统的反映能力。 3.2数据查询层设计 3.2.1结构功能 在对协议层的设计中，考虑到流域水情监测的数据量十分大的问题，为了保证查询、传输效率，针对本系统的特性，将用户的数据查询层分成多个节点代理（Sensor Proxy）和归一化存储单元（Unified Logical Store）两个部分。这样的查询层设计是以Sensor Proxy（传感器代理）为核心的。
如图4所示，它的基本工作方式是将远程传感器（remote sensor）采集的当前数据和原始数据以索引（index）的方式存储在代理的Summary Cache中。同时，代理中的预测引擎（Prediction Engine）会依据对Remote Sensor采集的数据的分布规律性来形成一个MODEL，这个MODEL可以预测下一步的数据的情况。这样查询指令很方便的从MODEL的推断中得到结果。 在整个查询过程中间，移动通信网络层都是透明的。 3.2.2查询过程 查询过程如下：当Sensor Proxy接受到通过归一化单位处理过的上层查询指令，Proxy会检查在本Proxy的Cache中是否有匹配的数据摘要，若有，则引导从Remote Sensor中取得相关处理过的数据（压缩）。若是不存在，则先看是否能从Cache的数据中推出合适精度的数据（通过Prediction Engine），如果还不行，则会通过从其他Proxy或者Remote Sensor中调用数据来回复这个查询。 3.2.3查询的高可靠性 数据查询的高可靠性是主要是通过Model-driven push approach来实现的。由前面的介绍可以知道，Proxy中的查询引擎创建了一个数据和预测参数之间的MODEL，在一般情况下是通过MODEL的预测来回复查询指令的。而设计中Remote Sensor通过对比采集的数据与MODEL的参数，可以检测出MODEL的出错，这时，Remote Sensor就独立的将这个时刻的数据传到Proxy中，来弥补MODEL的错误。 另外，在Prediction Engine中的预测机制中，能通过保证回复查询指令，一个足够精确度的数据的方法来检测出是否出错，如果不存在足够精确的回复查询指令的数据，则代表 Proxy中一定存在错误，可能是上面提到的Remote Sensor都没有发现的，这样就保证不至于在错误发生的时候，仍然默认MODEL中的预计结果。 3.2.4通信协议的要求 通过以上两层的纠错保障，此协议的数据查询可靠性就能够保证在比较高的级别了。但同时也对传感器和协议中的计算过程有一定的要求：（1）Remote Sensor被要求能够在MODEL出错时，能支持一个小的能检测获取的数据是否与MODEL中数据一致的程序运行； （2）MODEL必须能有力获取传感器数据规律信息的统计数据； （3）要求Remote Sensor和Proxy都必须有一定的存储能力，特别是后者，必须足够大；（4）传感器在资源有限的条件下，尽可能简单，高效的运行（具有高可调性，且完全服从Proxy的控制）。 4 结语 从宏观的角度来看，传感器网络作为一种任务型网络[6] 和移动通讯网络的结合，有效地将各个级别、各种用途的流域监测点组成了一个综合网络，获得的信息被作为一个整体来处理，这样可提高信息的全局性和准确性。各种信息相互支持，也拓展了监测网络的决策应用范围。该系统的特点是利用实时采集各被监测区域的水情数据，进行存储、分析，利用强大的网络功能，实现了信息通畅、资源共享，提供大量准确的水文数据，从而为各级管理部门的决策提供了可靠的科学依据[7，8，9]。 但是，此系统协议也存在一些待解决的问题。首先，在GSM等无线网络不能覆盖的地方本系统就无能为力了，因此，应当考虑这个问题的解决方法，如，在这些地区的应用改用卫星信号等其他方法接入广域网。 由表1可以看到，SMS 发送失败主要集中在节假日，网络拥塞所致。也就是说，本系统避免不了在某些特殊时段会遭到网络拥塞的影响。如何在受到网络拥塞的时候保证通讯的顺畅也是我们必须要解决的问题之一。 可见，怎样通过对协议的完善，得到更多、更强大的功能，最大限度的发挥网络内信息融合的优势，提高网络整体的传输效率，都值得我们进一步的来研究。
参考文献 [1] 孟伟,苏一兵,郑丙辉. 中国流域水污染现状与控制策略的探讨[J]. 中国水利水电科学研究院学报, 2004( 04). [2] 孙利民,李建中,陈渝，等. 无线传感器网络[M]. 北京: 清华大学出版社,2005. [3] 谢新民,蒋云钟,闰继军,等. 流域水资源实时监控管理系统研究[J]. 水科学进展. 2003,14(3). [4] 曾凡智,李凤保. 基于GSM的网络化传感器系统[J]. 传感器技术. 2004,23(4). [5] Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs). IEEE Std 802.15.4™-2003. [6] 王鸿彦. 基于有限能量的无线传感器网络协议研究. 硕士论文, 河海大学, 南京, 2005. [7] 孙增义. 水情自动测报技术基础及其应用[M]. 北京: 中国水利水电出版社,1999. [8] 徐立中, 杨锦堂. 水文自动测报系统的体系结构研究[J]. 河海大学学报, 1998, (26)4: 20-23. [9] 黄凤辰, 严锡君. 水情遥测系统中心站数据收发设备的研究[J]. 工业控制计算机,2002（9）..
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