基于无线传感器网络的广播监测系统设计

文｜王强

基于无线传感器网络的广播监测系统设计

文｜王强

本文设计了基于无线传感器网络的广播监测系统，用于监测目前我们监测系统的盲区，特别是那些气候条件恶劣且政治敏感性强的地区。系统的设计具有一定的实际价值。

无线传感器网络概述

伴随着计算机技术、通信技术和网络技术的发展，以体积更小、价格更低、功耗更低的嵌入式系统结合网络技术，发展出许多新的信息获取和信息处理模式。其中，具有代表性的一个领域就是无线传感器网络（Wireless Sensor Network）。

大量的随机分布的集成有传感器、通信模块和数据处理单元的微小节点组成了无线传感器网络。节点间通过自组织的方式构成网络。它是一种大规模、无人值守、资源受限的分布式系统。节点中可内置多种多样的传感器来测量其周边的环境参数，如温度、湿度、噪声、压力、PH值、COD、光强度、土壤成分、移动物体的速度和方向等，通过网络方式汇集数据，并通过上层网络或在网络之间传输。网络的组网方式及通信方式采用对等和多跳等方式，因此，有的文献也将无线传感器网络定义为以Ad hoc方式构成的传感器无线网络，其目的是合作地感知、采集和处理无线网络覆盖的地理范围内被感知对象的信息，并发布给观察者。

无线传感器网络是继互联网后，将会对人类的生产生活方式产生重大影响的综合技术，互联网改变了人与人之间的通信、交流和沟通方式，而无线传感器网络的出现将把信息世界与物理世界融合在一起，将会改变人与自然的交互模式。无线传感器网络为社会带来不可估量的效益，因此它得到了广泛的关注，同时也引发了无线传感器网络的研究热潮。

无线传感器网络的性能评价

1. 生命周期

无线传感器网络的生命周期是指从网络启动运行开始到不能为观测者提供所需要的信息为止所持续的时间。

2. 时间延迟

无线传感器网络的延迟时间是指当观测者发出申请到其接受到网络的回答消息所需要的时间。

3. 能源的有效性

无线传感器网络的能源有效性指的是该网络在有限的能源条件下能够处理的观测者请求的数量。能源有效性是无线传感器网络的重要性能指标之一。

4. 感知精度

无线传感器网络的感知精度指的是观测者接收到的感知信息的精度。感知精度受传感器的精度、信息处理方法、网络通信协议等的影响。感知精度、能量损耗和时间延迟之间有密切的关系。

5. 容错性

由于环境等原因，物理地维护或者替换掉失效的传感器往往十分困难，有时甚至是不可能完成的。正因为如此，需要无线传感器网络的软硬件必须具有很强的容错性，以保证系统具有较高的健壮性。

6.可扩展性

无线传感器网络的可扩展性表现在感知精度、时间延迟、生命周期、传感器数量和网络覆盖区域等方面的可扩展极限。对于给定的可扩展性级别，无线传感器网络必须提供支持该可扩展性级别的方法和机制。

无线传感器网络的特点

无线传感器网络具有以下几方面的特点：

1. 大规模、密集分布

人们通常在被监测区域内部署大量的传感器节点来获取物理世界的精确信息。传感器节点的数量可能是成千上万个，或许更多。通过分布式处理大量采集的信息能够提高监测的精确度，降低对单个传感器节点的精度要求；大量冗余节点的存在强化了系统的容错能力；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少盲区或洞穴。

2. 电源能力的局限性

无线传感器网络中，电池给传感器节点供电，而且电池的容量一般不很大。其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或者更换电池；一旦传感器节点的电池电量用完，该节点也就失去了作用，也就是节点失效。因此，在无线传感器网络设计过程中，任何技术和协议的选择和修改都要以节能为首要条件，以提高网络的使用寿命。

3. 动态拓扑

无线传感器网络是一个动态的网络：一些节点可能因工作需要而被添加到网络中；一些节点可能会因为环境因素、电池电量耗尽或其他故障失效，而退出网络。这些都会导致网络拓扑结构随时变化，因此无线传感器网络应该具备动态拓扑组织功能。

4. 多跳路由

网络中各节点间的通信距离一般在几十到几百米的范围内，节点直接的通信对象是与其相邻的节点。如果想要与节点射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要中间节点作为路由。无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有设置专门的路由设备。这样，每个节点既可以是信息的发起者，又可以是信息的转发者。

5. 自组织网络

在无线传感器网络应用中，通常情况下传感器节点是通过飞机散播到面积广阔的地区中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。所以，不能预先精确设定传感器节点的位置，也不能预先知道节点之间的相邻关系。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行管理和配置。无线传感器网络的自组织性还要求能够适应网络拓扑结构的动态变化。所谓自组织就是，网络的部署和展开无需依赖任何预设的网络设施，节点通过网络协议和拓扑控制机制协调各自的行为，节点开机后就可以自动而快速地组成一个独立的监测网络。

6. 有限的硬件资源

由于受到体积、功耗和价格的限制，节点的内存空间、程序空间和计算能力要比普通的计算机在功能上要弱很多。这就要求，在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。

7. 以数据为中心的网络

由于传感器节点大都是随机部署的，构成的网络和节点编号之间的关系是动态的，表现为节点位置和节点编号没有直接的关系：无线传感器网络中的节点采用编号标识，节点编号不需要全网唯一。由于传感器节点是随机部署的，节点编号与节点位置之间的关系是完全动态的，没有必然联系。用户查询事件时，不是通报给某个确定编号的节点，而是直接将所关心的事件通报给全网。这是一种以数据本身作为查询或者传输线索的思想。所以，人们通常说，传感器网络是一个以数据为中心的网络。因此需要节点进行数据融合、聚合、压缩和缓存等处理。

基于无线传感器网络的广播监测系统设计

1. 无线传感器网络与现有监测系统的关系

原有的监测系统由三部分组成：数据处理中心、直属监测台和遥控站点（短波遥控站和中波数据采集点）。无人值守的遥控站点是监测系统的基础。它们对当地播出的中短波广播进行24小时不间断地质量和效果监测。其间，它们接受数据中心或直属监测台的控制指令，并把监测结果回传给数据中心或直属监测台。直属监测台是监测系统承上启下的中枢，一方面它负责所辖区域的遥控站和采集点的管理和维护，另一方面直属监测台还负责汇总和统计分析所辖区域的频谱数据及广播质量和效果数据，并上报数据处理中心。数据处理中心是监测系统的核心，它负责汇总、统计和分析各直属监测台上报的广播质量及效果数据资料，完成分析报告后上报有关部门。

原有监测系统覆盖了全国大部分重要省市，为监测广播质量和效果作出了重要贡献。但是由于我国国土面积大的国情，我们所部署的有限的遥控站和采集点不能覆盖全国，特别是对一些气候条件恶劣且政治敏感性强的地区（如新疆地区和西藏地区）缺乏更有效的监测，尤其是在特殊的政治敏感时期。这种时候需要派出专人进行流动收测。流动收测需要专人、专车和专用设备。这种方法费时费力，且人员外出有一定风险。而无线传感器网络可有效的解决这一问题。更重要的是，流动收测只能收测一个点，而无线传感器网络可以进行多点收测。因此，在原有监测系统中引入无线传感器网络，用于在敏感时期加强对气候条件恶劣且政治敏感性强的地区的监测，是十分重要的。引入无线传感器网络的监测系统如图 1所示。

2. 广播监测系统的无线传感器网络体系结构

广播监测系统的无线传感器网络结构如图 2所示，传感器节点经多跳转发，把广播录音文件传送给直属台或者数据处理中心，系统构架包括传输介质（Internet或卫星通信）、直属台或数据处理中心、分布式无线传感器节点群和汇集节点。节点通过飞行器撒播或人工埋设的方式任意散落在被监测区域内。传感器网络是核心部分，在感知区域中，大量节点的通信方式是自组织网络，并且每个节点都具有定位、动态搜索和恢复链接的能力，传感器节点将接收到的广播录音文件传送给直属台或数据处理中心。数据传送的过程是通过相邻节点接力传送回汇集节点，然后通过汇集节点以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给直属台或数据处理中心。

3. 广播监测系统的无线传感器网络节点结构

广播监测系统的无线传感器网络的基本功能单元是节点，其结构如图 3所示，主要包括收音模块、数据处理和控制模块（微处理器、存储器）、无线通信模块和供电模块四个部分。收音模块负责监测区域内的广播信号的采集和数据转换；数据处理和控制模块负责控制整个传感器节点的操作，微处理器负责协调节点各部分的工作，通常选用嵌入式CPU，可选用Motorala的68HC16，ARM公司的ARM7、ARM9或Intel的80x86等；由于需要进行较为复杂的任务调度与管理，系统需要一个微型化的操作系统，可采用的嵌入式操作系统有TinyOS、uCOS-II和嵌入式Linux等数据传输模块主要由短距离、低功耗的无线通信模块组成，负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据，可采用RFM公司的TR1000等；供电模块为传感器节点提供正常工作所必需的能量。

结论

本文把无线传感器网络引入到现有的广播监测系统，可用于监测目前我们监测系统的盲区，特别是那些气候条件恶劣且政治敏感性强的地区。因此，此系统的设计具有一定的实际价值。

国家广播电影电视总局广播电视监测中心数据中心）