基于无线传感器网络的水资源监测系统关键技术研究

'计算机与现代化
2010年第8期JISUANJIYUXIANDAIHUA总第180期文章编号:1006
2475(2010)08
0085
04基于无线传感器网络的水资源监测系统关键技术研究12赵丽花,樊俊青(1.南京铁道职业技术学院通信工程系,江苏南京210015;2.中国地质大学计算机学院,湖北武汉430074)摘要:随着无线传感器在军事和工业领域的应用不断扩大,其作用也越发突出。本文结合青藏高原水资源环境监测系统工作的特点,重点分析无线传感器在随机部署时所面临的连通性覆盖问题,并提出相应的解决措施,为传感器网络的随机部署应用提供理论依据。关键词:无线传感器;水资源监测;覆盖算法;连通性中图分类号:TP393


文献标识码:A


do:i10.3969/.jissn.1006
2475.2010.08.024ResearchonKeyTechnologyofWaterResourcesMonitoringSystemBasedonWirelessSensorNetworks12ZHAOLi
hua,FANJun
qing(1.DepartmentofCommunicationEngineering,NanjingInstituteofRailwayTechnology,Nanjing210015,China;2.SchoolofComputer,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)Abstract:Withtheapplicationofwirelesssensorexpandingunceasinglyinthemilitaryandindustryfields,itseffectisoutstand
ingevenmore.CombiningwithQinghai
TibetPlateauwaterresourceenvironmentalmonitoringsystem,thispaperfocusonthea
nalysisofconnectivitycoverageproblemintherandomdeploymentofwirelesssensor,andgivessomesolutions.Itprovidesthebasictheoryforstochastic
deployedapplicationinwirelesssensornetworks.Keywords:wirelesssensor;waterresourcesmonitoring;coveringalgorithm;connectivity体的行业特点进行有机的部署和配置。0
引
言无线传感器网络的研究起步于20世纪90年代1
基于WSN的水资源监测系统的系末期,它是一组传感器以AdHoc方式构成无线网络,统框架和关键技术其目的是以协作方式采集和处理网络覆盖地理区域1.1系统框架中需感知的对象信息并发布给监控者。目前它已经在世界上我国属于水资源贫乏国家,对水资源的被开发应用于环境监测、交通管理、危险区域监测、海优化使用对我国实施可持续发展战略具有十分重要岛野生动物跟踪、民用和工程设施的安全性监测等方[1
2]的意义。强化对水资源环境的监控是一个长期的任面,具有十分广阔的发展前景。务。常规水资源环境监测方法主要分为以下两种:近年来全球地质灾害处于高发阶段,各类自然灾(1)利用便携式水质监测仪人工采样、实验室分析的害给人类造成巨大的生命和财产损失。及时感知和方式。该方式仅限于对河流、湖泊的几个断面采样,预报灾害的发生时间,给政府和决策部门提供科学的采样频率从每月数次到每日数次。(2)采用由一个数据是摆在人们面前的难题。由于传感器网络固有中央控制室和若干个监测子站组成的水环境自动监的特点,使得它有别于传统的无线网络应用。因此在测系统对水环境参数进行自动连续监测,数据远程自应用中不能简单地照搬其它的应用模式,必须结合具收稿日期:2010
03
15作者简介:赵丽花(1964
),女,江苏南京人,南京铁道职业技术学院通信工程系高级通信工程师,学士,研究方向:移动通信,计算机网络与通信系统;樊俊青(1973
),男,湖北汉川人,中国地质大学(武汉)计算机学院讲师,硕士,研究方向:无线传感器网络,并行与分布式计算,地理信息处理。
86计
算
机
与
现
代
化2010年第8期[3]动传输,可以实时查询所设站点的水环境参数。与融合等技术,由于篇幅限制,本文重点对无线传感前者由于无法对水环境参数进行远程实时监测,存在器网络覆盖关键技术进行分析研究。水质监测周期长、劳动强度大、数据采集速度慢等问由于每个传感器节点的传感范围十分有限,为了题,不能很好地反映水环境的连续动态变化,不易及早对每个小水域的物理参数进行精确检测,需要按照一发现污染源并预警。后者能很好地解决水质监测周期定的覆盖算法在小水域的三维空间内布置传感器节长、劳动强度大、数据采集和传输速度慢等问题,但由点,对每个水域进行节点的初始多点密集部署和重要于有铺设电缆和建立监测子站的施工要求,因而存在监测区域的多传感器的多重覆盖是湖泊湿地水环境对监测地点原有的生态环境影响大、系统投资成本高、监测的基础。监测水域范围有限的缺点,同时无法进行大面积布设在高原水环境监测应用中,湿地的整个水环境被监测子站、对每个小水域实施多点远程实时监测。分割为大量在地理上分布较广、形状不规则、面积大基于无线传感器网络的水资源实时监测系统,比小不一、相对独立的局部小水域,水域的面积和深度较典型的国外代表有美国Heliosware公司的EMNET易受季节、气候、人为干扰等因素的影响而变化,具有[4
5]系统和澳大利亚CSIRO的Fleck系统。上述两种明显的动态性,这就要求传感器网络子网的拓扑结构系统可采集参数种类较少、不提供对水资源的视频监的变化程度更剧烈,因此需对每个小水域的传感器节测功能且通信速率低、产品体积较大、功耗较高,目前点进行动态调整。因此本系统重点解决随机部署情仅适合用作研究,尚不能作为实用系统在现场使用。况下的连通性问题。而在随机部署条件下,一定区域国内已对基于无线传感器网络的水资源实时监测系内的节点数量、探测半径要满足一定的关系才能组成[6]统的一些关键技术进行了研究。与传统的监测方性能优越的网络。如果节点数量过少,会形成网络碎法相比,无线传感器网络具有对生态环境影响小、系片,不能保证组成的目标网络连通;如果部署的节点统成本低等优点。过多,会造成冗余信息量过大,不利于网络的自调整、为此笔者设计一套适应高原地质条件的水环境信息传输和能量节省。因此,无线传感器网络的随机监测系统,该监测系统的主要功能包括:部署技术对保证网络连通性和覆盖度、网络服务质量(1)由分布在高原湖泊湿地小水域的传感器节以及网络生命周期有着重要影响。点采集水环境参数;由于监测环境的多样性,除了遇到上面介绍的典(2)通过基站传输数据到中央控制室的数据中型无线传感器网络配置问题外,也可能会面临其它形心来进行实时处理与分析;式的无线传感器配置问题。为此系统可以添加一些(3)远程终端用户通过Internet实现对监测地全其它的部署措施。例如,不必要求传感器节点间彼此天候的实时监测,并对污染等突发事件和环境急剧变通信。相反,每个传感器可直接和一个位于所有传感化所影响的水域的水环境状况实时报警,为水环境污器通信半径范围内的基站通信。还有一种情况就是染和破坏的防治提供决策支持。该监测系统部署框传感器是可移动和自我配置的无线传感器。移动传架如图1所示。感器集合可以部署到一个未知的和有潜在危险的环境中。根据初始的配置,这种传感器可以重新确定位置以便实现未知环境的最大覆盖。它们再将采集到的信息发给感应环境外面的一个基站。2
对随机部署连通性问题的研究2.1常规连通性覆盖算法的不足最近几年,很多学者从不同的角度对一定区域内随机部署无线传感器网络的连通性问题进行了研[7
8]究,文献[9]证明了计算最大的覆盖集是一个NP图1
基于WSN的水环境监测系统部署图完全问题。文献[10
11]利用圆周覆盖技术,在确定1.2关键性技术性部署情况下,推导出k=1时所需最少节点数量和针对高原湖泊水环境远程实时监测的大范围应其它参数的关系为:2用,需要综合软测量、无线传感器网络、智能信息处理NN/(nminr
)=2
/27
2010年第8期赵丽花等:基于无线传感器网络的水资源监测系统关键技术研究
87但其适用于确定性部署而非随机部署的情况。文献点。集中式算法初始节点随机选择构成M集合之[12]设计了一种基于目标区域Voronoi划分的集中后,在所有从初始节点集合出发到候选节点的路径中式近似算法(CentralizedVoronoiTessellation,CVT),选择一条可以覆盖更多未覆盖子区域的路径,并将该用于计算完全覆盖目标区域所需的近似最小节点集,路径经过的节点加入M。该算法一直执行到网络查在时间复杂性和连通覆盖集大小方面都优于已有的询区域可以完全被更新后的M覆盖为止。如图2所贪婪算法,但是没有给出参数之间的近似关系式。文示为该贪婪算法执行的方式,在图2(a)中,贪婪算法献[13]通过建立覆盖模型:会选择路径P2,这是由于在所有备选路径中选择B3kc=c(pi)=(1-(1-sj(pi)))和B4组成的路径P2可以覆盖更多未覆盖子区域,i=1如图2(b)所示。研究了网络的覆盖率,指出覆盖算法对节能、网络性能等有重要影响,但没有给出节点数量、区域、探测半径的有效计算式。2.2三维空间覆盖算法Huang和Tseng提出了一种基于传感器数目的[14]多项式时间算法,将覆盖问题抽象表述为一个决策问题,并验证了一个传感器配置是否提供了k阶覆盖。该算法的目标就是确定无线传感器网络服务区域中的每个点是否至少被k个传感器节点监视覆盖。图2
贪婪算法执行路径传感器的感应范围可以是单位圆,也可是非单位圆。该连接传感器网络覆盖的贪婪算法的主要思想这种算法可方便地用到传感器网络的分布式协议当是:首先从M中最新加入的候选节点开始执行,在一中,每个节点只需收集本地信息做出自己的决策。另定范围内广播候选路径查找消息,收到候选路径查找外,该算法不需确定每个位置的覆盖,而是尽量看每消息的节点判断自身是否为候选节点,如果是,则以个传感器感应范围的周界是如何被覆盖的,这样最大单播方式返回发起者一个候选路径响应消息。发起的优点就是得到了多项式时间的算法,降低了算法的者选择可以最大化增加覆盖区域的候选路径,更新各计算复杂度,即O(ndlgd),其中n为传感器节点数参数,算法继续执行,直到网络查询区域可完全被更目,d为和一个传感器感应范围交叉的最大传感器数新后的M所覆盖。该算法的优点主要有以下几点:目。只要传感器的周界被充分覆盖,则整个区域就能(1)节点传感区域模型可以是任意凸形区域,更够被充分覆盖。因此这种算法适合于下面几种无线加符合实际环境。传感器网络应用,包括定位应用、要求较强的环境监(2)可以灵活地选择使用集中式或分布式方式测功能的应用场合及要求严格的容错功能的传感器来实现。网络应用。该文献通过与节点数相关的多项式有效(3)在保证网络覆盖的同时,考虑了网络的连接算法,解决了二维平面的无线传感器网络的覆盖问性,算法周期执行降低了网络通信代价,并可以延长题。两者最大的不同就是将无线传感器网络的节点网络的寿命。感应区域建模成一个球体(不一定是相同的半径),但是该算法也还存在以下主要缺点:并将覆盖问题推广到三维空间来解决,最终得到了可(1)虽然同时考虑了连通性与网络的覆盖性,但行的多项式求解算法。不能保证查询返回结果的精度;结合上述算法,也可以通过选择连接的传感器节(2)没有考虑实际无线信道中出现的干扰和消点路径来得到最大化的网络覆盖效果。该算法同时息丢失情况。属于连接性覆盖中的连接路径覆盖及确定性区域/点3
结束语覆盖类型。当基站或汇聚中心向无线传感器网络发送一个感应区域查询消息时,连接传感器覆盖的目标综上所述,可以得出无线传感器网络覆盖的一般是选择最小的连接传感器节点集合并充分覆盖无线准则:如果已知传感器节点的通信距离,可以通过本传感器网络区域。Gupta分别给出了集中与分布式文中提出的方法得知所需配置的节点数,然后选择适两种贪婪算法。假设已选择的传感器节点集为M,剩当的感知覆盖半径;如果已确定传感器感知覆盖半余与M有相交传感区域的传感器节点称为候选节径,可先计算出布置的节点数,然后选择合适的通信
88计
算
机
与
现
代
化2010年第8期距离或调整控制传感器节点功率大小;如通信距离和protocolforwaterenvironmentmonitoringinwetlands感知覆盖半径都确定的情况下,只有增加或减少节点[C]//InternationalConferenceonInnovative,Computing,Informa
tionandContro.l2006:251
254.数来满足给定的最低连接可靠性和成本设计要求。[7]
EguerdichianMS,KushanfarF,PtkonjakM.Coverageprob
本文基于无线传感器网络,结合软测量、智能信lemsinwirelessAdHocsensornetworks[J].IEEETransac
息处理等技术对湿地的水环境质量进行远程实时动tionsonMobileComputing,2005,54(1):84
92.态监测,并对其中的连通性覆盖问题进行了研究。这[8]
任彦,张思东,张宏科.无线传感器网络中覆盖控制理论些关键技术可扩展基于无线传感器网络的远程实时与算法[J].软件学报,2006,17(3):422
423.监测系统的检测参数种类,并提高其检测精度。[9]
SlijepcevicS,PotkonjakM.Powerefficientorganizationofwirelesssensornetworks[C]//Proc.oftheIEEECon.fon参考文献:Communications.2001,2:472
476.[1]
任丰原,黄海宁,林闯.无线传感器网络[J].软件学报,[10]WilliamsR.TheGeometricalFoundationofNaturalStruc
2003,14(7):1282
1291.ture:ASourceBookofDesign[M].NewYork,USA:Dover[2]
AlanMainwaring,JosephPolastre,RobertSzewczyk,eta.lPublications,1979.Wirelesssensornetworksforhabitatmonitoring[C]//ACM[11]徐强,汪芸.容错节能无线传感器网络中可靠覆盖问题InternationalWorkshoponWirelessSensorNetworksand的解决方案[J].软件学报,2006,17(1):184
191.Applications(WSNA!02).2002:88
97.[12]蒋杰,方力,张鹤颖,等.无线传感器网络最小连通覆盖[3]
武万峰,徐立中,徐鸿.水质自动监测技术综述[J].水集问题求解算法[J].软件学报,2006,17(2):175
184.利水文自动化,2004,22(1):14
18.[13]JunLu,SudaT.Coverage
awareself
schedulinginsensor[4]
EmNetLLC.Technology[EB/OL].http://www.heliosware.networks[C]//ProceedingsofIEEECCW!03.California,com/technology.htm,l2008
01
16.USA:IEEEPress,2003:117
123.[5]
TheCSIROICTCentre.WirelessSensorNetworkDevices[14]HuangCF,TsengYC,LoLC.Thecoverageproblemin[EB/OL].http://www.ict.csiro.au/page.phpcid=87,three
dimensionalwirelesssensornetworks[C]//Proceed
2008
01
16ingsofGLOBECOM.Dallas:IEEEPress,2004:3182
3186.[6]
PengJiang.Researchonwirelesssensornetworksrouting(上接第73页)2006,2:126
130.[6]
NakataN,SuzukiN,FukudaY,eta.lAccessibleWeb
based[10]MinsooLee,GwanyeonKim,SehyunPark,eta.lEfficientcollaborativetoolsandwirelesspersonalPACS:Feasibility3G/WLANinterworkingtechniquesforseamlessroamingofgroupworkforradiologist[J].IntCongrSer,2004,1268:serviceswithlocation
awareauthentication[J].Lecture260
264.NotesinComputerScience,2005,3462:370
381.[7]
KimDK,YooSK,KimSH.Instantwirelesstransmission[11]ChitprasertB,RaoKR.Humanvisualweightedprogressiveofradiologicalimagesusingapersonaldigitalassistantimagetransmission[J].IEEETansCommun,1990,38(7):phoneforemergencyteleconsultation[J].JTelemedTele
125
132.care,2005,11(S2):58
61.[12]YooSK,KimSH,KimNH,eta.lDesignofanemergency[8]
YamadaM,WataraiH,AndouT,eta.lEmergencyimageteleradiologysystembasedonprogressivetransmission[J].transfersystemthroughamobiletelephoneinJapan:Tech
YonseiMedJ,1995,36:426
437.nicalnote[J].Neurosurgery,2003,52:986
988.[13]DebabrataNayak,PhatakDB,GulatiVP.InformationSecu
[9]
LassabeF,CanaldaP,CharletD,eta.lRefiningWiFiindoorrityPracticeandExperience[M].SpringerBerlin/Heidel
positioningrenderspertinentdeployinglocation
basedmulti
berg,2005:25
35.mediaguide[C]//Procs.ofIEEEIn.tWorkshoponPervasive[14]ShneydermanA,CasatiA.MobileVPN[M].NewYork:Wi
ComputingandAdHocCommunications(PCAC06).Vienna,leyPublishing,2003.'