無線傳感器網絡在文物保護中的應用

摘 要:無線傳感器網絡是計算#65380;通信和傳感器三項技術結合的產物，被視為環境監測和建設監測的一個發展方向，有著廣泛的應用領域，文物保護是其潛在的應用領域之一#65377;介紹無線傳感器網絡的特點及其在文物保護中應用的必要性，提出博物館文物保護系統無線傳感器網絡構建方案，以及無線傳感器網絡節點#65380;匯節點和博物館監控中心軟件等部分的設計方案#65377;與傳統的文物保護系統相比，該系統具有易于擴充，測量準確等特點#65377;

關鍵詞:無線傳感器網絡;節點;文物保護

中圖分類號:TP399文獻標識碼:A

1 引 言

眾所周知，中國是一個具有五千年悠久歷史的文明古國，文物分布遍及全國，文物保護任務復雜而艱巨#65377;當前，因技術#65380;資金和管理等方面的原因，導致很多文物被損壞或丟失，如何科學而有效地對文物進行保護和管理是文物管理部門面臨的巨大挑戰#65377;

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks.簡稱WSNs)是計算#65380;通信和傳感器三項技術相結合的產物，目前成為計算機科學領域一個活躍的研究分支#65377;2003年2月份的美國技術評論雜志(《Technology Review》)評出對人類未來生活產生深遠影響的十大新技術，傳感器網絡被列為第一^[1]#65377;隨著無線通信技術和電子器件技術的進步，促進了低成本#65380;低功耗#65380;體積小#65380;多功能(感知#65380;處理#65380;通信功能)傳感器的發展，從而使得開發低成本的傳感器網絡成為可能，從而使其具有更加廣泛的應用領域#65377;

無線傳感器網絡被視為環境監測#65380;建筑監測的一個發展方向#65377;它不需要固定網絡支持，具有快速展開，抗毀性強等特點#65377;無線傳感器網絡典型工作方式是:使用飛行器將大量傳感器節點(數量從幾百到幾千個)拋撒到感興趣區域，節點通過自組織快速形成一個無線網絡#65377;節點既是信息的采集和發出者，也充當信息的路由者，采集的數據通過多跳路由到達網關#65377;網關是一個特殊的節點，可以通過Internet#65380;移動通信網絡#65380;衛星等與監控中心通信#65377;

無線傳感器網絡十分適用于文物儲藏室環境監測#65380;防盜與古建筑結構健康監測#65377;對于文物儲藏室的環境監測，將傳感器節點合理部署在展室或儲藏室內，可以測得文物存放環境的溫度#65380;濕度#65380;光照和振動等數據，如果不合要求及時向監控中心報警，以便通知相關人員及時處理#65377;利用加速度傳感器測量振動，如果有振動異常，就會立即報警，監控中心收到報警信息后，立即派人到現場查看是否有穿墻#65380;挖地洞等偷盜文物的行為發生或古建筑結構有異常變化#65377;因此，將無線傳感器網絡用于文物保護，既能提高文物的保護水平又能節省人力資源，降低勞動強度#65377;

2 網絡拓撲結構和工作原理

本文提出的無線傳感器網絡用于構建博物館或文物保護單位的文物保護系統，用GPRS及Internet網絡進行數據通信，GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線業務)是第2.5代移動通信技術，網絡覆蓋范圍廣，適合突發數據應用業務，一般GPRS模塊的數據傳輸率為115.2Kbps;同時采用支持Zigbee規范的傳感器網絡#65377;網絡由大量分布在各個文物展室的無線傳感器節點#65380;匯節點和博物館監控中心等3個部分組成，如圖1所示，每個展室內安放幾個傳感器節點，由展室面積大小等因素決定#65377;這是一個基于簇(Cluster)的分層結構，它具有天然的分布式處理能力，簇頭就是分布式處理中心即無線傳感器網絡的一個匯節點，物理位置臨近的若干個展室設置一個匯節點#65377;每個簇成員(即各展室內的傳感器節點)都把數據傳給相應簇頭，簇頭將數據融合后，直接將數據傳送到博物館監控中心#65377;博物館監控中心通過GPRS及Internet網絡與多個匯節點連接，匯節點和展室內的傳感器節點之間通過Zigbee技術實現無線的信息交換，帶有射頻收發器的無線傳感器節點負責對數據的采集和處理并傳送給匯節點;博物館監控中心通過GPRS及Internet網絡從匯節點獲取采集到的相關信息，實現對展室的監測#65377;

計算技術與自動化2007年6月第26卷第2期何文德等:無線傳感器網絡在文物保護中的應用

3 傳感器節點的設計

無線傳感器網絡微型節點被放置在各個文物展室中，測量文物所處環境的溫度#65380;濕度#65380;光照和振動等參數，并將其傳送給對應的匯節點#65377;節點的硬件主要由數據采集#65380;數據處理#65380;數據傳輸和電源管理4部分電路組成，如圖2所示#65377;

數據采集部分負責文物展室內的環境數據采集和數據轉換，數據采集部分包括溫度傳感器MLX90601#65380;濕度傳感器DS18B20#65380;光強度傳感器TSL2550D#65380;兩維數字加速度計ADXL202 AE共四個傳感器，分別采集文物展室內的溫度#65380;濕度#65380;光照和振動等參數#65377;

數據處理部分由Atmel公司的ATmega128L微控制器實現，它采用低功耗COMS工藝生產#65380;是基于RISC結構的8位微控制器，功能強大，負責控制整個節點的處理操作#65380;路由協議#65380;同步定位#65380;功耗管理#65380;任務管理等;數據傳輸單元負責與匯節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據#65377;ATmega128L微控制器具有片內128KB的程序Flash，4KB的數據SRAM，可外擴到64KB的E2PROM#65377;此外，它還有8個10位ADC通道，2個8位和2個16位硬件定時/計數器，并可在多種不同的模式下工作;8個PWM通道#65380;可編程看門狗定時器和片上振蕩器#65380;片上模擬比較器;UART#65380;SPI#65380;I2C總線接口#65380;JTAG接口#65377;除了正常操作模式外，還具有六種不同等級的低功耗操作模式，每種模式具有不同的功耗#65377;

射頻模塊選用由Chipcon公司生產的低功耗#65380;短距離無線通信模塊CC2420組成#65377;這是一款符合ZigBee技術規范的高集成度工業用射頻收發器件，其MAC層和PHY層協議符合802.15.4規范，工作于2.4GHz頻段#65377;該芯片只需很少外圍器件，可確保短距離通信的有效性和可靠性#65377;數據傳輸模塊支持的數據傳輸率高達250kbps，可以實現多點對多點的快速組網，系統體積小#65380;功耗小，適于電池供電^[2]#65377;

在用于文物保護的無線傳感器網絡中，節點的供電不宜采用常規的交流供電方式，因為在展室內鋪設電線會增加展室的火災安全隱患以及增加施工量，所以節點電源由兩節1.5V堿性電池組成#65377;電源管理單元用于選通所用到的傳感器，本課題采用多路器芯片ADG715BRU，在I2C總線的控制下選通所用到的傳感器，即讓傳感器在使用時才帶電，使節點更節能#65377;

在節點的硬件設計方面，應該盡量采用低功耗器件，在沒有通信任務時，切斷射頻部分的電源供應;在節點的軟件設計方面，各個層次的通信協議都要以節能為中心#65377;

4 其它部分設計

4.1 匯節點的設計

網絡的匯節點(Sink Node)，用于收集物理位置相對集中的一些展室內的傳感器節點上報的數據，將這些數據聚集后，通過GPRS無線網絡，傳送給監控中心;監控中心也可以通過匯節點向各個展室內的傳感器節點發布查詢和監視命令，傳感器節點對命令作響應，采集數據，并將結果通過匯節點反饋給監控中心#65377;匯節點的硬件構成如圖3所示#65377;

4.2 博物館監控中心軟件設計

博物館監控中心軟件由管理員登陸#65380;配置管理#65380;監控管理#65380;故障管理和數據庫五個模塊組成，如圖4所示#65377;它通過GPRS及Internet網絡，與多個分布在博物館內不同物理位置的匯節點間接連接在一起，監控模塊通過對計算機網絡的實時監控，實現對分布式匯節點上報信息的及時接收#65380;解析#65380;處理以及發送控制信令給不同ID的匯節點，實現對分布在各個文物展室內傳感器節點的間接#65380;實時監控和數據采集#65377;監控中心軟件就是一個MIS系統，后臺數據庫采用Microsoft公司的SQL Server 2000數據庫進行開發，軟件的前臺采用C#編程語言開發#65377;數據通信可靠性和實時性兩者的平衡，由本課題自定義的應用層網絡通信協議來保證#65377;

5 結束語

無線傳感器網絡是一種新的信息獲取和處理技術#65377;在某些特殊應用領域，它有著傳統技術無法比擬的優勢#65377;文物保護僅僅是無線傳感器網絡的潛在的應用領域之一，隨著科學技術的進一步發展，無線傳感器網絡必將會有更多的實際應用領域和廣闊的應用前景#65377;

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。