土遺址監測傳感網原型系統設計

摘 要：文章以陜西明長城監測為應用背景，針對無線傳感網可靠傳輸面臨的挑戰，設計實現大型土遺址無線傳感網監測系統，根據收集到的數據可對監測目標進行地理信息分析、結果健康分析和環境因子分析等分析、統計。

關鍵詞：土遺址；無線傳感網；可靠傳輸

1 概述

大型土遺址由于其不可再生和不可替代性，其保護上升到國家戰略角度，成為我國可持續發展戰略的重要組成。隨著經濟全球化趨勢和現代化進程加快，土遺址受到嚴重威脅，加強土遺址保護工作已刻不容緩。現有的化學加固和保護方式[1-3]難以預期百年以后的長期效果，國際上學者倡導通過環境調控的方式進行自然無損的預防性保護。

大型土遺址生存環境變化是對遺址保護影響的重要因素，因此，其數據的監測采集、分析、最優生存環境的確定和環境因素控制是實現大型土遺址保護中最關鍵的環節。傳統的監控方法主要依靠工作人員手工測量、計算，工作量龐大，實時性差，數據丟失嚴重，難以有效的對采集的海量數據進行融合分析，缺乏科學性和智能性，嚴重影響了大型土遺址保護工作的進行。無線傳感網因其不需要固定網絡支持，抗毀性強等特點，將無線傳感網用于文物保護，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，有著傳統技術無法比擬的優勢。文章設計并實現了大型遺址監測傳感網原型系統，在陜西明長城上部署傳感節點，收集溫度、濕度、振動等影響遺址健康的各種參數，通過匯聚節點將數據傳送到管理中心。為文物保護專家針對土遺址預防性保護提供科學依據，探索發現環境因素的靜態與動態變換對大型遺址保護的作用，從而探索大型遺址生存環境優化的機制與途徑，分析判斷環境是否符合文物的生存條件標準，提出解決文物保護的技術體系。

2 大型土遺址監測傳感網原型系統

以陜西明長城實地應用描述該原型系統。

2.1 系統概述

原型系統由無線傳感網、無人機、通信網絡、監測中心和專家系統構成了一個三維立體監測系統，如圖1所示。

2.2 系統構成

原型系統中的傳感器節點采用自行研制的集成溫濕度和光照的傳感器節點、土壤內部溫濕度傳感器、氣體傳感器節點和太陽能網關。集成傳感器節點采用ATMEGA128L芯片，SHT11傳感器，CC2420無線通訊模塊和DYP55光敏電阻。根據土遺址自身特點，設計了感知遺址內部溫濕度的傳感器節點，其特點是體積小，對遺址損傷很小；同時結合端口復用技術，實現單個節點多點測量，大大減小了節點部署的密度，降低成本。氣體傳感器能夠感知CO2，H2S和SO2含量。此外，依托ARM實現具有遠程實時傳輸、海量存儲數據、運算能力強、低能耗的實用價值的無線傳感網數據收發平臺；通過太陽能技術提高節點可生存性，結合端口復用技術實現對遺址單位縱深多感知探測。

陜西明長城監測應用中，將節點隨機部署在游人不易到達之處，實時采集環境的濕度、溫度、光照、氣體含量等數據。選擇監測區域為榆林市榆陽區的十八敦村長城、鎮北臺長城、建安堡，定邊縣的磚井堡、二樓村長城1段。以明長城鎮北臺段為例說明具體部署方案：

長城鎮北臺段地處陜西省榆林市榆林區，以鎮北臺為中心的2公里區域部署傳感器節點120個，網關8個。形成在2公里區域，以30米為間隔，每個間隔縱深部署2個傳感網節點；以250米為間隔，每個間隔部署一個網關，匯聚各節點采集的信息，網關集成了一個風速風向傳感器和1個振動傳感器。周邊選取5種典型地貌區域，形成小范圍的節點部署規模，每種地貌部署酸雨及降水強度實時傳感器3個，氣體傳感器5個，夯土溫濕度傳感器27個。最終形成以鎮北臺段為中心，周邊5個區域為典型監測點的傳感網監測系統。如圖2所示。

當感知節點采集到數據后，首先由退避策略根據網絡狀態確定退避時長，然后利用信道接入策略有序占用信道，之后按照可靠機會路由策略建立由感知節點到sink節點的路由，最后采用基于能耗最優的可靠傳輸策略將數據傳送至匯聚節點。匯聚節點將接收到的數據通過通信網絡發送到監測中心和專家系統，為提出解決文物保護的技術體系提供可靠的數據依據。

該系統包括展示模塊、報警模塊、預測模塊和網管模塊。展示模塊是針對收集到的數據，可以根據客戶選擇的展示方式（折線圖，柱狀圖，等值線）。報警模塊包含異常數據報警和健康狀況報警兩部分，其中，異常數據包括異常環境數據和異常網絡狀況（比如節點失效或網關不能正常工作），健康狀況報警針對長城健康狀況進行報警。預測模塊包括健康狀態預測和環境預測，可以根據環境數據，對長城的具體變化用圖示的形式表現，同時對未來的環境做出預測。網管模塊包含網絡拓撲、節點數據顯示、網絡狀況顯示和數據包路徑顯示四部分。如圖3所示。

2.3 系統設計

大型土遺址監測傳感網原型系統可分為以下三部分：

（1）數據采集

針對陜西明長城選擇基巖山區、風沙灘區、沙漠區、黃土梁峁區、沙漠戈壁區等不同環境，在不同地形地貌的長城遺址上檢驗可靠傳輸機制的適應性，目標是保證大量監測數據能夠準確、可靠傳輸。傳感器節點和sink節點部署在游人不可達的外墻區域。傳感器節點每隔10分鐘采集一次環境數據，按照可靠的機會路由策略建立一條路由，通過可靠傳輸協議將數據發送到sink節點，最終發送至監測中心和專家系統。

（2）數據通信

利用自行研制的傳感器感知光照、氣體含量、表面溫濕度、降雨量、土壤中的溫濕度等環境信息，通過可靠、低功耗的數據傳輸協議將數據傳送至sink節點。

長城土遺址跨越山丘、河流、沙漠等多種地理環境，大多數遺址地處偏遠，交通不便，同時公用通信網絡的基礎設施缺乏，無法完全依賴現有的網絡實現遠程感知信息的傳輸。因此，在3G網絡覆蓋范圍內利用通信網絡將數據傳回監測中心，沒有3G信號覆蓋的范圍，由無人機周期性的收集數據，將數據轉存至監測中心，同時，無人機可以對地面進行拍攝，獲取長城實時外觀信息，能夠及時發現人為破壞情況。

（3）長城健康狀況分析與預警

根據監測中心獲取的數據，結合專家系統中的形變監測模型，利用回歸平面分析、曲線擬合、云模型等方法，對形變過程進行描述，對土遺址物理形態進行監測，獲取有關形變定性與定量的結論，識別土遺址形態的破壞性變化、病變，如明長城遺址變形、沉降等，發出預警，為大型土遺址的保護提供科學指導。

3 大型土遺址監測傳感網原型系統的應用

目前已在原型系統中實現了上述協議，下面以基于滑動緩存的WSN可靠傳輸協議[4]為例說明實現過程。

對長城環境和狀態進行實時數據采集與可靠傳輸，是構建預警系統、為長城的管理和保護提供技術支撐的基礎。基于滑動緩存的WSN可靠傳輸協議在保障數據傳輸可靠性的前提下，平衡與能耗的關系，根據動態鏈路質量確定數據包緩存的節點位置。具體是，按照通信距離將鏈路上的節點劃分為近源（near-source）節點和近匯聚（near-sink）節點，根據鏈路質量動態調整中間節點緩存數據包的位置。設定鏈路質量閾值為pm，丟包率大于pm時，數據包在near-source節點緩存，能夠有效的提高可靠性；否則，數據包在near-sink節點緩存，可以有效的降低丟包重傳時的能耗和時延。此處設置pm=0.1。

當源節點發送數據包后，第i個節點成功接收到數據包時檢查當前數據包的緩存（Cached）標志，對（Cached）標志未置位的數據包計算緩存概率hi，根據該值進行緩存，同時修改該Cached標志，然后轉發數據包。

匯聚節點檢查數據包傳輸情況，發現丟失則發送NACK信號由反向路徑查找丟失的包，每隔10分鐘計算一次丟包率，代碼如下：

4 大型土遺址監測傳感網原型系統的應用效果

目前，已將傳感器節點實際部署到陜西明長城的直線帶狀區域和帶轉角的帶狀區域中，實時對長城生存環境和健康狀態進行監測。明長城在陜西境內全長約1200多公里，范圍狹長，若監測區域內的所有感知節點都與單一的sink節點交換數據，則sink節點負載過重，同時過度路由的情況將頻繁發生。因此，實際部署時增加了簇頭節點，感知節點將數據傳送給簇頭，簇頭節點再轉發至sink。明長城周圍交通非常不便利，如果由人工完成數據采集，則周期過長，成本也很高。因此，在3G網絡覆蓋范圍內可通過通信網絡將數據傳回監測中心，否則，由無人機根據需求周期性的收集數據，將數據轉存至監測中心。

原型系統應用效果：我們設計并實現了一個無線傳感網文物動物保護數據分析系統，根據收集到的數據可對監測目標進行地理信息分析、結果健康分析和環境因子分析等分析、統計。

5 結束語

文章針對關于可靠數據傳輸機制的研究，以陜西明長城保護為例，設計并實現了大型土遺址監測傳感網原型系統。首先描述了原型系統的概述和總體構成，然后給出了具體的系統設計，之后以可靠傳輸策略為例說明了可靠傳輸機制在原型系統的實現，最后，通過開發的數據分析系統展示原型系統的設計結果。

參考文獻

[1]周雙林，原思訓.有機硅改性丙烯酸樹脂非水分散體的制備及在土遺址保護中的試用[J].文物保護與考古科學，2004，16（4）：50-52.

[2]B. H. Stuart. Conservati on Materials. In AnalyticalTechniques in Materials Conservation[M].New York： John Wiley &Sons，2007.

[3]COFFMAN R， SELWTTZ C，AGNEW N. The adobe reseach project at Fort Selder ⅡA study of the interaction of chemical consolidation with adobe and adobe constituents[M]// 6th International Conference on the Conservation of Earthen Architecture. Las Cruces， New Mezico， USA October，250.

[4]陳昊，房鼎益，陳曉江，等.基于滑動緩存的WSN可靠協議及其能耗分析[J].Computer Engineering，2013，39（3）.