動態環境監測的無線傳感器網絡數據處理研究

宗葉平

（江蘇省蘇力環境科技有限責任公司 江蘇南京 211500）

引言

隨著網絡通信技術、無線傳感技術迅猛發展的趨勢下，無線傳感器網絡技術獲得了極其廣泛的應用前景，如：空間探測、國防軍事、工農業、醫療護理、智能家居、危急救援等，并引入到動態環境監測領域，引發了人們極大的關注，相較于傳統的環境監測技術而言，無線傳感器網絡可以利用其微型無線傳感器節點，探測和感知環境信息，對監測區域進行快速部署和監測，適用于環境惡劣的被監測環境之中，具有極強的信噪比和容錯能力，能夠利用分布式信息處理大量的采集數據，并對其進行智能化處理和分析，極大的提升數據信息的精準度。

1 無線傳感器網絡概述

無線傳感器網絡包括固定、移動的傳感器節點和多跳自組織的無線網絡，整合和集成信息感知、無線通信、數據處理技術，實現對被監測區域的信息感知、數據處理和傳輸，滿足和響應不同應用程序或用戶的實際需求，并能夠較好地延長網絡使用壽命。對于無線傳感器網絡性能的相關指標，主要涵蓋以下方面：網絡的能耗；網絡響應時間；網絡工作壽命；網絡覆蓋范圍；網絡感知精度；容錯性等，對這些指標要進行綜合、統一的考慮，使之具有科學合理性。

面向動態環境的監測存在正常狀態和異常狀態，為此，無線傳感器網絡的應用不僅要進行周期性的數據采集、傳輸和處理，還要能夠對異常狀態或事件進行及時、動態的預警和提示，這就需要引入無線傳感器網絡DEM-WSN，利用其多跳自組織的網絡通信方式，實現對環境中的溫度、濕度、光照、壓力、電磁場、振動等內容的監測，并判斷和提示異常狀態或事件。它表現為以下方面的主要特征：（1）極高的能量管理要求。動態環境存在各種不確定性、隨機性、突發性的復雜情形，系統必須持續不間斷地進行監測、數據采集和傳輸，要消耗極大的能量，這就對系統提出了極高的能量管理要求。（2）實現事件檢測。面向動態環境監測的無線傳感器網絡要對監測環境的異常狀態進行判斷、分析和檢測，確保原始數據的真實可信性。（3）實時性。動態環境監測的無線傳感器網絡系統必須實現及時、遠程、實時的動態監測和控制，將異常事件引發的損失降低到最小。

2 面向動態環境監測的無線傳感器網絡數據處理應用關鍵技術

動態環境監測無線傳感器網絡的數據表現出不確定性的特點，系統中的WSN數據會受到諸多因素的影響存在部分缺失、模糊、夾雜噪音等問題，導致WSN數據出現不確定性的因素主要包括有傳感噪聲、傳感誤差、傳輸錯誤、時空偏移等。另外，還存在因非法入侵、惡意攻擊而出現的錯誤、無效的數據，使WSN數據出現非信任性的特點。為此，要重點分析和把握面向動態環境監測的無線傳感器網絡數據處理關鍵技術，提高環境監測的效率和安全性：

2.1 容錯數據估計

無線傳感器網絡應用于動態環境監測的復雜環境之中，會受到諸多因素的限制和影響，如：傳感器節點自身的體積、成本、溫度、濕度、電磁場、噪音等，導致其對環境監測的數據處理能力受到約束，會出現難以避免的節點失效性和數據丟失現象，如果對這些數據缺失、異常的現象不進行及時的處理，就無法進行數據處理。傳統的直接刪除或忽略的數據處理方法存在一定的缺陷，因而可以考慮采用更為有效的數據處理方法，如：快速便捷的基于最近鄰居的缺失值估計算法；基于貝葉斯公式估計方法等，它們充分考慮數據的內在屬性及相互關聯性，較好地實現對缺失數據的估計和處理。

2.2 定位技術

無線傳感器網絡通常應用于復雜、惡劣的環境之中，其節點位置是隨機、不確定的，為此，要對無線傳感器的節點進行準確的定位，相關的定位技術包括有：（1）全球定位系統（GPS）。它是應用相對成熟和普遍的技術，應用優勢在于精度高、抗干擾能力強；然而應用缺陷在于受限于傳感器節點處理能力、存儲及通信能力，不適于數量龐大、能源有限的傳感器節點應用。（2）機器定位技術。這是利用無線傳感器節點與機器人節點的相似性，而進行準確的定位，然而其缺陷在于機器人節點分布松散，不適宜直接應用于傳感器網絡定位之中。（3）節點定位算法。它主要包括有無需測距的定位技術和基于測距的定位技術，由于無需測距的定位技術抗干擾性強、成本較低、精度高，因而是當前主要的定位技術。

2.3 事件感知與收集

無線傳感器網絡的動態環境監測可以通過查詢、定時上報、事件觸發等不同模式，進行事件的感知和收集，但是，在應用中要充分考慮不同的時空特點、網絡拓撲結構、能量消耗等，并設置高度靈活、動態的數據信息分發、收集、處理機制。

結語

要重視面向動態環境監測的無線傳感器網絡應用，基于網絡數據的特點，采用適宜的無線傳感器網絡數據處理關鍵技術，較好地實現數據的同步協同處理。