（计算机软件与理论专业论文）wsn网络层协议研究及在土遗址微环境监测中的应用.pdf

摘要 本文以探索无线传感器网络( w s n ) 潜在的应用场景为目的，利用w s n 自身优势 与文物保护应用背景相结合，将w s n 应用于土遗址微环境监测中，为文物保护科研人 员研究适合文物保存的环境因素模型提供数据支持。 围绕w s n 在土遗址微环境监测应用需要解决的数据收集关键技术问题，通过分析 应用场景特点，以及对现有w s n 路由协议、数据转发协议的研究，提出了模块化的 w s n 网络层协议结构，设计了适合土遗址微环境监测应用场景的路由协议和数据转发 协议，通过仿真实验和原型系统验证了设计方案的有效性。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 通过研究w s n 协议栈结构，针对实际应用中w s n 网络层较高的功能复杂度， 将w s n 网络层进行功能解耦，划分为路由模块、数据转发模块，并对这两个模块的功 能与交互进行定义，以实现应用中动态模块替换。在系统实现中，路由模块运行p d h p 路由协议完成网络拓扑结构的建立，数据转发模块运行d 2 c p r 数据转发协议，在网络 层进行局部数据传输控制。 ( 2 ) 提出了基于预部署的分区域分簇路由协议( p d h p ) ：将监测区域划分成若干小 区域，在小区域中节点自组成簇，由基站节点定期发送数据收集包，建立簇首到基站的 多跳反向梯度，以此簇首将收集到的数据发往基站。p d h p 路由协议以分簇路由均衡网 络能量消耗，以区域划分减小成簇复杂度，以应用场景特点简化协议设计。 ( 3 ) 提出了网络层数据转发协议( d 2 c p r ) ：针对应用特点采用n a c k 方式进行丢 失数据的局部重传，并以分布式拥塞控制思想，进行局部数据传输控制，以解决数据传 输可靠性、完整性问题；另外通过获取路由模块维护的网络拓扑结构信息，进行节点功 率控制与休眠调度，以达到降低能耗的目的。 ( 4 ) 在n s 2 中对p d h p 协议和d 2 c p r 协议进行仿真实验，在仿真实验验证其有效 性的基础上。使用运行t i n y o s 2 0 操作系统的m i c a z 系列节点，将原型系统部署在西安 市唐皇城墙含光门遗址博物馆城墙遗址区域进行微环境监测，以实际应用验证了本研究 的实用性和有效性，并且为文物保护人员研提供了一批有价值的文物微环境数据，同时 也体现了w s n 在未来智能生活中的应用潜力。 关键词：无线传感器网络，路由协议，数据转发协议，土遗址微环境监测 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) t e c h n o l o g y , t h es t u d yh o t s p o t h a sa l r e a d yc h a n g e df r o mr e s e a r c h i n go nw s nk e yt e c h n o l o g yt oe x p l o r i n gt h ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o no fw s n t h i st h e s i ss u p p o s e st oa p p l yw s n t or e l i cp r o t e c t i o nt e r r i t o r y b a s e d o na n a l y z i n gt h es h o r t a g eo ft r a d i t i o n a le n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gi ns o l i dr e l i cp r o t e c t i o n , t a k i n ga d v a n t a g e so fw s n t oa d d r e s st h ep r o b l e mh a sb e e nf o u n d i no r d e rt or e s o l v ed a t a c o l l e c t i n gp r o b l e mi nw s na p p l i c a t i o n ，w ed e s i g n e da m o d u l a rn e t w o r kl a y e r , p d h pr o u t i n g p r o t o c o la n dd 2 c p r d a t af o r w a r d i n gp r o t o c 0 1 t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e sw s n sb a c k g r o u n dk n o w l e d g e ，s p e c i a l l yi t ss y s t e m s t r u c t u r e ，a n da n a l y z e st h ep r o b l e m sw ee n c o u n t e r e di nt r a d i t i o n a le n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gi n r e l i cp r o t e c t i o n ，a n dh o wt ou s i n gt h ea d v a n t a g e so f w s nt or e s o l v et h e s es i t u a t i o n s s e c o n d l y , i tg i v e st h es u r m n a r ya n da n a l y s i sf o rp r e s e n ta p p l y i n gw s n a tr e l i cp r o t e c t i o n t e r r i t o r y , b r i n g sf o r w a r dp r o p e rw s nr e q u i r e m e n t ss u i t a b l ef o rr e l i cp r o t e c t i o na n dt h ew s n p r o t o c o ls t a c ki sd i s c u s s e di nd e t a i l i no u rp r o t o t y p es y s t e md e s i g n ，am o d u l a rn e t w o r kl a y e r f o rw s nh a sb e e ni n t r o d u c e d ，w h i c hi n c l u d e sr o u t e ra n df o r w a r d e r w ee x p l i c i t l yd e f i n e t h e s et w o m o d u l e sf u n c t i o n sa n di n t e r a c t i v ec o m m u n i c a t i o np r o c e s sa sw e l l t h i r d l y , w ed e s i g nt h ep r e - d e p l o y m e n te n e r g y - e f f i c i e n th i e r a r c h yr o u t i n gp r o t o c o l ( p d h p ) f o r r o u t e rm o d u l e i nt h ep d h p , t h e m o n i t o r i n gf i e l di sd i v i d e di n t os m a l la r e a s ，t h e s e n s o rn o d e si nt h es a m ea r e ac o n s t r u c tt h ec l u s t e rs t r u c t u r e ，c l u s t e rh e a di sr e s p o n s i b l ef o r c o l l e c t i n gd a t ai ni t sa r e a , a n dt h r o u g hm u l t i p l e - h o pc o n n e c t i o nf o r w a r dd a t at os i n kp o i n t i na d d i t i o n , w ed e s i g nt h ed 2 c p rd a t af o r w a r d i n gp r o t o c o lf o rf o r w a r d e rm o d u l e i n t h ed 2 c p r ，w ec o n s i d e rt h eh o p - b y - h o pr e t r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t e dc o n g e s t i o nc o n t r o li n o u rd e s i g n ，a n di no r d e rt or e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，w ea d j u s tt h et r a n s m i tp o w e rb y g e t t i n gt o p o l o g yi n f o r m a t i o nf r o mr o u t e rm o d u l e ， f i n a l l y , b a s e do nt h en s 2s i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ec o o p e r a t e dw i t hr e s e a r c h e ro fr e l i c p r o t e c t i o n ，a n dd e p l o y e do u rw s na p p l i c a t i o no nx i a l lh a n g u a n g m e nm u s e u mc o l l e c t i n g t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , m i c r o s e i s mc o n d i t i o n e t c o u rs y s t e mw o r k e dw e l lo v e rt h ep a s t m o n t h s ，c o l l e c t e dt h es o l i dr e l i c sm i c r o - e n v i r o n m e n td a t aa u t o m a t i c a l l ya n de f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：w s n ，r o u t i n gp r o t o c o l ，d a t af o r w a r dp r o t o c o l ，s o l i dr e l i cp r o t e c t i o n 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论 文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 殛i 参 指导教师签名： 弘幻年6 月7 日 如归年6 月夕日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论 文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：粥儒 矽刀 年6 月7 耖 西北大学硕士学位论文 第一章绪论 目前，无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，简称w s n ) 学术界研究的重点 已经逐渐从w s n 的关键技术研究过渡到w s n 与实际应用相结合的研究，旨在发掘w s n 的应用潜力，更好的为人类社会生活服务。本文将无线传感器网络应用于土遗址微环境 监测中，重点研究针对特定场景下，w s n 网络层路由协议与数据转发协议。本章将首 先分析该项研究的背景与意义，然后阐述本文所完成的主要研究工作，最后给出本文的 结构安排。 1 1 课题背景 1 1 1 无线传感器网络概述 无线传感器网络，是指在监测环境中布置大量功能相同或不同的无线传感器节点， 以无线通信方式自组织成网络，它被认为是2 1 世纪最重要的技术之一。随着现代微电 子技术、纳米材料、无线通信技术、信号处理技术及i n t e m e t 的迅猛发展，w s n 的研究 在多种应用中取得了重大进展，各种技术评论机构也一致看好其所蕴藏的巨大应用潜 力。在过去的十年中，越来越多的研究学者也进入这一研究领域，这使得w s n 各项关 键技术的研究近年来有了突飞猛进的发展。软件方面，路由协议、m a c 协议、数据融 合算法、数据传输可靠性、拓扑控制等方面都取得了丰硕的成果；硬件方面，射频和微 处理芯片技术、传感器技术的发展，极大的推动了w s n 的应用范围，使传感器节点有 更好的使用特性；另外，研究工作还结合实际，在诸多应用场景下进行了非常有益的探 索，并且取得很好效果，这些都预示w s n 将会对人类未来生活方式产生巨大影响【心】。 无线传感器网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络，一个典型的传感器 网络体系包括分布式传感器节点、汇聚节点( s i n k ) 、互联网、任务管理节点等。传感 器节点部署在指定的感知区域内部或者附近，这些节点通过自组织方式构成无线网络， 传感器节点的监测数据沿着其它节点逐跳传输，监测数据可能被多个节点处理，经过多 跳后被路由到汇聚节点，最后通过互联网送达管理节点或者用户。 无线传感器网络是能够自主实现数据采集、传输的智能网络，近年来随着无线传感 器网络技术的日渐成熟，其重要性可以与因特网相媲美，因特网涉足于现实生活的方方 面面，无线传感器网络现实感知的特点使得逻辑上的信息和真实的物理世界紧密结合， 真正实现“无缝计算”，我们熟悉的周围客观事物的现象、状态，将因为w s n 而变得更 1 第一章绪论 为细微，并据此对这些现象、状态的相关数据进行分析研究，并且实施反向控制，从而 极大的扩展现有网络功能和人们认知世界的能力。 1 1 2 无线传感器网络的应用 无线传感器网络的应用前景非常广阔，国内外w s n 学者在矿井下的环境监测、森 林防火、建筑物健康度监测、智能农业、智能医疗等应用领域，进行了积极且成功的探 索，将w s n 易部署、自组网络、智能感知等优点充分地展示，下面举两个最有代表性 的应用实例。 科学家把无线传感器网络技术应用于监视大鸭岛海鸟的栖息情况f l 】。位于缅因州海 岸的大鸭岛由于环境恶劣，海鸟又十分机警，研究人员无法采用普通方法进行跟踪观察。 为此他们使用了包括光、湿度、气压计、红外传感器、摄像头在内的近十种传感器以及 数百个节点对海鸟栖息环境进行监测。全球的研究人员都可以通过互联网察看该地区各 个节点的数据，为生态环境研究者提供了一个极为便利的平台。 澳大利亚的传感器网络研究人员和生态学者，利用无线传感器网络来探测北澳大利 亚蟾蜍的分布情况。由于蟾蜍的叫声容易辨别，因此利用声音作为检测特征非常有效。 科研人员将装有声音感知的传感器节点部署在监测区域中，控制中心将采集的数据进行 结构化存储，通过分析收集来的数据，就可以大致了解蟾蜍的分布、栖息情况。 还有许多类似上述的应用实例这里不再赘述，无线传感器网络已经应用于生产、生 活等多个方面。通过无线传感器网络在众多的智能控制系统中成功的应用案例，由此可 见w s n 在实际应用中的巨大潜力。 1 1 3 无线传感器网络的特点 无线传感器网络与传统的无线通信网络有所不同，无线传感器网络一般是针对某个 特定应用而设计的，是一种基于应用的网络，也可以将无线传感器网络看成一个特殊的 a dh o e 网络，它除了具有a dh o c 网络的一般特性，无线传感器网络还有自己本身的一 些特点【1 3 】： 1 计算资源、能量、带宽受限 由于受到体积与成本的限制，传感器节点只具有相对有限的数据处理能力，针对传 感器网络短距离无线通信、能量有限的特点，业界提出了一种无线新技术标准 i e e e s 0 2 1 5 4 ，虽然该信道能量有效性较好，但是其通信带宽和信道可靠性都大打折扣。 2 数据为中心的网络 2 西北大学硕士学位论文 无线传感器网络是一种任务型网络，用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关 心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点，网络在获得指定事件的信息 后汇报给用户。 3 拓扑结构相对比较稳定 与传统的a dh o e 网络不同，a dh o c 网络具有较强的拓扑变化动态性，而在传感器 网络中除了个别应用中使用移动节点，大多数应用中节点位置不发生变化，传感器网络 的拓扑结构变化的主要原因不再是节点的移动，而是随着节点能量的变化，网络生成算 法所做出的自适应调整。 4 传感器节点采集数据的特征 无线传感器网络相邻节点传感器采集到的数据具有很强的相似度，可以在数据中转 节点上完成对数据的融合，减小数据的冗余，进而减小数据的发送量，降低能耗。 5 应用相关的网络 传感器用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多 样。不同的w s n 应用关心的物理量不同，因此对传感器应用系统的要求也有所不同。 综上所述，可以看到尽管无线传感器网络的应用前景光明，但是在应用中其也存在 明显的缺点： 1 节点靠电池供电且许多应用场景中节点一经部署不易更换电池，又因为w s n 节 点8 0 的能量消耗集中在无线通信模块上，因此，开发能够最小化传感器节点 能耗，延长网络寿命的各种技术成为w s n 网络研究的重点。 2 主流w s n 节点间无线通信使用频段为2 4 g h z 免执照频段，在其1 6 个扩展信 道中选用能耗较小的通信信道。由此带来的问题是，节点间无线通信稳定性相 对于传统的互联网络相距较远，其表现为链路误码率高，且易受n 夕i - 界环境的 干扰。如何保证节点能够将数据在不稳定的无线链路中可靠传输，是w s n 在应 用中必须克服的问题。 3 w s n 节点自身的发展以及应用的需要，使得在w s n 中传递大数据量数据变为 可能，大数据量数据传输的应用场景很多，例如，在建筑物环境监测应用场景 中传输建筑物微震动传感器采集的数据，以及空气化学成分传感器采集数据等。 在w s n 中由于其自组网、多跳传输的性质，使得大数据量数据传输的过程中， 中间节点缓存较多数据，容易导致网络拥塞的发生，那么设计拥塞检测处理机 制，在w s n 大数据量传输应用中就显得非常重要。 3 第一章绪论 1 2 研究意义和目标 1 2 1 研究意义 文物是一种文化遗产，是民族历史与文化的载体，具有不可再生性和不可替代性， 作为特殊战略资源，在政治、经济、文化、社会等各方面的作用日益凸显。加强文物保 护工作是我国可持续发展战略的重要组成部分。2 0 0 5 年国务院专门发出了关于加强文 化遗产保护的通知( 【2 0 0 5 1 4 2 号) ，强调要从对国家和历史负责的高度，从维护国家文 化安全的高度，切实做好文物保护工作。在众多的文物中，遗址作为一种特殊的文物形 式，具有非常重要的历史价值。东西方遗址有很大的差异性，西方建筑遗址主要是石质 为主，易于保护和展示，而东方则主要是土遗址。 如何科学有效地对土遗址进行保护是一个巨大的挑战。研究表明，自然环境是造成 文物基体受损的主要原因。对文物保存环境的温度、湿度、光照、降尘和有害气体等进 行长期监测和控制，建立文物保护环境参数数据库，研究文物与环境因素之间的关系， 创造最佳的文物保存环境是文物保护领域一项长期的基础工作。 在无线传感器网络研究中，核心问题是目前在重大应用中的效果不是很明显，难以 验证其基础技术和应用前景，因而有效的大规模应用验证是其亟待解决的问题。依托西 北大学文物保护领域的学科优势，可以很有效地帮助无线传感网络技术进入该领域。 在此基础上将w s n 应用于土遗址微环境监测领域，本文通过分析w s n 在文物保 护应用中的优势，解决文物保护工作中微环境监测问题。通过分析土遗址文物保护的特 殊场景以及特别的需求，设计w s n 解决方案。在满足文物保护应用的数据收集需求同 时，又通过文物保护场景的特殊条件来简化数据转发和数据路由方案的设计，力求以简 单的方法高效解决实际问题。在w s n 解决方案设计时尽量保持其模块的划分严格，不 仅降低系统开发难度，并且能够应对需求的变化，方便地对个别功能模块进行替换。 1 2 2 研究内容 作者所在实验室的w s n 文物微环境监测系统项目组，已经与国际文物保护的权威 学校意大利s e l a n t o 大学、西北大学文博学院、相关文物保护单位进行合作，在实际 土遗址保护区现场展开了本研究前期的探索工作。 本文结合作者所在实验室w s n 研究积累的基础，解决w s n 应用于土遗址微环境 监测场景中路由选择、数据发送可靠性问题。通过选择合适的w s n 协议栈结构，侧重 在网络层通过路由协议、数据转发协议将该问题予以解决。通过协议仿真验证路由协议、 4 西北大学硕士学位论文 数据转发协议的有效性，并与文物保护科研人员、文物保护单位合作，将研究成果应用 于西安市唐皇城墙含光门遗址博物馆土遗址微环境监测的应用中。文物保护科研人员通 过分析遗址微环境监测数据及遗址健康度的变化，探索适合遗址文物保存的环境参数， 进而帮助文物保护部f - j n 定文物保护方案。由上所述，本文研究的具体内容为： 1 选择合适的w s n 协议栈结构，使其适合土遗址微环境监测应用，该协议栈应具 有明确的模块划分，便于扩充和修改以应对需求的变化。 2 根据土遗址微环境监测应用需求以及特有的便利条件，简化路由协议的设计， 在完成数据路由的基础上尽可能的平衡网络中节点能量，延长网络寿命。 3 根据土遗址微环境监测应用需求和场景特点，设计数据转发协议，在网络层进 行局部数据传输控制，以保证数据传输过程中的可靠性、完整性和能量有效性。 1 2 3 本文主要研究工作 本文以挖掘w s n 应用潜力为目的，围绕w s n 在土遗址微环境监测应用特点，以 及其应用中存在的数据收集问题，展开对w s n 网络层协议的深入研究。本文主要研究 工作如下： 1 对功能复杂的w s n 网络层进行功能解耦，将网络层的实现划分为两个独立的模 块：路由模块和数据转发模块，并对这两个模块的功能与交互进行定义，由这 两个模块配合完成w s n 网络层功能。以此降低开发难度，实现需求变化时动态 模块替换。 2 深入分析w s n 路由协议研究现状，结合土遗址微环境监测应用场景下给予设计 路由协议的有利因素，以及应用中的特殊需求。设计并实现适用于该应用的基 于预部署的分区域分簇路由协议( p d h p ) ，该协议运行在w s n 网络层模块划分 中的路由模块。 3 针对应用中数据传输可靠性、完整性问题，首先，分析在网络层通过局部数据 传输控制来解决的可行性与有效性，然后，围绕土遗址微环境监测需求和特点， 设计并实现了d 2 c p r 数据转发协议，在网络层对数据转发进行局部控制。该协 议运行在w s n 网络层模块划分中的数据转发模块。 4 在n s 2 中对p d h p 协议与d 2 c p r 协议进行仿真验证协议的有效性，实现并部 署w s n 微环境监测原型系统于西安市含光门古城墙遗址监测区域，进行微环境 监测，为文物保护科研人员研究适合文物保存的环境模型提供数据支持。 5 第一章绪论 1 3 论文组织 本文以设计应用于土遗址微环境监测的w s n 网络层协议为研究重点，共分为七章， 详细组织结构如下描述： 第一章绪论 简要阐述论文的研究背景和选题的意义，以及研究内容和本文所做工作，最后给出 本文的组织结构。 第二章w s n 在文物保护中的应用概述 首先，阐述土遗址文物保护现状，分析其应用特点并概括其存在的微环境监测问题， 其次，分析w s n 在文物保护微环境监测中的优势，最后针对w s n 土遗址微环境监测 应用系统的设计，分析应用需求中数据收集关键技术问题。 第三章w s n 协议栈选择与网络层模块划分 在第二章对文物保护应用背景分析的基础上，结合w s n 协议栈研究现状，分析在 网络层解决微环境监测应用中数据收集问题的可行性与有效性，对w s n 网络层功能进 行解耦，给出适合于土遗址微环境监测的w s n 协议栈及w s n 网络层模块划分。 第四章w s n 网络层d 2 c p r 数据转发协议 根据第三章网络层的模块划分，围绕土遗址保护的应用特点和需求，并在分析比较 网络层局部数据控制研究现状的基础上，提出d 2 c p r 数据转发协议。该协议在原型系 统实现中运行于数据转发模块，在网络层完成局部数据传输控制。对d 2 c p r 协议的性 能进行分析，并在n s 2 中进行仿真。 第五章w s n 网络层p d h p 路由协议 根据第三章网络层的模块划分，围绕土遗址保护的应用场景特点和需求，并在研究 现有w s n 路由协议研究成果的基础上，提出p d h p 路由协议。该协议在原型系统实现 中运行于路由模块，完成网络拓扑结构的构建。对p d h p 路由协议的性能进行分析，并 在n s 2 中进行仿真。 第六章w s n 在含光门土遗址保护中的应用 使用运行t i n y o s 2 0 操作系统的m i c a z 系列节点，实现w s n 土遗址微环境监测原 型系统，并将其部署于西安市含光门博物馆土遗址保护区域，进行实地数据采集。 最后，总结本论文的研究内容，然后指出本论文中的不足以及进一步工作内容。 6 西北大学硕士学位论文 第二章w s n 在文物保护中的应用概述 进入信息时代，现代化的文物保护技术无疑成为了一种发展趋势，特别是传感器技 术的出现，使得这一恫题得到了有效的解决。本章将阐述传统土遗址保护中存在的问题， 围绕w s n 与文物保护相结合的现状，分析w s n 应用于文物保护领域的优势，以及在 土遗址微环境监测中的数据收集问题。 2 1 土遗址保护中微环境监测问题 中国是一个具有五千年悠久历史的文明古国，文物分布遍及全国，文物保护任务复 杂而艰巨。当前，因技术、资金和管理等方面的原因，导致很多文物被损坏或丢失，如 何科学而有效地对文物进行保护和管理是文物管理部门面临的巨大挑战。无线传感器网 络不需要固定网络支持，具有快速展开、抗毁性强、易于扩充、测量准确等特点，十分 适用于文物储藏室环境监测，防盗与古建筑结构健康监测。 土遗址的保护研究发现，对土遗址稳定性有影响的环境因素较为复杂，包括土层厚 度、地下水等地质环境，温度、湿度等微气象环境，人为导致的空气污染，甚至是交通 运输或者工业等导致的震动等【4 】。这些环境因素导致了土遗址受到多种病害的威胁：虫 害、霉菌、盐害、土层松动脱落、整体裂缝等。如此继续下去必将引发大规模坍塌等更 严重的毁坏最终导致土遗址的毁灭。复杂的环境因素和土遗址本身状态的复杂性也对保 护工作提出了更高的要求。 随着土遗址保护研究的不断深入，许多土遗址保护专家认识到对土遗址微环境的监 测和控制越来越重要。通过对遗址所处环境监测数据进行分析，寻找适合文物生存的环 境状态。在此基础上对土遗址健康度进行监测，使得当健康度发生变化时，遗址保护工 作者可以及时采取措施。同时，越来越多的文物保护学者也意识到，改善土遗址所处的 环境是对其长期保护的有效手段，比在遗址实体上进行保护更为必要。因此，对文物所 处环境、以及文物本身健康度的监测就成为土遗址保护的一项长期工作。 一般来说，与土遗址有关的环境数据主要包括温度、湿度、蒸发量、气体成分、降 尘、微震动等【5 卅。对土遗址的保护研究即收集上述环境数据，在此基础上通过后期数 据分析，对遗址的保护工作提供指导。因此，长期精确地采集土遗址环境数据显得十分 重要，研究人员利用这些精确的监测数据可以统计推断出环境气象的主要特点，将环境 气象的特点与土遗址本体的病害情况相结合，就可以得到病害和环境之间的相关联系， 7 第二章w s n 在文物保护中的应用概述 从而可以从根本上控制遗址病害发生的源头。据相关研究表明，各种微气象环境即小范 围内的温度、湿度、某些气体浓度等是影响遗址保护的重要因素，这些数据有利于直接 了解遗址局部的环境特征，为判断遗址的病害原因提供依据。 目前土遗址环境监测主要采用传统的方法，即工作人员手工监测遗址所处的环境， 所以在传统的条件下要做到“提前预防，由被动变为主动”的监测保护是很难实现的，这 种传统的监测统计方法存在以下问题： 1 工作量庞大，需要耗费大量的人力、物力，维护费用较高。 2 文物监测单位工作人员频繁进出土遗址文物，对文物本身造成一定的影响。 3 人为因素造成的数据失实和缺乏实时性的事件时有发生，阻碍了土遗址保护 的研究工作，影响了遗址保护部门做出管理决策的可靠性。 4 对土遗址环境监测数据的存储和管理，数据利用率低。大多数遗址的环境监测 数据缺乏专门的数据库存储和综合展示系统，使得环境监测数据成为一个信息 孤岛，不利于文物保护部门之间的信息共享。 2 2w s n 在土遗址微环境监测中的优势 结合无线传感器网络的自身特点，不难发现它非常适用于土遗址的环境监测。可以 根据文物保护部门的需要，将传感器节点合理地部署在遗址空间环境中内，并配置相应 的传感器以监测遗址所在环境中例如温度、湿度、光照和振动等数据，将采集的数据进 行结构化存储，提供给文物保护部门专业人员进行分析。在土遗址微环境监测过程中， w s n 相对于传统方式具有的优点概括如下【l o 】： 1 部署便捷、扩展便利。w s n 以其无线通信和自组网络的特性，使得在监测环境 中部署传感器节点有了极大的便利，可以将监测对文物的影响降到最低。 2 人工干预少。w s n 以其自组网的特性，一经部署可以通过远程控制的方式给节 点发送指定命令，例如更改数据采集频率以及采集数据种类等操作。 3 多点数据、多种数据采集形成三维动态数据模型。传统的环境监测大多是单点 监测，不能对监测区域进行有效地覆盖，而w s n 可以通过其部署便捷的特点对 监测区域进行三维整体覆盖，以对监测区域形成三维动态数据模型。 4 智能预警。人工预警的方式需要人为监控，开销大且效果不好，是一种被动方 式的预警，而w s n 可以对监测区域中发现不合要求的数据及时主动向监控中心 报警，以便通知相关人员及时处理。 8 西北大学硕士学位论文 因此，将w s n 用于土遗址的保护工作中，通过传感器网络监测得封的环境数据和 文物健康度信息数据，为文物保护专业人员探索适合文物生存的环境特点提供数据支 持，并且w s n 在监测文物环境过程中可以智能的发布预警警告，既能提高遗址的保护 水平又能节省人力资源，降低劳动强度。 2 3w s n 应用于文物保护研究现状 在探索无线传感器网络潜在应用的研究中，国内外的研究人员已经将w s n 应用于 文物保护领域进行很多尝试，下面将简要阐述国内外几个经典案例： 2 0 0 6 年中科院计算技术研究所传感器网络实验室，将传感器网络技术应用于故宫文 物展厅内的环境监测中。该系统主要用于采集文物展陈环境数据，实时监测展室中的温 度、湿度、光照度等各项环境指标。得到了故宫博物院的认可，于2 0 0 7 年正式订购。 在2 0 0 8 年的a c m i e e e 国际传感器信息处理会议上作为应用展示【7 1 。 浙江大学网络与媒体实验室，在莫高窟部署传感器网络监测文物微环境变化状态【s 】， 部署区域由5 7 个大小不一的洞穴组成。为了保证连通性，每个洞穴的节点( 3 7 个) 形 成一个簇，簇头布置在洞口。具体的拓扑结构由洞穴的复杂性决定，而非洞穴大小。根 据实际情况有可能采用多条路由。 意大利特伦托大学的研究者在t o n e a q u i l a 塔部署了w s n 监测系统，用来监测其建 筑结构和环境参数。类似的应用还有葡萄牙马德拉大学将w s n 应用于f o r t a l o z as 的 t i a g o 博物馆，对陈展的艺术品进行环境监测。 韩国的无线传感器网络学者j o n g w o os u n g 等，在寺庙周围部署传感器网络节点， 对寺庙周围的森林进行火灾探测【9 】。为了减小误报率，节点上同时配置5 种传感器，通 过多种数据综合判断火灾，有效地提高了系统的回应速度和可靠性。 根据目前w s n 领域的研究现状，在设计w s n 土遗址微环境监测解决方案时，难 点不在于给出一个可以使用的解决方案，而是如何针对特定应用需求和场景特点对系统 进行改进，使其能够更高效的工作在特定的应用中。其中涉及的关键技术很多，例如， 数据融合、路由算法、数据传输可靠性、节点容错处理、安全问题等。本文将针对土遗 址微环境监测的需求和特点，着重解决应用于土遗址微环境监测中高效的数据路由和数 据传输可靠性问题，并设计w s n 网络层路由协议、数据转发协议。 9 第二章w s n 在文物保护中的应用概述 2 4 土遗址微环境监测应用特点与需求 在上述的应用实例中，w s n 用于文物保护取得了很好的应用效果，但是本文涉及 的土遗址微环境监测应用中，有着与之前案例不同的需求和特点，本文后面的工作即针 对这些特点来设计网络层协议，现将其应用特点概括如下： 1 监测区域固定，可以进行人工逐点部署。遗址文物周边都被设置成为文物保护 区域，并且有专人负责看守。 2 监测区域人为影响因素较小。由于有专人负责值守且不轻易允许在文物保护区 域内进行人工操作，所以节点在部署区域部署后，节点间的无线通信信道受到 的外界人为干扰较小。 3 数据采集多样性，应用中需要配置多种传感器材，例如温度、光照、微震动、 湿度、空气化学成分等传感器。 4 能量有效性，由于需要长期的进行监测，所以设计的w s n 网络协议应尽可能的 延长网络寿命。 5 数据完整性，由于w s n 只是充当对微环境状态数据采集的任务，采集得到的数 据需要交给文物保护科研人员进行二次分析，所以对于采集数据的连续性、完 整性、有效性都有较高要求。 6 大量数据传输问题，随着传感器节点硬件设备的成熟，w s n 收集监测区域的监 测数据种类越来越多，在很多应用中需要传输微震动数据、视频数据，这些类 型的数据量都是非常大的，在关键的数据转发节点可能发生数据拥塞，影响数 据的连续性，需要设计合适的拥塞控制算法应对可能发生的网络拥塞。 7 个别节点需要着重考虑其能量有效性，在进行微环境监测时，需要将采集震动 数据的节点和采集土壤成分传感器节点置于遗址的敏感且易损坏区域，那么一 经部署不宜再进行触碰，而其余节点在电池能量消耗完之后，可以方便地进行 人为的电池更换。所以设计w s n 网络协议时，要保证位于遗址敏感且易损坏位 置的特殊节点的能量有效性，使其承担较小或者尽量不要承担数据转发任务。 2 5 土遗址微环境监测数据收集问题 如同前文在w s n 应用于文物保护现状中的分析，w s n 应用于具体应用场景，难点 不在于设计一个可用的系统，而是需要在特定的场景条件下来简化设计，以降低系统实 1 0 西北大学硕士学位论文 现难度和系统运行时复杂度，进而达到能量高效的最终目饷。将w s n 应用于土遗址微 环境监测中，其最基本的功能在于监测数据的收集，本文也以此为切入点，研究在特定 场景下的网络层协议，来解决土遗址微环境监测中数据转发、数据路由问题。 1 土遗址微环境监测中数据转发问题 众所周知w s n 使用的无线链路是开放有损传播介质，链路丢包率相对于传统互联 网络要高很多，而且其c s m a c a 的链路传输方式，为了处理隐藏站问题，使得其在链 路层发送数据时的竞争相对激烈。通过上一节中对土遗址应用场景特点的分析，可以看 到j 土遗址微环境监测对于数据的有效性和连续性要求较高，并且需要传输大量数据， 因此，在进行网络层协议设计时，需要考虑数据可靠性、完整性，以及网络吞吐量问题。 2 土遗址微环境监测中路由选择问题 由于土遗址属于珍贵文物，节点部署后不宜再进入监测区域进行电池更换，因此在 整个网络协议设计中，能量有效性以及整个网络能量均衡性是设计路由协议的首要目 标。在设计路由协议时需要考虑应用的特殊需求，比如处于敏感位置的节点不宜再进行 触碰，而其余节点可以较方便的更换电池，那么在设计路由协议时需要让这样的节点不 要承担数据转发的任务。另外，应用场景中可供利用的便利条件有很多，如监测场地固 定，可以逐节点进行部署且节点一经部署不再移动等，可以以此来简化路由协议的设计。 2 6 本章小结 本章首先分析了文物保护中环境监测数据收集和管理中存在的问题，根据w s n 应 用于文物保护领域的研究现状，挖掘w s n 在土遗址微环境监测应用中的优势。分析土 遗址微环境监测应用对w s n 系统的需求，结合其存在的数据转发和路由问题，并以此 作为后面章节w s n 网络层协议的设计目标，同时结合本章对应用中实际场景特点的分 析，来简化网络层协议设计。 第三章w s n 协议栈选择与网络层模块划分 第三章w s n 协议栈选择与网络层模块划分 本章首先分析w s n 协议栈研究现状，并根据土遗址微环境监测的应用特点，分析 在w s n 网络层解决应用丰路由选择、数据转发问题的可行性与有效性。其次，针对 w s n 协议栈网络层越来越多的功能需求，对网络层内部实现进行功能解耦。最后，选 择适合于土遗址微环境监测应用的协议栈模型。 3 1w s n 协议栈的发展 虽然无线传感器网络的应用很广泛，并且w s n 学术界的研究也非常火热，由于 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准只规定了底层：即单一媒体访问控制m a c 层和多样的物理层，而 m a c 层以上的协议可以采用不同的方案j 。早期的学者们认为，w s n 是应用相关型网 络，且w s n 节点具有嵌入式设备特性，所以他们认为w s n 不应该像传统互联网，拥 有固定的协议栈结构，取而代之的是视不同的应用进行不同的结构调整。再加上早期对 于传感器网络的研究更多是关注一个关键技术点的理论研究，如在研究路由协议时，对 m a c 协议和上层应用进行一定的假设；在研究定位算法时，对路由协议和m a c 协议 进行假设，所以这种思想在早期也得到了一部分学者的认同。 但是在 1 2 】中对w s n 协议栈标准的论述里，总结出协议栈必须标准化的三个原因： 1 标准是该领域精英从通信的稳定性、可靠性、安全性角度出发，把握了通信过 程中的难点，提出的解决方案。 2 标准是一种规则，符合了标准，那么不同产品就能够实现互联互通，才能够在 这个领域占有一席之地。 3 产品的通用性和可移植性，最大程度的实现资源的共享，减少各个环节的投入， 无疑降低了开发成本，使其更具有竞争力。 随着无线传感器网络软、硬件设备的发展以及关键技术的突破，其越来越多的进入 社会生活里的智能应用中，而没有统一的协议栈结构限制了w s n 在实际应用中的进一 步发展。标准的协议栈结构给w s n 研究人员提供了一个相互交流的平台，大家可以对 其中一个模块进行研究，而且该研究成果可以通过协议栈严格的模块划分让他人复用， 以此降低二次开发成本，从而降低w s n 在实际应用中的开发难度。 1 2 西北大学硕士学位论文 3 2w s n 协议栈研究现状 图3 - l 基于o s i 的w s n 协议栈五层模型 如图3 1 所示，一般而言，w s n 协议栈仿照o s i 五层网络模型1 1 ，分为物理层、数 据链路层、网络层、传输层、应用层，同时针对w s n 特殊性，又在各个功能层次间提 供了能量管理、移动管理、任务管理等功能。由于w s n 是应用相关型网络，所以这种 结构只是建议性质的，各层主要功能概要描述如下： 1 物理层：主要负责载波频率的产生，信号的调制，链路质量指示，空闲信道评 估，和接收的信号强度指示( r s s i ) 等。 2 数据链路层：通过物理网络链路提供可靠的数据传输，检测数据帧，媒体访问 和差错控制。 3 网络层：负责路由生成、路由选择、路由维护，实现节点与节点之间的通信。 并且针对w s n 多跳无线传输和链路质量不稳定的特点，在目前的研究中，网络 层增加了很多局部数据控制功能。 4 传输层：负责将传感器网络的数据提供给外部，通过端到端的数据流传输控制 或者集中式控制，对通信的服务质量进行保证。由于传输层是建立在数据链路 层和网络层提供的服务之上，如果数据链路层和网络层提供的服务是高效可靠 的，那么传输层就不是必须的。 5 应用层：根据w s n 在各种具体应用环境中的不同需求，制定一系列的功能封装。 在w s n 协议栈的研究中，z i g b e e 联盟和6 l o w p a n 开源组织是目前最主要的两支 力量，而且他们都在推动各自w s n 协议栈的标准化，越来越多的学者和开发者也都投 身其中，下面简要介绍z i g b e e 与6 l o w p a n 的协议栈结构： 1 3 第三章w s n 协议栈选择与阿络层模块划分 1 z i g b e e t l 3 l 用户应用程序 应用层 设备配置子层 设备对象子层 应用支持子层 网络层 i e e e 8 0 2 1 5 4 i e e e 8 0 2 2l l c l l c s s c s i e e e 8 0 2 1 5 4m a c i e e e 8 0 2 15 4 i e e e 8 0 2 15 4 8