無線傳感器網(wǎng)絡及其在光纜干線預防性維護中的應用設計

無線傳感器網(wǎng)絡是一種自組織網(wǎng)絡，具有快速展開、抗毀性強等特點，廣泛應用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測等方面。本文根據(jù)光纜干線預防性維護需求和無線傳感器網(wǎng)絡的特點，給出了基于無線傳感器網(wǎng)絡的光纜干線預警系統(tǒng)的設計方案。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡，光纜干線，預防性維護，設計方案

1．引言
隨著通信技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和傳感器技術的飛速發(fā)展和不斷融合，一種具有感知能力、計算能力和通信能力的新型網(wǎng)絡―無線傳感器網(wǎng)絡逐步發(fā)展起來了，因其具有開設簡單、價格低廉、抗毀性強、隱蔽性高等優(yōu)勢，在發(fā)達國家得到了很好的應用。

2．無線傳感器網(wǎng)絡及其特點
無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network, WSN）是一種新型的信息獲取系統(tǒng)，是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)各種感知對象的信息，并對這些信息進行處理，最終發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡是一種低功耗、自組織網(wǎng)絡，一般由一個或多個基站（Sink節(jié)點）和大量部署于監(jiān)測區(qū)域、配有各類傳感器的無線網(wǎng)絡節(jié)點構成。每個節(jié)點成本低，功耗小，具有一定計算處理能力、通信能力。雖然單個節(jié)點采集數(shù)據(jù)并不精確，也不可靠，但是大量節(jié)點相互協(xié)作形成高度統(tǒng)一的網(wǎng)絡結構，提高了數(shù)據(jù)采集的準確度和運行的可靠性，可部署于在敵占區(qū)、災害區(qū)、核反應堆等人力不可達的特殊區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)龋哂衅渌W(wǎng)絡無法比擬的特性，可廣泛用于國防、環(huán)境監(jiān)測、智能家居等領域。
與蜂窩網(wǎng)、無線局域網(wǎng)等其它無線通信網(wǎng)絡相比，無線傳感器網(wǎng)絡有其自身的顯著特點：
l) 分布式、自組織性。無線傳感網(wǎng)是由對等節(jié)點構成的網(wǎng)絡，不存在中心控制。管理和組網(wǎng)都非常簡單靈活。不依賴固定的基礎設施，每個節(jié)點都具有路由功能，可以通過自我協(xié)調(diào)、自動布置而形成網(wǎng)絡，不需要其它輔助設施和人為手段。
2)健壯性。由于能量限制、環(huán)境干擾和人為破壞等因素的影響，傳感器節(jié)點會損壞，導致一些傳感器節(jié)點不能正常工作，但隨機分布的大量節(jié)點之間可以協(xié)調(diào)互補，保證部分傳感器節(jié)點的損壞不會影響到全局任務。
3)可擴展性。當網(wǎng)絡中增加新的無線傳感器節(jié)點時，也不需要其它外界條件，原有的無線傳感器網(wǎng)絡可以有效地融納新增節(jié)點，使新增節(jié)點快速融入網(wǎng)絡，參與全局工作。
4)動態(tài)拓撲。無線傳感器網(wǎng)絡是一個動態(tài)的網(wǎng)絡，網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點可能會因為能量耗盡或其他故障退出網(wǎng)絡;有些節(jié)點可能處于工作狀態(tài)，有些節(jié)點可能處于關閉狀態(tài)，沒有參與網(wǎng)絡通訊;也有可能又會新增大量的節(jié)點融入網(wǎng)絡，這些都會使網(wǎng)絡的拓撲結構隨時發(fā)生變化。
5)應用相關。無線傳感器網(wǎng)絡用來感知客觀物理世界，獲取物理世界信息。不同的傳感器網(wǎng)絡應用關心不同的物理量，因此不同應用背景將導致不同的節(jié)點硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡不能象Internet一樣具有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺，必須針對具體應用來研究傳感器網(wǎng)絡技術。這也是無線傳感器網(wǎng)絡區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡系統(tǒng)的顯著特征。
6)規(guī)模大。為了提高網(wǎng)絡的可靠性，通常在目標區(qū)域內(nèi)部署大量傳感器節(jié)點，傳感器網(wǎng)絡可能包含多達數(shù)千甚至上萬個傳感器節(jié)點。傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模性還能夠通過不同空間視角獲得更大的信噪比，從而提高監(jiān)測準確性。
7)高冗余。節(jié)點的大規(guī)模部署使得無線傳感器網(wǎng)絡通常具有較高的節(jié)點冗余，網(wǎng)絡鏈路冗余以及采集的數(shù)據(jù)冗余，從而使得系統(tǒng)具有很強的容錯能力。
8)空間位置尋址。無線傳感器網(wǎng)絡一般不需要支持任意兩個傳感器節(jié)點之間的點對點通信，傳感器節(jié)點不必具有全球唯一的標識，不必采用因特網(wǎng)的IP尋址。用戶往往不關心數(shù)據(jù)采集于哪一個節(jié)點，而關心數(shù)據(jù)所屬的空間位置，因此可采取空間位置尋址方式。從這個意義上講，傳感器網(wǎng)絡通常以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索，因此傳感器網(wǎng)絡是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡。

3．光纜干線預防性維護需求
光纖通信傳送網(wǎng)是其它業(yè)務網(wǎng)系的基礎，光纖通信傳送網(wǎng)一旦出現(xiàn)阻斷，將影響其承載的各業(yè)務網(wǎng)系，因此，如何采取措施，預防光纖通信傳送網(wǎng)的阻斷，就顯得尤為重要。在光纖通信傳送網(wǎng)的阻斷中，有一部分阻斷是由滑坡、塌方、地基沉降等自然災害引起的，并且在同一地段具有多發(fā)性的特點，因此，我們可以應用無線傳感器網(wǎng)絡對光纜干線經(jīng)過的險情高發(fā)地段進行監(jiān)測和預警，提前預報險情，提醒線路維護人員提前進行路基加固定、線路搶代通及線路整改等準備工作，將安全隱患消滅在萌芽狀態(tài)。

4．基于無線傳感器網(wǎng)絡的光纜干線預警系統(tǒng)的設計
通信光纜干線一般部署于地表以下的土壤層，當?shù)刭|情況發(fā)生變化（如：滑坡、塌方、地基沉降等）時，容易毀損光纜，造成通信中斷，影響通信網(wǎng)絡的正常運行。為此，我們可以設計一個基于無線傳感器網(wǎng)絡的光纜干線預警系統(tǒng)，其架構如圖1所示，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)構成。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由相應的傳感器及其變送器構成，負責土壤應力、溫度、濕度等狀態(tài)信息的采集，各傳感器部署于待監(jiān)測路段土壤層，其采集的信息通過WSN節(jié)點的A/D轉換接口進入節(jié)點。
數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，微控制單元(Micro Controller Unit，MCU)，GPRS/GSM/CDMA模塊，衛(wèi)星通信網(wǎng)組成，負責將采集的數(shù)據(jù)上傳到管理中心。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點具有雙重功能，一方面連接各類傳感器，接收相應數(shù)據(jù)，另一方面，負責數(shù)據(jù)打包、傳輸?shù)?，充當路由者。無線傳感器網(wǎng)絡是一種自組織網(wǎng)絡，一經(jīng)部署即可自動組網(wǎng)，可以自主選擇下一跳節(jié)點，從而使數(shù)據(jù)通過多個節(jié)點以多跳中繼的方式上傳到sink節(jié)點。微控制單元負責接收并通過GPRS/GSM/CDMA模塊轉發(fā)數(shù)據(jù)到管理中心。GPRS/GSM/CDMA數(shù)傳模塊、衛(wèi)星通信網(wǎng)主要用于實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的傳輸，一般待監(jiān)測的區(qū)域距離管理中心較遠，采用GPRS/GSM/CDMA的數(shù)傳方式顯得更為靈活和高效。
數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)是系統(tǒng)的管理中心，用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲、管理、分析、顯示、維護的子系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)庫服務器、應用服務器及相關配套設施，負責對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲和管理。比如系統(tǒng)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)分析土壤應力變化情況，如果應力超限則說明土壤層可能發(fā)生滑坡、沉降等災害，系統(tǒng)自動發(fā)出聲光預警，并顯示具體位置等相關信息，從而可以提示維護人員提前采取必要的補救措施，保證通信光纜不被損壞。同時，數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)還包括基于B/S模式的數(shù)據(jù)查詢、顯示系統(tǒng)，客戶機可以通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)（DCN）訪問系統(tǒng)，為網(wǎng)管中心等通信網(wǎng)絡管理部門隨時查看和分析某地區(qū)通信光纜的安全狀態(tài)提供訪問手段。管理中心部署在各地區(qū)的維修中心，系統(tǒng)一旦發(fā)出預警，值班人員可立即通知線路維護人員到系統(tǒng)指示的地點進行預防性維護，確保光纖通信傳送網(wǎng)安全可靠地運行。