无线传感器网络在文物保护中的应用

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摘 要:无线传感器网络是计算､通信和传感器三项技术结合的产物,被视为环境监测和建设监测的一个发展方向,有着广泛的应用领域,文物保护是其潜在的应用领域之一｡介绍无线传感器网络的特点及其在文物保护中应用的必要性,提出博物馆文物保护系统无线传感器网络构建方案,以及无线传感器网络节点､汇节点和博物馆监控中心软件等部分的设计方案｡与传统的文物保护系统相比,该系统具有易于扩充,测量准确等特点｡

关键词:无线传感器网络;节点;文物保护

中图分类号:TP399文献标识码:A

1 引 言

众所周知,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(Wireless Sensor Networks.简称WSNs)是计算､通信和传感器三项技术相结合的产物,目前成为计算机科学领域一个活跃的研究分支｡2003年2月份的美国技术评论杂志(《Technology Review》)评出对人类未来生活产生深远影响的十大新技术,传感器网络被列为第一[1]｡随着无线通信技术和电子器件技术的进步,促进了低成本､低功耗､体积小､多功能(感知､处理､通信功能)传感器的发展,从而使得开发低成本的传感器网络成为可能,从而使其具有更加广泛的应用领域｡

无线传感器网络被视为环境监测､建筑监测的一个发展方向｡它不需要固定网络支持,具有快速展开,抗毁性强等特点｡无线传感器网络典型工作方式是:使用飞行器将大量传感器节点(数量从几百到几千个)抛撒到感兴趣区域,节点通过自组织快速形成一个无线网络｡节点既是信息的采集和发出者,也充当信息的路由者,采集的数据通过多跳路由到达网关｡网关是一个特殊的节点,可以通过Internet､移动通信网络､卫星等与监控中心通信｡

无线传感器网络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｡对于文物储藏室的环境监测,将传感器节点合理部署在展室或储藏室内,可以测得文物存放环境的温度､湿度､光照和振动等数据,如果不合要求及时向监控中心报警,以便通知相关人员及时处理｡利用加速度传感器测量振动,如果有振动异常,就会立即报警,监控中心收到报警信息后,立即派人到现场查看是否有穿墙､挖地洞等偷盗文物的行为发生或古建筑结构有异常变化｡因此,将无线传感器网络用于文物保护,既能提高文物的保护水平又能节省人力资源,降低劳动强度｡

2 网络拓扑结构和工作原理

本文提出的无线传感器网络用于构建博物馆或文物保护单位的文物保护系统,用GPRS及Internet网络进行数据通信,GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线业务)是第2.5代移动通信技术,网络覆盖范围广,适合突发数据应用业务,一般GPRS模块的数据传输率为115.2Kbps;同时采用支持Zigbee规范的传感器网络｡网络由大量分布在各个文物展室的无线传感器节点､汇节点和博物馆监控中心等3个部分组成,如图1所示,每个展室内安放几个传感器节点,由展室面积大小等因素决定｡这是一个基于簇(Cluster)的分层结构,它具有天然的分布式处理能力,簇头就是分布式处理中心即无线传感器网络的一个汇节点,物理位置临近的若干个展室设置一个汇节点｡每个簇成员(即各展室内的传感器节点)都把数据传给相应簇头,簇头将数据融合后,直接将数据传送到博物馆监控中心｡博物馆监控中心通过GPRS及Internet网络与多个汇节点连接,汇节点和展室内的传感器节点之间通过Zigbee技术实现无线的信息交换,带有射频收发器的无线传感器节点负责对数据的采集和处理并传送给汇节点;博物馆监控中心通过GPRS及Internet网络从汇节点获取采集到的相关信息,实现对展室的监测｡

计算技术与自动化2007年6月第26卷第2期何文德等:无线传感器网络在文物保护中的应用

3 传感器节点的设计

无线传感器网络微型节点被放置在各个文物展室中,测量文物所处环境的温度､湿度､光照和振动等参数,并将其传送给对应的汇节点｡节点的硬件主要由数据采集､数据处理､数据传输和电源管理4部分电路组成,如图2所示｡

数据采集部分负责文物展室内的环境数据采集和数据转换,数据采集部分包括温度传感器MLX90601､湿度传感器DS18B20､光强度传感器TSL2550D､两维数字加速度计ADXL202 AE共四个传感器,分别采集文物展室内的温度､湿度､光照和振动等参数｡

数据处理部分由Atmel公司的ATmega128L微控制器实现,它采用低功耗COMS工艺生产､是基于RISC结构的8位微控制器,功能强大,负责控制整个节点的处理操作､路由协议､同步定位､功耗管理､任务管理等;数据传输单元负责与汇节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据｡ATmega128L微控制器具有片内128KB的程序Flash,4KB的数据SRAM,可外扩到64KB的E2PROM｡此外,它还有8个10位ADC通道,2个8位和2个16位硬件定时/计数器,并可在多种不同的模式下工作;8个PWM通道､可编程看门狗定时器和片上振荡器､片上模拟比较器;UART､SPI､I2C总线接口､JTAG接口｡除了正常操作模式外,还具有六种不同等级的低功耗操作模式,每种模式具有不同的功耗｡

射频模块选用由Chipcon公司生产的低功耗､短距离无线通信模块CC2420组成｡这是一款符合ZigBee技术规范的高集成度工业用射频收发器件,其MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范,工作于2.4GHz频段｡该芯片只需很少器件,可确保短距离通信的有效性和可靠性｡数据传输模块支持的数据传输率高达250kbps,可以实现多点对多点的快速组网,系统体积小､功耗小,适于电池供电[2]｡

在用于文物保护的无线传感器网络中,节点的供电不宜采用常规的交流供电方式,因为在展室内铺设电线会增加展室的火灾安全隐患以及增加施工量,所以节点电源由两节1.5V碱性电池组成｡电源管理单元用于选通所用到的传感器,本课题采用多路器芯片ADG715BRU,在I2C总线的控制下选通所用到的传感器,即让传感器在使用时才带电,使节点更节能｡

在节点的硬件设计方面,应该尽量采用低功耗器件,在没有通信任务时,切断射频部分的电源供应;在节点的软件设计方面,各个层次的通信协议都要以节能为中心｡

4 其它部分设计

4.1 汇节点的设计

网络的汇节点(Sink Node),用于收集物理位置相对集中的一些展室内的传感器节点上报的数据,将这些数据聚集后,通过GPRS无线网络,传送给监控中心;监控中心也可以通过汇节点向各个展室内的传感器节点查询和监视命令,传感器节点对命令作响应,采集数据,并将结果通过汇节点反馈给监控中心｡汇节点的硬件构成如图3所示｡

4.2 博物馆监控中心软件设计

博物馆监控中心软件由管理员登陆､配置管理､监控管理､故障管理和数据库五个模块组成,如图4所示｡它通过GPRS及Internet网络,与多个分布在博物馆内不同物理位置的汇节点间接连接在一起,监控模块通过对计算机网络的实时监控,实现对分布式汇节点上报信息的及时接收､解析､处理以及发送控制信令给不同ID的汇节点,实现对分布在各个文物展室内传感器节点的间接､实时监控和数据采集｡监控中心软件就是一个MIS系统,后台数据库采用Microsoft公司的SQL Server 2000数据库进行开发,软件的前台采用C#编程语言开发｡数据通信可靠性和实时性两者的平衡,由本课题自定义的应用层网络通信协议来保证｡

5 结束语

无线传感器网络是一种新的信息获取和处理技术｡在某些特殊应用领域,它有着传统技术无法比拟的优势｡文物保护仅仅是无线传感器网络的潜在的应用领域之一,随着科学技术的进一步发展,无线传感器网络必将会有更多的实际应用领域和广阔的应用前景｡

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。