高原环境下基于无线传感器,网络的地震预警系统设计
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摘要：在对拉萨羊易村的自然环境和通信状况进行调研的基础上,提出了一种高原环境下的基于无线传感器网络的地震预警系统。结合该村丰富的太阳能资源, 利用太阳能给改进的传感器装置充电，依据羊易村各组地理位置的分布,给出了最优化的传感器网络结构，并对此结构的关键技术、解决方案和安全性进行了分析。
关键词：高环环境；无线传感器网络；地震预警系统
中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：16727800（2012）007004402
作者简介：陈延利(1981-),女,河南汝州人，硕士，大学工学院讲师，研究方向为移动通信系统；刘明明（1976-），女，吉林长岭人，大学工学院助教，研究方向为电气自动化；姜军（1980-），男，四川遂宁人，硕士，大学工学院讲师，研究方向为信息安全；周丰洲（1988-），男，河南南召人，西南交通大学硕士研究生，研究方向为光纤光栅滤波器。
0引言
2008年10月6日16时30分，拉萨羊易村发生里氏6.6级地震，由于没有通信设施，政府部门和救援队无法实时了解灾区情况，难以实施高效的救援措施。据评估，灾害发生时，无实时监测、预警和应急通信设施是造成损失的重要原因之一。
目前中国移动的通信网络完全覆盖该村，不存在信号盲区。受地理环境的影响，该村目前采用卫星与地面移动网融合的方式，在BSC（Base Station Controller）与BTS(Base Transceiver Station)之间采用卫星链路，原理如图1所示。
图1卫星实现BSC与BTS之间的连接原理图2无线传感器网络组成
结合该村网络覆盖特点，可以在该村组建无线传感器网络实现地震预警系统，利用卫星进行信息传输，节约成本。同时，该村丰富的太阳能资源能够为传感器提供电源保障。
大量具有信息采集、信息处理、无线传输功能的微型传感器结点通过自组织形式组成的分布式智能化网络，即为无线传感器网络（Wireless Sensor Network）。网络中的结点以协作方式对目标区域进行实时监测，感知并采集所关注的环境信息或其它物理量，经过本地的处理，以多跳路由的方式将数据发送到基站，最终传送给相关用户。通过对羊易村地壳活动的信号进行监测，从而起到对当地的预警作用。网络结构如图2所示。
1系统总体结构
1.1传感器结点结构
传感器网络拥有大量的传感器结点，各结点的功能均不相同，本文主要采用振动传感器对地震信号进行监测。传感器结点主要负责收集周边环境振动强度值，并进行分析，当振动信息与地震信息相吻合时发出预警信号。传感器节点主要由传感模块、无线通信模块、处理器模块和电源模块四大模块构成。
（1）传感模块。传感器模块主要由振动传感器和A/D转换器组成，传感器负责采集周边环境的振动信号，A/D转换器将传感器采集的模拟信号转换成数字信号，并发送给处理器模块。
（2）无线通信模块。无线通信模块主要由RF射频收发器构成，主要用2.4GHz的频段与其它结点间进行无线通信、交换控制信息与传输采集的数据。
（3）处理器模块。处理器模块主要由微处理器和存储器组成，处理并存储传感器模块和无线通信模块的数据。
（4）电源模块。电池模块包含电池和能量转换器，其它模块的能量均由电源模块提供。根据监测区域条件，电源供给可采用各种形式。羊易村地处拉萨当雄县，海拔4 500m以上，太阳能资源丰富，传感器外接一个小型太阳能光板，可对电池供电。传感器结点空间有限，通信距离较短，存储量较小，电池白天利用太阳能充电，晚上可以继续使用。
1.2传感器网络结构
羊易村有5个小组，5组聚集地分散，小组之间的距离较远，人口稀少，可采用小规模的传感器网络，通过人工手动放置传感器。为保证各组的监测信息都能及时传输，各小组内的监测网络均有一个网关结点，通过本地的移动网络发送给远程中心。
传感器网络主要由传感器结点、汇聚结点和管理结点组成。传感器结点分布于监测区域内。通过自组织方式形成多个簇，由于簇内各结点电源存储量有限，簇头耗电量相对较大，因此簇头可采用簇内成员轮流的方式产生。簇头负责收集各结点的监测数据，经过初步处理，通过单跳和多跳混合的方式发送给网关结点，网关结点将监测信息通过卫星链路或移动链路传输给远程管理结点，完成整个预警功能。
2关键技术及解决方案
2.1能耗问题
由于传感器网络工作在无人看管的环境,能量主要由电池提供能量,在一定时间内不可能更换电池，因此传感器结点的能量非常有限。对于一般的传感器网络簇内成员，能量消耗主要发生在感知周围环境信息、处理信息、发送信息等过程。而对于簇头,除了与簇内成员有同样的能量消耗外,还要处理成员结点发送的信息,并将此信息发送至网关结点，因而簇头的能量消耗相对于成员结点要多很多。如何处理能量消耗问题,保障传感器网络的正常运行,是传感器网络应用上的关键问题。
一方面，传感器网络分的簇越多,能量消耗越少。文献中指出,采用单跳和多跳混合的方式,能够有效降低能耗。另一方面，羊易村太阳能资源丰富,可利用太阳能给传感器充电。太阳能收集装置所收集的能量通过传感器中的电源模块转化为电能储存在传感器中，传感器可以定时充电，保障能耗。
2.2定位问题
预警系统对于事件发生的位置要求很精确,传感器的定位技术显得尤为重要。GPS的定位比较精确,但对于多山的羊易村来说可能存在信息盲区，同时传感器结点安装GPS的功耗、成本受到限制。因此，在传感器网络初始化时，可布置一定比例的信标结点，信标结点可通过GPS或预设的方式实现定位，发送包含位置信息的信标报文并建立参照坐标系。为了使其它结点了解自己的位置信息，其它未知结点通过向信标结点发送信息，再运用数学的方法计算自己的位置信息。
羊易村范围比较广，与同村的其它组相距较远，最远可达七公里，了解发生事件的位置信息，对于坐落在青藏高原的村落显得非常重要。通过信标结点和数学方法相结合的定位技术能够为当地人提供及时而有效的位置信息。
3安全性分析
由调研的资料显示，羊易村的人口稀少，并处于地壳活跃区域，部署的传感器网络基本处于无人看管的状况，且自然环境恶劣，传感器的物理安全需要采取相应措施加以保障。因此，可对特殊区域的传感器进行定期检查和维修。
由于传感器受资源限制，使得网络难以应用非对称密码体制；无线多跳的通信方式使得窃听和信号干扰等攻击更加容易；客观存在的俘获攻击给网络带来内部攻击的安全隐患。而传感器网络中，广播是应用较多的方式，信息的加解密可采用文献\[5\]中的加密算法，在信息传输的每个环节进行信息的加密和链路的保护，并对用户进行身份验证。这样不仅可以检测接收的信息是否被篡改，还可以在丢失密钥时通过合法用户的其它信息进行解密。便于保证信息传递的有效性和安全性。
4结语
对于复杂环境下的地震监测而言，无线传感器网络是有线网络等方式的有力补充和应急情况下的重要监测途径。本文通过对羊易村的调研，结合当地的通信和环境状况，提供了利用无线传感器网络进行地震监测的思路，并对相应的关键问题进行了分析，研究表明，该传感器网络适用于高原环境的羊易村。
参考文献：
\[1\]程卫芳.无线传感器网络覆盖控制技术研究\[D\].长沙：国防科学技术大学，2008.
\[2\]杨裕欢，薛国凡.无线传感器网络应急通信系统的探析\[J\].中国安防,2003(4).
\[3\]张建明，何熊熊，冯远静.一种新的无线传感器网络节能路由算法\[J\].仪表仪器学报，2009(6).
\[4\]叶阿勇.无线传感器网络节点安全定位\[D\].西安：西安电子科技大学,2006.
\[5\]陈延利，张爱丽，武强.基于K次剩余的多用户概率密码算法\[J\].西南交通大学学报,2007（增刊）.