無線傳感器網絡及其在光纜干線預防性維護中的應用設計

無線傳感器網絡是一種自組織網絡，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、環境監測等方面。本文根據光纜干線預防性維護需求和無線傳感器網絡的特點，給出了基于無線傳感器網絡的光纜干線預警系統的設計方案。
關鍵詞：無線傳感器網絡，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絡—無線傳感器網絡逐步發展起來了，因其具有開設簡單、價格低廉、抗毀性強、隱蔽性高等優勢，在發達國家得到了很好的應用。

2．無線傳感器網絡及其特點
無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network, WSN）是一種新型的信息獲取系統，是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地監測、感知和采集網絡覆蓋區域內各種感知對象的信息，并對這些信息進行處理，最終發送給觀察者。無線傳感器網絡是一種低功耗、自組織網絡，一般由一個或多個基站（Sink節點）和大量部署于監測區域、配有各類傳感器的無線網絡節點構成。每個節點成本低，功耗小，具有一定計算處理能力、通信能力。雖然單個節點采集數據并不精確，也不可靠，但是大量節點相互協作形成高度統一的網絡結構，提高了數據采集的準確度和運行的可靠性，可部署于在敵占區、災害區、核反應堆等人力不可達的特殊區域進行數據采集、傳輸等，具有其他網絡無法比擬的特性，可廣泛用于國防、環境監測、智能家居等領域。
與蜂窩網、無線局域網等其它無線通信網絡相比，無線傳感器網絡有其自身的顯著特點：
l) 分布式、自組織性。無線傳感網是由對等節點構成的網絡，不存在中心控制。管理和組網都非常簡單靈活。不依賴固定的基礎設施，每個節點都具有路由功能，可以通過自我協調、自動布置而形成網絡，不需要其它輔助設施和人為手段。
2)健壯性。由于能量限制、環境干擾和人為破壞等因素的影響，傳感器節點會損壞，導致一些傳感器節點不能正常工作，但隨機分布的大量節點之間可以協調互補，保證部分傳感器節點的損壞不會影響到全局任務。
3)可擴展性。當網絡中增加新的無線傳感器節點時，也不需要其它外界條件，原有的無線傳感器網絡可以有效地融納新增節點，使新增節點快速融入網絡，參與全局工作。
4)動態拓撲。無線傳感器網絡是一個動態的網絡，網絡內的節點可能會因為能量耗盡或其他故障退出網絡;有些節點可能處于工作狀態，有些節點可能處于關閉狀態，沒有參與網絡通訊;也有可能又會新增大量的節點融入網絡，這些都會使網絡的拓撲結構隨時發生變化。
5)應用相關。無線傳感器網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點硬件平臺、軟件系統和網絡協議。無線傳感器網絡不能象Internet一樣具有統一的通信協議平臺，必須針對具體應用來研究傳感器網絡技術。這也是無線傳感器網絡區別于傳統網絡系統的顯著特征。
6)規模大。為了提高網絡的可靠性，通常在目標區域內部署大量傳感器節點，傳感器網絡可能包含多達數千甚至上萬個傳感器節點。傳感器網絡的大規模性還能夠通過不同空間視角獲得更大的信噪比，從而提高監測準確性。
7)高冗余。節點的大規模部署使得無線傳感器網絡通常具有較高的節點冗余，網絡鏈路冗余以及采集的數據冗余，從而使得系統具有很強的容錯能力。
8)空間位置尋址。無線傳感器網絡一般不需要支持任意兩個傳感器節點之間的點對點通信，傳感器節點不必具有全球唯一的標識，不必采用因特網的IP尋址。用戶往往不關心數據采集于哪一個節點，而關心數據所屬的空間位置，因此可采取空間位置尋址方式。從這個意義上講，傳感器網絡通常以數據本身作為查詢或傳輸線索，因此傳感器網絡是一個以數據為中心的網絡。

3．光纜干線預防性維護需求
光纖通信傳送網是其它業務網系的基礎，光纖通信傳送網一旦出現阻斷，將影響其承載的各業務網系，因此，如何采取措施，預防光纖通信傳送網的阻斷，就顯得尤為重要。在光纖通信傳送網的阻斷中，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性的特點，因此，我們可以應用無線傳感器網絡對光纜干線經過的險情高發地段進行監測和預警，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。

4．基于無線傳感器網絡的光纜干線預警系統的設計
通信光纜干線一般部署于地表以下的土壤層，當地質情況發生變化（如：滑坡、塌方、地基沉降等）時，容易毀損光纜，造成通信中斷，影響通信網絡的正常運行。為此，我們可以設計一個基于無線傳感器網絡的光纜干線預警系統，其架構如圖1所示，系統由數據采集子系統、數據傳輸子系統、數據管理子系統構成。

數據采集子系統由相應的傳感器及其變送器構成，負責土壤應力、溫度、濕度等狀態信息的采集，各傳感器部署于待監測路段土壤層，其采集的信息通過WSN節點的A/D轉換接口進入節點。
數據傳輸子系統由無線傳感器網絡節點，微控制單元(Micro Controller Unit，MCU)，GPRS/GSM/CDMA模塊，衛星通信網組成，負責將采集的數據上傳到管理中心。無線傳感器網絡節點具有雙重功能，一方面連接各類傳感器，接收相應數據，另一方面，負責數據打包、傳輸等，充當路由者。無線傳感器網絡是一種自組織網絡，一經部署即可自動組網，可以自主選擇下一跳節點，從而使數據通過多個節點以多跳中繼的方式上傳到sink節點。微控制單元負責接收并通過GPRS/GSM/CDMA模塊轉發數據到管理中心。GPRS/GSM/CDMA數傳模塊、衛星通信網主要用于實現遠程數據的傳輸，一般待監測的區域距離管理中心較遠，采用GPRS/GSM/CDMA的數傳方式顯得更為靈活和高效。
數據管理子系統是系統的管理中心，用于系統數據存儲、管理、分析、顯示、維護的子系統，主要包括數據庫服務器、應用服務器及相關配套設施，負責對采集到的數據進行存儲和管理。比如系統根據采集到的數據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生滑坡、沉降等災害，系統自動發出聲光預警，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，數據管理子系統還包括基于B/S模式的數據查詢、顯示系統，客戶機可以通過數據傳輸網（DCN）訪問系統，為網管中心等通信網絡管理部門隨時查看和分析某地區通信光纜的安全狀態提供訪問手段。管理中心部署在各地區的維修中心，系統一旦發出預警，值班人員可立即通知線路維護人員到系統指示的地點進行預防性維護，確保光纖通信傳送網安全可靠地運行。