-
(
文档含英文原文和中文翻译
)
中英文对照翻译
基于网络共享的无线传感网络设计
摘
要:
无线传感器网络是近年来的一种新兴发展技术,它在环境监测、农业和公众健康等方
面有
着广泛的应用。在发展中国家,无线传感器网络技术是一种常用的技术模型。由于无
线传感网络
的在线监测和高效率的网络传送,使其具有很大的发展前景,然而无线传感网
络的发展仍然面临
着很大的挑战。其主要挑战包括传感器的可携性、快速性。我们首先讨
论了传感器网络的可行性
然后描述在解决各种技术性挑战时传感器应产生的便携性。我们
还讨论了关于孟加拉国和加利
尼亚州基于无线传感网络的水质的开发和监测。
关键词:
无线传感网络、在线监测
1
1.
简介
无
线传感器网络,
是计算机设备和传感器之间的桥梁,
在公共卫生
、
环境和农业
等领域发挥着巨大的作用。
一个单一的设备应该有一个处理器,
一个无线电和多个传
感器
。
当这些设备在一个领域部署时,
传感装置测量这一领域的特殊
环境。
然后将监
测到的数据通过无线电进行传输,
再由计算机进行数据分析。
这样,
无线传感器网络<
/p>
可以对环境中各种变化进行详细的观察。
无线传感器网络是能够测
量各种现象如在水
中的污染物含量,水灌溉流量。比如,最近发生的污染涌流进中国松花
江,而松花江
又是饮用水的主要来源。通过测定水流量和速度,通过传感器对江水进行实
时监测,
就能够确定污染桶的数量和流动方向。
不幸的是,
人们只是在资源相对丰富这个条件下做文章,
无线传感器网络的潜力
在很大程度上仍未开发,
费用对无线
传感器网络是几个主要障碍之一,
阻止了其更广
阔的发展前景。
许多无线传感器网络组件正在趋于便宜化(例如有关计算能力的组
件),而传感器本身仍
是最昂贵的。正如在在文献
[5]
中所指出的,成功的技术依赖
于
共享技术的原因是个人设备的大量花费。
然而,
大多数传感器网络研究是基于一个单
一的拥有长期部署的用户,模式不利于分
享。该技术管理的复杂性是另一个障碍。
< br>大多数传感器的应用,
有利于这样的共享模型。
我们立足
本声明认为传感器可能
不需要在一个长时间单一位置的原因包括:(
1
)一些现象可能出现变化速度缓慢,
因此小批量传感器可
进行可移动部署,通过测量信号,充分捕捉物理现象(
2
)可能
是过于密集,因此多余的传感器可被删除。(
3
)部署时间短。我们将会在第三节更
详细的讨论。
<
/p>
上述所有假定的有关传感器都可以进行部署和再部署。
然而有很多
的无线传感器
网络由于其实时监测和快速的网络功能可能被利用作为共享资源。
其作为共同部署资
源要求,需要一些高效的技术,包括对传感器的一些挑
战,如便携性,流动频繁的传
感器内的部署,这使我们在第四节将会有大的挑战。
在本文中,我们专注于作为共享的可行性设计的传感器网络。下面我
们开始
阐述传感网络在孟加拉国和加利福尼亚州的水质检测中的应用。
2
.无线传感网络在水质监测中的应用
2
无线传感器网络是通过把小型计
算机设备连接到各式传感器和无线电而组成的。
这些设备自适应的形成特殊网络
(暂时的点对点网络)
,
通过无线方式对所处环
境进
行监测、
处理。
其硬件和软件的设
计非常低功耗以此达到长期在现场部署的目的,
即
此种部署在所
处环境中人为干预性小。
设备大小通常从四分之一个个人数据处理机到
< br>类似一个个人数据处理机的装置那么大。
在一般情况下,
资源可用性和功耗与设备大
小是相一致的。
例如,
虽然资源可用性在很大程度上取决于传感器的功耗,
但是低功
率节点(通常称为微尘)用两节
AA
电池可以运行大约
一二个月。
传感器网络提供密集的空间和时间上的采样。
p>
此种取样即使是在偏远和难以到达
的地方均可采样。
因此,
它是对于在时间上和空间上要求精确采集最适用的网络技术。
例如无线传感网络在土壤中的应用就是个很好的例子。
因为土壤环境在空间
上是多样
性的,
需要精确的时间上的采样。
对于突然发生的变化都会被精确的采样及时记录下
来。
<
/p>
事实上,
无线传感器网络是一种低功耗的网络技术,
对于一些发达地区其作为一
种新兴技术适用性更为广泛。此外,对于公共健康
方面的应用极为重要。例如,参考
文献(
17
< br>)阐述了人们对于水质的极高的关注度,
“对水质的分析起初仍然是通过实
验采样的办法将采集到的样本带回实验室进行研究。
”
这种类型的数据收集和分析通
常是非常耗时的且大多是不准确的,
并在许多情况下,
错过了人们对于及时关注的焦
点的
分析。
我们参与了两项正在进行的关于地下水质监测的无线传
感网络部署:
一项系统是
以了解孟加拉国地下水中砷的含量为主
。
另一项系统是通过研究孟加拉国地下水和土
壤来监测硝酸盐的
传播。
以上我们的部署都具有类似的设置。
< br>一个塔架,
是由外围箱体式的无线设备组成,
这些设备在
土壤中通过长导线连接到嵌入式传感器。每个设备可以支持
7
个
传感器,
每个塔架都有多个设备。
多路塔架被部署在目的地周围
,
以达到空间上垂直和水平的
密集部署。
这些设备将采集到的样本以无线方式传送给基站以供分析。
该部署的基站
是一个个人数据处理机类的设备,
也可以是一种轻便电脑。
< br>它是通过由太阳能提供再
充电的汽车电池来进行供电。
为
了能够获得外部数据,
我们的基站使用
Zigbee
技术,
或在
Zigbee
不可用时,使用
GPRS
网络。
3
在孟加拉国,
< br>在恒河三角洲的几千万人饮用了已被砷严重污染的地下水,
如果被
污染的水量一直持续,
由砷引起的患病率和皮肤癌将大约每年分别增加两百万和
一万
例,由砷引起的癌症的死亡率每年将会大约增加三千例。
我们对于控制砷在地下水中的动态变化是难以完全了解的。
在与
孟加拉国的工程
技术大学和麻省理工学院进行合作中,
我们于<
/p>
2006
年
1
月
在靠近达卡的一个水稻地
里部署了一个传感网络,
目的是为了帮
助确认这个假说成立。
一个完整的塔架应该包
含
3
部分完整的传感器(土壤湿度,温度,碳酸盐,钙,硝酸,氯,氧化还原电位
,
氨氮,
pH
值),每个部署都具有不
同的深度(在地面以下
1
,
1.5
p>
,
2
米),在此基
础上的压力传感器用来监测水的深度。
在干旱地区和半干旱地
区水的短缺和不断增加的对于水资源的消耗已经促进人
们重新再利用被处理过的废水。<
/p>
尽管对于水资源的再利用人类收获了很多益处,
但是
已被处理的废水对于人类的健康和环境质量仍然存在着显而易见的危害。
解决
这些危
害需要进行自动的分布式的观测和控制灌溉水量,
查出它
所传输的污染物,
包括暂停
处理的或是还未处理的污染物,胶状
污染物,药物,有机碳,挥发性有机化合物,治
病微生物,
营养
素例如氮或磷。
在加利福尼亚的帕姆代尔,
一个水质再利用现场
是为
测试土壤湿度,
温度和硝酸盐的传感器网络而被用作的试车
台。
此网络集合了两个方
面:第一,确保此环境正在被监测,第
二,提供对水质控制的反馈,从而达到优化水
流量和减少化学物质渗透到地下。
这种现场也可以被用来在对孟加拉国进行部署前对
软件,传感器和硬件的
测试。
3
.传感器共享技术
对于传感器网络数据收集,
即使是最小的传感器资源,
其共享也将让许多人受益。
我们相信以下三种技术方法特别适用于传感器共享:(
1
)从一系列小型传感器大范
围部署到精确仿
真。
(
2
)从密集部署到稀疏部署逐渐
移动冗余传感器(
3
)在一些可
能的地
区缩短部署周期。
在这里,
我们更详细地描述这些场景,
包括我们自己和别人
在执行有关的或支持的算法时的工作的调查。
p>
(1)
精确仿真
4
人类功能的移动性就是通过手动
来模拟一个使用较少传感器的密集部署区。
人们
可以移动一个领
域的一小套传感器,
对密集空间收集数据。
该技术将是只适合于
可持
续发展应用中,所关注的现象变化非常缓慢。
(2)
密集到稀疏部署
一些传感器网络应用需要一个密集映射的环境。
一旦传感器密集部署和细节的
现
象揭示,
我们可以看到它可以捕获足够的资料较少的传感器,
从而释放传感器部署在
其他地方。这里,我们描述适用的工作是
正在进行中的传感器网络社区。
(3)
部署周期短
< br>有些应用程序只需要短时间部署,
因而对传感器的共享是种理想选择。
我们在孟
加拉的部署是一个带有部署周期短的应用例子。
< br>我们要收集数据,
以验证有关昼夜变
化的假设,所以我们
希望数天时间来对数据进行分析。
4
.挑战
许
多挑战性技术的出现,
是为了能够快速部署和移动传感器,
主要
因为迄今为止
的工作主要集中在静态的,长期运行的部署中。
我们已经有了趋于密集化的目标,
降低高密度部署使之稀疏,<
/p>
使周期短的部署趋
于平衡,
我们发现以下
三个挑战是最恰当的。
算法必须是具有人机通信功能的,
对于<
/p>
人为错误是可以解决的。
对于系统故障必须迅速查明,
并最大限度地通过正确的数据
进行接收。最后,系统必须迅速做出部署。<
/p>
5
.结论
p>
无线传感器网络可视为一种工具,
其对于可持续发展来说具有很好的
潜力。
如果
我们视这种发展的无线传感网络技术为共享资源的话
,它就可以得到技术社区的帮
助。
为了使无线传感器网络作为一
种共享资源得到落实,
我们确定了三个有希望的技
术方法:精确
仿真,从密集部署到稀疏部署,实施短周期部署。我们讨论了我们的工
作部署,
这些部署已证明了这些技术,
描述了我们的过去和现在需要做哪些工作去
面
对即将出现的重大挑战。
5
Designing Wireless Sensor
Networks as a
Shared
Resource
for Sustainable Development
Abstract
:
Wireless
sensor
networks
(WSNs)
are
a
relatively
new
and
rapidly
developing
technology;
they
have
a
wide
range
of
applications
including
environmental
monitoring,
agriculture, and public health. Shared
technology is a common usa ge model for technology
adoption
in
developing
countries.
WSNs
have
great
potential
to
be
utilized
as
a
shared
resource due to their
on-board processing and ad-hoc networking
capabilities, however their
deployment
as a shared resource requires that the technical
community ?rst address several
challenges. The main challenges include
enabling sensor portability
–
the frequent movement
of
sensors within and between deployments, and
rapidly deployable systems
–
systems that
are quick and
simple to ?rst discuss
the feasibility
of using sensor net-works as a
shared
resource,
and
then
describe
our
research
in
addressing
the
various
technical
challenges that arise in enabling such
senso rportability and rapid deployment. We also
outline
our experiences in developing
and deploying water quality monitoring wireless
sensor networks
in Bangladesh and
California.
Key words:
WSNs
、
on-board processing
1 Introduction
Wireless
Sensor Networks (WSNs), networks of wirelessly
connected sensing
and
computational
devices,
hold
tremendous
promise
for
many
areas
of
development
including
public
health,the
environment,
and
agriculture.
A
single
device
has
a
processor,
a
radio, and
several sensors.
When
a network of
these
devices is deployed in a ?eld,
the
sensing devices measure particular
aspects of
the environment. The devices
then communicate those measurements by radio to
one another and to more powerful
computers for data analysis. In this way, WSNs
6
can
provide
detailed
observations
of
various
phenomena
that
occur
in
the
environment.
WSNs
are
capable
of measuring
diverse
phenomena
such
as
contaminant
levels
in
water,
pollutants
in
the
air,
and
the
?ow
of
water
for
irrigation.
As
an
example
of
a
potential
application,
consider
the
recent
incident
of
contamination
spilling into the Songhua river in
China, the main source of drinking water for many
people1.
Determining
rate
of
?ow
and
sometimes
direction
of
the
river
requires
coordination
of
multiple
sampling
points.
Sensors
periodically
taking
samples
at
multiple locations along the river
could determine the rate, quantity, and direction
of
contaminant ?ow using the
distributed sensing
and processing of a
wireless sensor
network.
Unfortunately,
the
potential
of
wireless
sensor
net-works
for
sustainable
development2
remains
largely
untapped
while
they
are
designed
primarily
for
relatively
resource-rich
application
contexts.
The
cost
of WSNs
is one of
several
major
barriers
that
prevents
them
from
being
leveraged
for
sustainable
development
applications. Many components of WSNs are becoming
cheaper (e.g.
computing
power),
but
the
sensors
themselves
remain
the
most
expensive
component3.
As
stated
in
[5],
successful
technology-based
international
development
projects rely on shared technology due to
excessive cost of personal
devices.
However,
most
research
on
sensor
networks
is
based
on
long-term
deployments owned
by a single user, a paradigm not conducive for
sharing. The
complexity
of
technology
management
is
another
barrier.
We
use
Grameen
telecom as
a
successful
model 4
in
which
the
management and
maintenance of
shared
hardware is centralized. We envision a sensor
network much in the same
light.
Many sensor network applications are
conducive to such a shared model. We
base this statement on the observation
that sensors may not be required in a single
location for extended periods of time
for reasons including: (1) a phenomenon of
interest may have a slow rate of
change, thus a small number of sensors can be
7
moved within a
deployment, emulating the density required to
suciently capture the
physical
phenomena,
(2)
the
initial
deployment
may
have
been
too
dense,
thus
redundant sensors can be removed, and
(3) the duration of the deployment may be
short. We discuss these scenarios in
more detail in Section 3.
All of the
deployment scenarios mentioned above rest on the
assumption that
sensors can be easily
deployed and re-deployed. While WSNs have great
potential
to be utilized as a shared
resource due to their on-board processing and ad-
hoc
networking
capabilities,
their
deployment
as
a
shared
resource
requires
that
the
technical
community
?rst
address
several
challenges,
including
enabling
sensor
portability
–
the frequent movement of
sensors within and between deployments,
and rapidly deployable systems
–
systems that are quick and
simple to deploy. This
leads us to our
major challenges in Section 4.
Clearly,
the primary issues related to successful
technology adoption are the
social,
policy, and logistical questions to be answered in
order to enable equitable
access and
the design of culturally appropriate technology.
Our experience, though
relevant, is
limited to our technical expertise. These
challenges and others should
be
formulated more explicitly with the necessary
diverse input from communities,
activists, governments and NGOs.
In this paper we focus on
justifying the technical feasibility of designing
sensor
networks
as
a
shared
technology
(Section
3)
and
describing
the
technical
challenges
that
must
be
addressed
to
enable
WSNs
as
a
shared
technology
(Section 4). We
begin by describing our applications in water
quality monitoring in
Bangladesh and
California (Section 2).
2 WSNs For
Water Quality
Wireless
sensor
networks
are
made
up
of
small
computational
devices
connected to various sensors and
wireless radios. The devices automatically and
adaptively form ad-hoc networks
(temporary point-to-point networks) over wireless
radios
to
make
decisions
based
on
measurements
of
their
environment.
The
8