土遗址监测传感网原型系统设计

摘 要：文章以陕西明长城监测为应用背景，针对无线传感网可靠传输面临的挑战，设计实现大型土遗址无线传感网监测系统，根据收集到的数据可对监测目标进行地理信息分析、结果健康分析和环境因子分析等分析、统计。

关键词：土遗址；无线传感网；可靠传输

1 概述

大型土遗址由于其不可再生和不可替代性，其保护上升到国家战略角度，成为我国可持续发展战略的重要组成。随着经济全球化趋势和现代化进程加快，土遗址受到严重威胁，加强土遗址保护工作已刻不容缓。现有的化学加固和保护方式[1-3]难以预期百年以后的长期效果，国际上学者倡导通过环境调控的方式进行自然无损的预防性保护。

大型土遗址生存环境变化是对遗址保护影响的重要因素，因此，其数据的监测采集、分析、最优生存环境的确定和环境因素控制是实现大型土遗址保护中最关键的环节。传统的监控方法主要依靠工作人员手工测量、计算，工作量庞大，实时性差，数据丢失严重，难以有效的对采集的海量数据进行融合分析，缺乏科学性和智能性，严重影响了大型土遗址保护工作的进行。无线传感网因其不需要固定网络支持，抗毁性强等特点，将无线传感网用于文物保护，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，有着传统技术无法比拟的优势。文章设计并实现了大型遗址监测传感网原型系统，在陕西明长城上部署传感节点，收集温度、湿度、振动等影响遗址健康的各种参数，通过汇聚节点将数据传送到管理中心。为文物保护专家针对土遗址预防性保护提供科学依据，探索发现环境因素的静态与动态变换对大型遗址保护的作用，从而探索大型遗址生存环境优化的机制与途径，分析判断环境是否符合文物的生存条件标准，提出解决文物保护的技术体系。

2 大型土遗址监测传感网原型系统

以陕西明长城实地应用描述该原型系统。

2.1 系统概述

原型系统由无线传感网、无人机、通信网络、监测中心和专家系统构成了一个三维立体监测系统，如图1所示。

2.2 系统构成

原型系统中的传感器节点采用自行研制的集成温湿度和光照的传感器节点、土壤内部温湿度传感器、气体传感器节点和太阳能网关。集成传感器节点采用ATMEGA128L芯片，SHT11传感器，CC2420无线通讯模块和DYP55光敏电阻。根据土遗址自身特点，设计了感知遗址内部温湿度的传感器节点，其特点是体积小，对遗址损伤很小；同时结合端口复用技术，实现单个节点多点测量，大大减小了节点部署的密度，降低成本。气体传感器能够感知CO2，H2S和SO2含量。此外，依托ARM实现具有远程实时传输、海量存储数据、运算能力强、低能耗的实用价值的无线传感网数据收发平台；通过太阳能技术提高节点可生存性，结合端口复用技术实现对遗址单位纵深多感知探测。

陕西明长城监测应用中，将节点随机部署在游人不易到达之处，实时采集环境的湿度、温度、光照、气体含量等数据。选择监测区域为榆林市榆阳区的十八敦村长城、镇北台长城、建安堡，定边县的砖井堡、二楼村长城1段。以明长城镇北台段为例说明具体部署方案：

长城镇北台段地处陕西省榆林市榆林区，以镇北台为中心的2公里区域部署传感器节点120个，网关8个。形成在2公里区域，以30米为间隔，每个间隔纵深部署2个传感网节点；以250米为间隔，每个间隔部署一个网关，汇聚各节点采集的信息，网关集成了一个风速风向传感器和1个振动传感器。周边选取5种典型地貌区域，形成小范围的节点部署规模，每种地貌部署酸雨及降水强度实时传感器3个，气体传感器5个，夯土温湿度传感器27个。最终形成以镇北台段为中心，周边5个区域为典型监测点的传感网监测系统。如图2所示。

当感知节点采集到数据后，首先由退避策略根据网络状态确定退避时长，然后利用信道接入策略有序占用信道，之后按照可靠机会路由策略建立由感知节点到sink节点的路由，最后采用基于能耗最优的可靠传输策略将数据传送至汇聚节点。汇聚节点将接收到的数据通过通信网络发送到监测中心和专家系统，为提出解决文物保护的技术体系提供可靠的数据依据。

该系统包括展示模块、报警模块、预测模块和网管模块。展示模块是针对收集到的数据，可以根据客户选择的展示方式（折线图，柱状图，等值线）。报警模块包含异常数据报警和健康状况报警两部分，其中，异常数据包括异常环境数据和异常网络状况（比如节点失效或网关不能正常工作），健康状况报警针对长城健康状况进行报警。预测模块包括健康状态预测和环境预测，可以根据环境数据，对长城的具体变化用图示的形式表现，同时对未来的环境做出预测。网管模块包含网络拓扑、节点数据显示、网络状况显示和数据包路径显示四部分。如图3所示。

2.3 系统设计

大型土遗址监测传感网原型系统可分为以下三部分：

（1）数据采集

针对陕西明长城选择基岩山区、风沙滩区、沙漠区、黄土梁峁区、沙漠戈壁区等不同环境，在不同地形地貌的长城遗址上检验可靠传输机制的适应性，目标是保证大量监测数据能够准确、可靠传输。传感器节点和sink节点部署在游人不可达的外墙区域。传感器节点每隔10分钟采集一次环境数据，按照可靠的机会路由策略建立一条路由，通过可靠传输协议将数据发送到sink节点，最终发送至监测中心和专家系统。

（2）数据通信

利用自行研制的传感器感知光照、气体含量、表面温湿度、降雨量、土壤中的温湿度等环境信息，通过可靠、低功耗的数据传输协议将数据传送至sink节点。

长城土遗址跨越山丘、河流、沙漠等多种地理环境，大多数遗址地处偏远，交通不便，同时公用通信网络的基础设施缺乏，无法完全依赖现有的网络实现远程感知信息的传输。因此，在3G网络覆盖范围内利用通信网络将数据传回监测中心，没有3G信号覆盖的范围，由无人机周期性的收集数据，将数据转存至监测中心，同时，无人机可以对地面进行拍摄，获取长城实时外观信息，能够及时发现人为破坏情况。

（3）长城健康状况分析与预警

根据监测中心获取的数据，结合专家系统中的形变监测模型，利用回归平面分析、曲线拟合、云模型等方法，对形变过程进行描述，对土遗址物理形态进行监测，获取有关形变定性与定量的结论，识别土遗址形态的破坏性变化、病变，如明长城遗址变形、沉降等，发出预警，为大型土遗址的保护提供科学指导。

3 大型土遗址监测传感网原型系统的应用

目前已在原型系统中实现了上述协议，下面以基于滑动缓存的WSN可靠传输协议[4]为例说明实现过程。

对长城环境和状态进行实时数据采集与可靠传输，是构建预警系统、为长城的管理和保护提供技术支撑的基础。基于滑动缓存的WSN可靠传输协议在保障数据传输可靠性的前提下，平衡与能耗的关系，根据动态链路质量确定数据包缓存的节点位置。具体是，按照通信距离将链路上的节点划分为近源（near-source）节点和近汇聚（near-sink）节点，根据链路质量动态调整中间节点缓存数据包的位置。设定链路质量阈值为pm，丢包率大于pm时，数据包在near-source节点缓存，能够有效的提高可靠性；否则，数据包在near-sink节点缓存，可以有效的降低丢包重传时的能耗和时延。此处设置pm=0.1。

当源节点发送数据包后，第i个节点成功接收到数据包时检查当前数据包的缓存（Cached）标志，对（Cached）标志未置位的数据包计算缓存概率hi，根据该值进行缓存，同时修改该Cached标志，然后转发数据包。

汇聚节点检查数据包传输情况，发现丢失则发送NACK信号由反向路径查找丢失的包，每隔10分钟计算一次丢包率，代码如下：

4 大型土遗址监测传感网原型系统的应用效果

目前，已将传感器节点实际部署到陕西明长城的直线带状区域和带转角的带状区域中，实时对长城生存环境和健康状态进行监测。明长城在陕西境内全长约1200多公里，范围狭长，若监测区域内的所有感知节点都与单一的sink节点交换数据，则sink节点负载过重，同时过度路由的情况将频繁发生。因此，实际部署时增加了簇头节点，感知节点将数据传送给簇头，簇头节点再转发至sink。明长城周围交通非常不便利，如果由人工完成数据采集，则周期过长，成本也很高。因此，在3G网络覆盖范围内可通过通信网络将数据传回监测中心，否则，由无人机根据需求周期性的收集数据，将数据转存至监测中心。

原型系统应用效果：我们设计并实现了一个无线传感网文物动物保护数据分析系统，根据收集到的数据可对监测目标进行地理信息分析、结果健康分析和环境因子分析等分析、统计。

5 结束语

文章针对关于可靠数据传输机制的研究，以陕西明长城保护为例，设计并实现了大型土遗址监测传感网原型系统。首先描述了原型系统的概述和总体构成，然后给出了具体的系统设计，之后以可靠传输策略为例说明了可靠传输机制在原型系统的实现，最后，通过开发的数据分析系统展示原型系统的设计结果。

参考文献

[1]周双林，原思训.有机硅改性丙烯酸树脂非水分散体的制备及在土遗址保护中的试用[J].文物保护与考古科学，2004，16（4）：50-52.

[2]B. H. Stuart. Conservati on Materials. In AnalyticalTechniques in Materials Conservation[M].New York： John Wiley &Sons，2007.

[3]COFFMAN R， SELWTTZ C，AGNEW N. The adobe reseach project at Fort Selder ⅡA study of the interaction of chemical consolidation with adobe and adobe constituents[M]// 6th International Conference on the Conservation of Earthen Architecture. Las Cruces， New Mezico， USA October，250.

[4]陈昊，房鼎益，陈晓江，等.基于滑动缓存的WSN可靠协议及其能耗分析[J].Computer Engineering，2013，39（3）.