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用于噪声污染监测的数据收集无线传感器网络

摘要：致力于评估城市地区环境噪声污染，我们经过定性的考虑，并且通过实验证明了在这方面使用无线传输网络收集数据的可能性。为了选择在特定的噪声监测环境下最合适的数据收集协议，我们评估了CTP协议和DMAC协议在能耗方面的表现，我们的研究结果表明如果CTP协议能够实现低功耗监测，将在噪声监测应用发面表现出具有更好的市场。

1.环境噪声监控

据记录，保守估计有300万欧共体市民曾报警饱受噪声污染，噪声污染问题正越来越得到社会的重视。2002年第49次欧共体会议制定了指令，致力于在欧洲避免，预防和减少环境噪声污染。欧共体要求成员国按时提供在超过250，000人口城市地区的准确噪声等级分布。然而目前噪声分布数据的传送主要是通过稀少的ad-hoc(点对点)的数据传递模式。一个最近议案提出'应该尽全力，以获取噪声源的准确真实信息。'这个议案让噪声污染进入强制性监管，与此同时获取准确的噪声等级的需求将显著增加。如今，城市地区的噪声测量主要是由当地的一些对于数据分析和储存感兴趣的公务员实施的。这些公务员的采集工具主要是噪声计和一些类似的工具。如今噪声监控要求采集间隔缩短，地区范围的扩大，所以这种手工的噪声采集方式就不能满足了。取而代之，廉价的无线传感器节点部署在整个城市地区可以用来收集噪声数据。使用它将可以长时间地收集数据，并且通过无线传感器自动地向中央节点发送数据报告。这个模式唯一对人力的要求就是安装维护无线传感器设备。采集到的噪声数据通常是按地区保存的，这样就可以在处理一条信息时，既有噪声等级的大小，又有地点的信息。将每条数据放入计算模型中，这样就能为那些人工无法采集数据的地区提供准确的噪声数据。即使这个噪声评估程序是满足欧洲的法规的，但是如今的人工采集模式经常不能提供准确的噪声评估。确实，众所周知的，每种特定的噪声源产生的噪声都有他们各自的传播性质。在复杂的城市地形中，遮蔽物和反射的影响阻碍了我们获取准确的噪声水平的评估。计算噪声水平的精度可以很容易被验证和提高通过在不能提供准确评估的地方安装无线传感器。

2.必要条件

在进入具体细节之前，我们想总结一下无线传感器网络的主要要求，即必须用来监控噪声污染。

硬件：高采样率要求恰当地获取声信号（~32kHz），一般的传感器节点显然是无法做到的。

然而，商业上能买到的平台只有在对无线电通信调度合理地管理的条件下，才能实现这样的采样率。为了克服这个问题，最合适的解决方法是用专用的硬件进行取样和信号处理，并且这个传感器节点只处理数据传递和尽可能地优化数据采集。

取样：噪声水平是指以时间为变量，声信号功率按时间加权得出的平均值。噪声的采样率，最小只有零点几赫兹，最大是几赫兹。为了制作噪声分布模型，我们建议每个取样点之间的距离为3米。我们观察到，这样的结果就是将一个相当密集的网络部署在一个相对狭小的区域。

数据发送速率和延迟：收集到的噪声数据并不需要传感器立刻发送给中央节点。因此，考虑到对网络平台的优化，我们选择将数据打包发送，这是个不太紧要的难点。在一般情况下，传感器节点每秒发送一个值，而通过将数据打包的方式一次能传递数个值。

网络的生命周期：为了包含特例情形下的噪声水平，测量应该尽可能延长几个星期。

网络拓扑结构：为了做好噪声分布的目的，用来测量噪声水平的评估点在采集数据的时候是不能改变的。然而由于节点的空间分布，发送数据给终端可能需要多跳通信。

数据整合：在同一时刻从不同的节点读取到的噪声信息必须进行恰当的处理并将数据显示出来。由于网络技术和数据收集协议的问题，可能会导致数据产生一些变化或是数据发送上产生不知大小的延迟。因此目前急需一个合适的数据整合的方法。

3.数据收集

我们测试了三种可能的硬件解决方案，来选择一个最合适的平台来收集噪声数据。我们考虑了Moteiv公司的 Tmote Sky原型平台。它不仅配备了EasySen SBT80多模传感器还配备了定制的噪声计。此外，我们还研究了Moteiv公司的Tmote invent平台，这个平台最大的特点是搭载了板载麦克风，以及一个强大的信号调节电路。考虑到采样和处理声信号，定制的噪声计可以作为一个外部传感器来输出噪声水平的读数，单位是dB（最高误差为3dB）。由于噪声水平是在一段时间内对采集的声功率计算平均值，它的值可以在比声信号自身低很多的频率采集（例如说 1Hz）。使用一个定制的噪声计可以消除传感器节点自身计算和能耗的负担，这代表我们的首选解决方案是是第一原型平台。

在捕获噪声之后，噪声水平的数据信息需要发送到中央节点来永久保存和进行进一步的处理，利用典型的convergecast平台进行网络通信。虽然作为无线网络传感器传输而被熟知的节能媒体访问控制的设计，目前只有几种协议可以实现，包括MintRoute和CTP（收集树协议）。特别是CTP协议，是一种低功耗监测来实现DMAC协议。低功耗检测是节能技术，它允许通过避免空闲侦听来移除从接收器到发射机的无线电通信的主要能耗。从接收器到发射机的无线电通信的能耗是无线传感器网络通信的主要能耗。为了了解不同的数据收集协议在我们的噪声监测应用中的表现，我们评估了CTP和DMAC协议。我们认为这2个协议的比较特别有趣，因为在媒体接入层，它们分别实现了一个基于竞争和基于TDMA（分时多接入）的方法，这是在无线传感器网络中广泛应用的测量和控制技术。我们的嵌入式数据采集层在我们的软件原型中得到实现，并能分析它们在能耗方面的表现。CTP协议是用tinyOS-2.x库实现的，而DMAC协议是我们自己实现的。

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4.协议的评估与分析

为了分析这两种数据采集协议的能耗，我们连接了一个Tmote传感器节点和Rhode amp; Schwarz双通道分析仪,用NGMO2电源供电，这个设备可以准确的测量实时一个节点所有情况下与之相关的电流。我们使用了同样的实验设备来开发CTP协议和DMAC协议。将单跳网络编程双节点网络这个简单的设定，可以让我们对主要的能耗涉及到节点的通信和确定节点能耗的大小范围有个清楚的认识。一个更现实的实验设定，考虑到多跳拓扑结构和碰撞效应，我们将对此做更多的调查。我们想说明，对于无线传感器网络的功耗测量特别是直接测量的方法，例如数发送的数据包的数量或处理器的工作周期数，这样得出的数据精度有限。没有什么直接功耗测量的例子为我们的工作提供比对。图1一个节点运行低功耗监测CTP协议的能耗传输尖峰每隔一秒出现一次。当传感器闲置时，节点的电流大约为19mA。考虑到平均电流的大小为19.5mA,这明显是有电能的浪费。确保低功耗监测可以减少CTP协议的功耗，正如图1所示。当无线模块待机时电流可忽略不计。每250ms(这个值是我们自己设定的)让节点唤醒无线发射器和采样通道，通过LPL预见机制。如果它无意中听到在介质上的传播，它将让无线发射器处于工作状态直接到接收工作完成，否则立刻关掉无线收发器。在图1（c）中的尖峰与取样活动有关，虽然可以在第一节可以看见一个完整的波形。传输相位的长度考虑到比一个观察到的CTP相位长很多，毕竟低功耗监测减少了接收器和发射器穿出的功耗。然而，每个包一秒内在相同的流量负载下，利用低功耗监测的CTP协议的电流仅仅只有5mA,这表明相对于没有利用低功耗监测的CTP协议的19.5mA，这节能了百分之75。利用低功耗监测的CTP协议可以通过延长休眠时间来得到更低的电流，唯一的缺点是会增加延迟。确定能耗上界是非常重要的,需要做一些额外的考虑。节点在运行DMAC协议时，除了接受和发送状态可以在每一时刻保持休眠的状态，在休眠状态下功耗是可以忽略不计的。为了了解DMAC的最大能耗，我们强迫节点在整个时段内保持传输的状态，我们让节点一直在接受状态保持工作。图1（b）表明节点在传输状态的平均电流损耗为20。5mA(接受时大约21。5mA).一个正确的能耗模型必须考虑到节点休眠的状态。如果我们计划用一个10层的网络，在通信100ms的时间内，DMAC协议的平均能耗大致上与采用了低功耗监测的CTP协议相当。

（a）CTP NO LPL (b)DMAC in a TX slot

总结

我们所设置的用来做噪声分布和噪声污染模型的无线传感器网络可以提供一种便宜并却灵活方式来收集噪声水平的信息。除了测试市场上销售的传感器平台，我们自己设计了一种定制的噪声计，来代替昂贵的噪音水平计算专用硬件。后来，我们选择了两种数据收集协议CTP协议和DMAC协议，利用一种简单的直接的网络技术直接地测量它们的能耗。CTP协议的能耗最高（延迟最低）。然而，低功耗监测选项可以节约75%的电能（通过增加延迟）。DMAC协议观察到的表现与CTP协议相比，尽管它们都取决于路由协议树层次数。由于我们特殊的应用背景，我们最终选择的简单的CTP协议作为最合适的数据采集协议。

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