英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
用于栖息地监测的无线传感器网络
Alan Mainwaring Joseph Polastre Robert Szewczyk David Culler John Anderson
1
Intel Research Laboratory, Berkeley
Intel Corporation
{amm,dculler}@intel-research.net
2
EECS Department
University of California at Berkeley
{polastre,szewczyk,culler}@cs.berkeley.edu
3
College of the Atlantic
Bar Harbor, Maine
jga@ecology.coa.edu
摘要
我们提供深入研究，将无线传感器网络应用于现实世界的栖息地监测。 开发了一套系统设计要求，涵盖了节点的硬件设计，传感器网络的设计以及远程数据访问和管理功能。 提出了一种系统架构来解决一般栖息地监测的这些要求，并介绍了监测海鸟嵌套环境和行为的架构实例。 目前部署的网络由缅因州海岸外的一个小岛上的32个节点组成，将有用的实时数据传输到网络上。 应用程序驱动的设计练习可用于确定数据采样，通信，网络重新分配和健康监测方面的进一步工作的重要领域。
类别和主题描述
C.2.1 [计算机通信网络]：网络体系结构和设计; C.3 [计算机系统组织]：专用和基于应用的系统;
J.3 [计算机应用]：生命和医学科学
一般条款
设计，性能，实验
介绍
栖息地和环境监测代表了一类传感器网络应用，对科学界和整个社会都有巨大的潜在利益。 使用大量联网微型传感器处理自然空间可以实现长期的数据收集，而这些数据收集的规模和分辨率难以（如果不是不可能的话）以其他方式获得。 与其直接物理环境的紧密联系使得每个传感器都能够提供局部测量和难以通过传统仪器获得的详细信息。 本地处理和存储的集成允许传感器节点执行
复杂的过滤和触发功能，以及应用特定于应用程序或传感器的数据压缩算法。 通信能力不仅可以让信息和控制通过节点网络进行通信，而且还可以协作执行更复杂的任务，如统计采样，数据聚合以及系统运行状况和状态监视[8, 9]. 功率效率的提高为应用提供了解决基本设计折衷的灵活性，例如在采样率和电池寿命之间。 具有精心设计的协议栈的低功率无线电台允许网络节点之间的通用通信，而不是点对点遥测。 计算和网络功能允许传感器网络在现场部署后进行重新编程或重新调试。 节点能够根据环境的变化，传感器网络本身的状况或科学努力随时调整其运行。
我们正在与生命科学界的成员合作，使这一新兴技术的潜力成为现实。 采用以应用为导向的方法可以快速将实际问题与潜在问题分离开来，并从不相关问题中解决相关问题。 应用环境有助于区分开放研究领域的简单具体解决方案的问题。 但是，我们试图为该领域开发一个有效的传感器网络架构，而不仅仅是一个特定的实例，所以我们必须寻找通用解决方案。 与其他领域的科学家合作有助于确定更广泛的应用空间以及具体的应用要求，允许对实验系统进行现场测试，并提供客观的技术评估。 传感器网络对栖息地和环境监测的影响将通过其实现新应用和产生新结果的能力来衡量，否则太难实现。
本文开发了一个特定的栖息地监测应用，这在很大程度上代表了该领域。 它提出了一系列需求，约束和指导方针，作为许多此类应用的通用传感器网络架构的基础。 它描述了该领域的传感器网络的核心组件 - 硬件和传感器平台，涉及的独特网络，它们的互连以及数据管理设施。 必要的网络服务的设计和实施（包括电源管理，通信，重新分配和节点管理）可以在这种情况下进行评估。
在本文的其余部分安排如下。 部分2 确定了我们的栖息地监测应用的要求。 部分3 提出了一个分层传感器网络结构
将核心系统组件相互连接起来，从非常集中的传感器节点集合到研究区域到最终分析数据的广域。 部分4 讨论了这个架构的硬件和软件模块的实现，以及我们在缅因州Great Duck岛部署的设计权衡问题。 部分5 描述了我们最初部署的嵌套Leach的Storm Petrels洞穴周围的32个节点网络的结果。 部分6 从这个应用驱动的设计练习中吸取教训，找出进一步调查的重要方向。 部分7 提供结论性意见。
人居监测
生命科学研究人员越来越关注人类在野外条件下监测植物和动物的潜在影响。 充其量，慢性人类干扰可能会通过改变行为模式或分布来扭曲结果，而最坏的情况是人为干扰可能通过增加压力，减少繁殖成功，增加掠食或转移到不适宜的栖息地而严重减少甚至摧毁敏感人群。 虽然扰动的影响通常在动物中立即显而易见，但植物种群对即使是目标明确的研究人员的践踏也很敏感，通过频繁访问引入外来因素，以及通过路径形成改变局部排水模式。
在小岛屿国家，干扰效应尤其受到关注，研究人员在物理上可能不可能避免对整个人群产生一些影响。 此外，岛屿通常作为适应不能适应陆地哺乳动物存在的物种的避难所，或者可以容纳一度曾被广泛消费的碎片，这些碎片已经从原先的大部分区域中剔除。
海鸟群落因其对人类干扰的敏感而臭名昭着。 缅因州研究[2]表明，即使是15分钟的鸬鹚殖民地访问，在特定的育种年份，鸡蛋和小鸡的死亡率可能高达20％。 反复的干扰将导致完全放弃殖民地。 在新斯科舍省的肯特岛，研究人员发现，如果在孵化的前两周内受到干扰，利奇的暴风雪宠物可能会掏空巢穴。
传感器网络是传统侵入式监测方法的重大进步。 传感器可以在繁殖季节或其他敏感时期开始之前（在动物的情况下）或植物休眠或地面冻结（在植物学研究的情况下）。 传感器可以部署在小岛上，在这些小岛上反复尝试野外研究是不安全或不明智的。 基于无线传感器的监测工作的结果可以与传统上忽略或折扣干扰效应的先前研究相比较。
最后，与传统的富人方法相比，传感器网络部署可能是一种比较经济的进行长期研究的方法。 目前，相当一部分物流和基础设施必须用于维护实地研究，通常会带来一些不适，偶尔也会带来一些实际风险。 无线传感器使用的“部署”和“离开”策略会限制后勤需求，以适应初始安置和偶尔服务。 这也可以大大增加访问更广泛的
研究网站，往往受到关注频繁访问和可居住性的限制。
2.1 大岛岛
大西洋学院（COA）正在实地测试用于栖息地监测的原位传感器网络。 COA在多个偏远岛屿正在进行实地研究计划，并建立了完善的现场基础设施和后勤支持。 Great Duck Island（GDI）（44.09N，68.15W）是一个237英亩的岛屿，位于缅因州山漠岛以南15公里处。 大自然保护协会，缅因州和大西洋学院在联合租约中占有大部分岛屿。
在GDI，我们主要关注监控Leach的Storm Petrel的三个主要问题[2]:
-
- 当一对或二者的成员可以在海上进食孵化交替时，24-72小时周期内嵌套洞穴的使用模式是什么？
- 在大约7个月的繁殖季节（4月 - 10月）期间，洞穴和地表环境参数可以观察到什么变化？
- 有和没有大量嵌套海燕的微环境有什么区别？
每个问题都有独特的数据需求和合适的数据采集率。 存在/缺失数据很可能是通过入侵检测和洞穴与成年鸟之间的温度差异以及含有鸡蛋，小鸡或空洞的洞穴而获得的。 在24小时周期的照明阶段，小石头不可能进入或离开，但需要在傍晚和清晨每隔5-10分钟进行一次测量以捕捉进入或退出的时间。 扩展繁殖季节期间洞穴和地表条件之间的更广泛的环境差异可以每2-4小时记录一次，而“流行”和“不受欢迎”地点之间的差异可从每小时取样中受益，特别是在繁殖季节开始时。
无线传感器记录的任何一个参数都不太可能确定为什么宠物会选择特定的巢穴，而我们希望通过对多个变量进行多次测量，我们将能够开发出预测模型。 这些模型将关联海鸟喜欢哪些条件。
Great Duck Island要求
互联网
GDI的传感器网络必须可以通过互联网访问。 栖息地监测应用的一个重要方面是支持与现场网络的远程交互。
分层网络
GDI的现场站需要足够的资源来托管互联网连接和数据库系统。 然而，科学兴趣的栖息地位于距离数公里远的地方。 第二层无线网络提供了连接到部署在每个感兴趣区域的多个传感器网络补丁。 三到四个100个静态（不是移动）节点的补丁就足以启动。
传感器网络的使用寿命
从非可再充电电源运行9个月的传感器网络今天会有很多观众。 虽然GDI的生态学研究跨越多个田间季节，
个人领域的季节通常从9到12个月不等。 季节变化以及感兴趣的植物和动物决定了它们的持续时间。
以电网运行
网络的每个级别都必须使用有限的能源供应。 尽管可再生能源，例如太阳能，可能在某些地方可用，但断开连接的操作仍然是可能的。 GDI拥有足够的太阳能来全天候运行应用程序的许多元素，并且由于电力损失导致服务中断的概率较低。
远程管理
现场站点的远距离需要能够通过互联网监控和管理传感器网络。 尽管每个夏季工作人员可能会在现场工作几个月，但除了安装和拆除节点之外，现场维护和管理期间的现场维护目标为零。
不经意的操作
栖息地监测基础设施必须不显眼。 它不应该破坏正在研究的自然过程或行为。 从研究区域消除人员存在既消除了数据收集中的错误和变化的来源，也是一个重要的干扰源。
系统行为
从系统和最终用户的角度来看，传感器网络尽可能表现出稳定，可预测和可重复的行为至关重要。 一个不可预测的系统很难调试和维护。 更重要的是，可预测性对于培养对生命科学家这些新技术的信任至关重要。
原位相互作用
虽然大多数与传感器网络的交互预计将通过互联网进行，但在初始部署期间，维护任务期间以及现场访问期间都需要进行本地交互。 PDA在协助完成这些任务中发挥重要作用。 他们可以直接查询传感器，调整操作参数，或者只是帮助定位设备。
传感器和采样
对于我们的特定应用，感测光线，温度，红外线，相对湿度和气压的能力提供了一组重要的有用测量。 感应其他现象（如加速度/振动，重量，化学蒸气，气体浓度，pH值和噪音水平）的能力会增强它们。
数据归档
为离线数据挖掘和分析归档传感器读数至关重要。 传感器日志可靠地卸载到有线基础设施中的数据库是一项重要功能。 交互式“深入探索”和探索个别传感器或传感器子集的愿望几乎实时补充了基于对数的研究。 在这种操作模式下，
图1：栖息地监测的系统架构
及时提供新的传感器数据是关键。 最后，节点数据摘要和定期健康状况监测需要及时交付。
系统架构
我们现在描述系统架构，各个组件的功能以及它们如何一起运行。 我们解释他们如何解决本节中提出的要求2.
我们开发了分层架构。 最低级别由执行通用计算和网络的传感器节点组成，除了应用特定的传感。 传感器节点可以部署在相距很远的密集补丁中。 传感器节点通过传感器网络将数据传输到传感器网络网关。 网关负责通过本地传输网络将传感器数据从传感器补丁发送到提供WAN连接和数据记录的远程基站。 基站通过互联网连接到数据库副本。 最后，数据通过用户界面显示给科学家。 移动设备，我们称之为gizmo，可以与任何网络进行交互 - 无论是在现场还是在全球范围内使用连接到数据库副本。 图中描绘了完整的体系结构1.
传感应用的最低级别由自主传感器节点提供。 这些小型的电池供电设备被放置在感兴趣的区域。 每个传感器节点主要收集关于其周围环境的环境数据。 由于它放置在接近
全文共19861字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[11444]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
