移動(dòng)多Sink無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) - 全文

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　　本文設(shè)計(jì)并構(gòu)建了移動(dòng)多Sink無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、事件定位等功能。

　　1 應(yīng)用背景

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念源于對(duì)一些人工無(wú)法到達(dá)或者不便到達(dá)的危險(xiǎn)/惡劣環(huán)境的監(jiān)測(cè)需求，例如：軍事應(yīng)用、特殊環(huán)境監(jiān)測(cè)(如：災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)、野生動(dòng)物)等。在這類典型應(yīng)用場(chǎng)合中，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)大多采用隨機(jī)布設(shè)的方式，特定監(jiān)測(cè)事件發(fā)生的地點(diǎn)是其關(guān)注的重點(diǎn)之一。軍事防御、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)兩類典型的應(yīng)用需求分析如下：

　　1.1 軍事防御

　　現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，重要軍事設(shè)施往往成為敵方攻擊的重要目標(biāo)，利用直接感官進(jìn)行防御已經(jīng)無(wú)法應(yīng)對(duì)日益豐富、隱蔽的進(jìn)攻手段，需要集成各種環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器、語(yǔ)音、視頻等多模態(tài)監(jiān)控信息，擴(kuò)大防御單兵乃至指揮系統(tǒng)的感知范圍，增強(qiáng)協(xié)同防御能力，快速定位特定事件發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)，提升防御系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、指揮能力。

　　1.2 災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

　　近年來(lái)我國(guó)災(zāi)害頻繁(特別是礦難事件)，災(zāi)害監(jiān)測(cè)與救援受到了越來(lái)越多的重視。災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)往往環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)的通信技術(shù)難以使用，需要集成各種環(huán)境傳感器、語(yǔ)音、視頻等多模態(tài)監(jiān)控信息，延伸救援人員的感知范圍，增強(qiáng)救援人員的協(xié)作能力，提升災(zāi)害應(yīng)急指揮能力。

　　2 系統(tǒng)架構(gòu)

　　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)局域網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)兩部分?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)局域網(wǎng)絡(luò)由骨干網(wǎng)與接入網(wǎng)兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。骨干網(wǎng)由移動(dòng)Sink節(jié)點(diǎn)組成，負(fù)責(zé)將接入網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)信息中轉(zhuǎn)至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息遠(yuǎn)傳。骨干網(wǎng)中直接采用無(wú)線MESH技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)(用于傳輸視頻、音頻等數(shù)據(jù)量較大的信息)。接入網(wǎng)分為若干子網(wǎng)，每個(gè)接入子網(wǎng)是以骨干網(wǎng)中的移動(dòng)Sink節(jié)點(diǎn)為中心，若干環(huán)境感知傳感器節(jié)點(diǎn)組成的局域網(wǎng)。由于系統(tǒng)需要通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸靜止的傳感器節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境信息，同時(shí)又需要傳輸移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的信息。因而，接入網(wǎng)是一種固定節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相混合網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的基于樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，Sink節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)會(huì)造成數(shù)據(jù)鏈路最后一跳出現(xiàn)中斷，需要重新建立路由樹(shù)。但是頻繁地重新建立路由樹(shù)，不僅網(wǎng)絡(luò)能耗代價(jià)比較大，而且大量的洪泛消息還容易造成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，阻礙正常的數(shù)據(jù)傳輸。針對(duì)這一特點(diǎn)，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了基于局部路由維護(hù)策略的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法，以降低系統(tǒng)重建路由樹(shù)時(shí)的開(kāi)銷，減少洪泛消息次數(shù)，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

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　　3 系統(tǒng)功能

　　該系統(tǒng)可以快速、自適應(yīng)組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，全面獲取環(huán)境信息、移動(dòng)用戶生理信息以及事件位置信息，監(jiān)控指揮中心融合多模態(tài)傳感器信息快速?zèng)Q策指揮。具有以下5大功能：

　　3.1 便攜式移動(dòng)指揮

　　系統(tǒng)可快速、靈活布置在各種場(chǎng)合，組建臨時(shí)指揮網(wǎng)絡(luò)。便攜式指揮中心(現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層)可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)獲取整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的監(jiān)測(cè)信息以及發(fā)布指揮命令。

　　3.2 事件定位

　　基于CC2431集成的硬件定位引擎，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于加權(quán)處理的三邊測(cè)量定位算法，實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知層中傳感器節(jié)點(diǎn)自定位，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)探測(cè)到事件發(fā)生(例如：CH4氣體濃度超標(biāo)、非法人員入侵等)，對(duì)事件位置進(jìn)行定位并上傳。

　　3.3 環(huán)境信息感知

　　傳感器節(jié)點(diǎn)配備人體紅外線感知識(shí)別模塊、溫濕度傳感器、有毒氣體傳感器(目前實(shí)現(xiàn)CH4與CO兩種)，可探測(cè)環(huán)境信息，并將這些信息傳輸至移動(dòng)交互層與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層，延伸其感知范圍。

　　3.4 移動(dòng)用戶生理監(jiān)護(hù)

　　穿戴式設(shè)備配備生命體征偵測(cè)模塊(目前實(shí)現(xiàn)心率與血氧濃度兩種)，指揮中心軟件可實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)前方移動(dòng)用戶的生理參數(shù)信息。

　　3.5 多模態(tài)(語(yǔ)音、圖像、文字等)交互

　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音、圖像、文字等多種無(wú)線通信模式，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控后臺(tái)與移動(dòng)交互層之間、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間均可通過(guò)多種交互方式(語(yǔ)音、圖像、文字)實(shí)現(xiàn)雙向信息交互。

　　4 接入網(wǎng)性能測(cè)試

　　由于接入網(wǎng)是一個(gè)由靜態(tài)節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)路由呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)性，因此，下面對(duì)接入網(wǎng)中的幾個(gè)路由關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，用于評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)通信性能。

　　4.1 各個(gè)跳數(shù)等級(jí)下的丟包率測(cè)試

　　(1)測(cè)試目的：網(wǎng)絡(luò)層在各個(gè)跳數(shù)等級(jí)下的丟包率。

　　(2)測(cè)試方法：將多個(gè)節(jié)點(diǎn)依次排列(形成線型n(n>0)跳排列方式)，其中節(jié)點(diǎn)N1，Nn分別處于兩端，N1每隔0.5 s發(fā)送一個(gè)標(biāo)有ID的數(shù)據(jù)報(bào)文(長(zhǎng)度：20 B)，報(bào)文ID編號(hào)為0～999。測(cè)試在不同的n值下，Nn收到的報(bào)文個(gè)數(shù)為m，丟包率a=m/1 000。

　　(3)測(cè)試跳數(shù)：1～5跳。

　　(4)測(cè)試次數(shù)：測(cè)試10次取平均值。

　　(5)測(cè)試數(shù)據(jù)分析：如圖2所示。

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　　(6)測(cè)試結(jié)果評(píng)估：網(wǎng)絡(luò)層在各個(gè)跳數(shù)等級(jí)下的丟包率隨節(jié)點(diǎn)跳數(shù)增加而增加，平均丟包率為0.3%。

　　4.2 網(wǎng)絡(luò)層在各個(gè)跳數(shù)等級(jí)下的時(shí)延測(cè)試

　　(1)測(cè)試目的：網(wǎng)絡(luò)層在各個(gè)跳數(shù)等級(jí)下的時(shí)延。

　　(2)測(cè)試方法：將多個(gè)節(jié)點(diǎn)依次排開(kāi)(形成線型n(n>0)跳排放)，其中節(jié)點(diǎn)N1，Nn分別處于兩端，N1向Nn發(fā)送二個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文(P1，長(zhǎng)度為20 B)，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器;Nn收到P1后，反饋一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文(P2，長(zhǎng)度為20 B)，N1收到P2后，停止定時(shí)器，讀取時(shí)間差τ。1次測(cè)試將發(fā)送1 000次P1，平均時(shí)延

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　　(3)測(cè)試跳數(shù)：1～5跳。

　　(4)測(cè)試次數(shù)：測(cè)試10次取平均值。

　　(5)測(cè)試數(shù)據(jù)分析：如圖3所示。

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　　(6)測(cè)試結(jié)果評(píng)估：1跳平均時(shí)延22.8ms，2跳平均時(shí)延49.2ms，3跳平均時(shí)延80ms，4跳平均時(shí)延102.6ms，5跳平均時(shí)延148.2ms。

　　4.3 移動(dòng)Sink丟包率測(cè)試

　　(1)測(cè)試目的：Sink丟包率。

　　(2)測(cè)試方法：在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置1個(gè)數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)，并以該節(jié)點(diǎn)組建一個(gè)具有n(n>0)跳的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置2個(gè)移動(dòng)Sink節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速率為1 m/s)，數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送0～999號(hào)1 000個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至移動(dòng)Sink節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)Sink節(jié)點(diǎn)從與數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)相距1跳的位置逐漸遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)，記錄Sink節(jié)點(diǎn)在不同跳數(shù)下丟掉的包序號(hào)個(gè)數(shù)。為了保證測(cè)試環(huán)境與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境相一致，在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試環(huán)境為室內(nèi)有阻擋環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有布設(shè)冗余節(jié)點(diǎn)，并且安排測(cè)試人員在測(cè)試環(huán)境中穿行，增加測(cè)試環(huán)境的復(fù)雜度。

　　(3)測(cè)試跳數(shù)：1～5跳。

　　(4)測(cè)試次數(shù)：測(cè)試10次取平均值。

　　(5)測(cè)試數(shù)據(jù)分析：如圖4所示。

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　　(6)測(cè)試結(jié)果評(píng)估：由于功率比較小(-25dBm，采用2.4GHz小功率時(shí)對(duì)障礙物的穿透能量弱)，測(cè)試過(guò)程中環(huán)境較為復(fù)雜、環(huán)境干擾較大，以及網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有布設(shè)冗余節(jié)點(diǎn)，因此丟包比較嚴(yán)重，平均丟包率為5.5%。三跳測(cè)試時(shí)，有人剛好擋在數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)之間，因此，三跳測(cè)試的丟包率最高。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　本文面向軍事防御、災(zāi)害監(jiān)測(cè)與救援等危險(xiǎn)/惡劣應(yīng)用環(huán)境的共性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了移動(dòng)多Sink無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)便攜式移動(dòng)指揮、事件定位、環(huán)境信息感知、移動(dòng)用戶生命監(jiān)護(hù)、多模式交互(語(yǔ)音、圖像、文字等)等5大功能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在2個(gè)移動(dòng)Sink節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)平均延時(shí)小于100 ms，網(wǎng)絡(luò)丟包率小于6%，可滿足對(duì)于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用。