0 引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量高密度布設(shè)的廉價微型傳感器節(jié)點組成，這些節(jié)點具有信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能，通過無線通信形成一個多跳的自組織分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可根據(jù)環(huán)境信息自主完成指定任務(wù)。面向軍事防御、災(zāi)害監(jiān)測與救援等危險／惡劣環(huán)境的事件監(jiān)測應(yīng)用，大多具有監(jiān)測面積較大、缺乏必要的通信基礎(chǔ)設(shè)施等特點，可充分發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、隨機分布、自組網(wǎng)等特點，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最典型的應(yīng)用之一。在這類應(yīng)用中，事件監(jiān)測者(人或者智能平臺)不僅參與管理而且也參與組網(wǎng)，成為了網(wǎng)絡(luò)中的移動Sink節(jié)點。因此，本文設(shè)計并構(gòu)建了移動多Sink無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測、事件定位等功能。

　　1 應(yīng)用背景

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念源于對一些人工無法到達(dá)或者不便到達(dá)的危險／惡劣環(huán)境的監(jiān)測需求，例如：軍事應(yīng)用、特殊環(huán)境監(jiān)測(如：災(zāi)害現(xiàn)場、野生動物)等。在這類典型應(yīng)用場合中，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)大多采用隨機布設(shè)的方式，特定監(jiān)測事件發(fā)生的地點是其關(guān)注的重點之一。軍事防御、災(zāi)害現(xiàn)場監(jiān)測兩類典型的應(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)無法應(yīng)對日益豐富、隱蔽的進(jìn)攻手段，需要集成各種環(huán)境監(jiān)測傳感器、語音、視頻等多模態(tài)監(jiān)控信息，擴大防御單兵乃至指揮系統(tǒng)的感知范圍，增強協(xié)同防御能力，快速定位特定事件發(fā)生的時間、地點，提升防御系統(tǒng)監(jiān)測、指揮能力。

　　1．2 災(zāi)害現(xiàn)場監(jiān)測

　　近年來我國災(zāi)害頻繁(特別是礦難事件)，災(zāi)害監(jiān)測與救援受到了越來越多的重視。災(zāi)害現(xiàn)場往往環(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)場監(jiān)測局域網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)兩部分�，F(xiàn)場監(jiān)測局域網(wǎng)絡(luò)由骨干網(wǎng)與接入網(wǎng)兩級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。骨干網(wǎng)由移動Sink節(jié)點組成，負(fù)責(zé)將接入網(wǎng)中的節(jié)點信息中轉(zhuǎn)至網(wǎng)關(guān)節(jié)點，并由網(wǎng)關(guān)節(jié)點實現(xiàn)信息遠(yuǎn)傳。骨干網(wǎng)中直接采用無線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)，每個接入子網(wǎng)是以骨干網(wǎng)中的移動Sink節(jié)點為中心，若干環(huán)境感知傳感器節(jié)點組成的局域網(wǎng)。由于系統(tǒng)需要通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸靜止的傳感器節(jié)點采集的環(huán)境信息，同時又需要傳輸移動節(jié)點的信息。因而，接入網(wǎng)是一種固定節(jié)點與移動節(jié)點相混合網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的基于樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，Sink節(jié)點的移動會造成數(shù)據(jù)鏈路最后一跳出現(xiàn)中斷，需要重新建立路由樹。但是頻繁地重新建立路由樹，不僅網(wǎng)絡(luò)能耗代價比較大，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。針對這一特點，在系統(tǒng)中設(shè)計了基于局部路由維護(hù)策略的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法，以降低系統(tǒng)重建路由樹時的開銷，減少洪泛消息次數(shù)，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。      

　　3 系統(tǒng)功能

　　該系統(tǒng)可以快速、自適應(yīng)組建無線網(wǎng)絡(luò)，全面獲取環(huán)境信息、移動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)傳感器信息快速決策指揮。具有以下5大功能：

　　3．1 便攜式移動指揮

　　系統(tǒng)可快速、靈活布置在各種場合，組建臨時指揮網(wǎng)絡(luò)。便攜式指揮中心(現(xiàn)場監(jiān)控層)可實時動態(tài)獲取整個網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的監(jiān)測信息以及發(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)計實現(xiàn)基于加權(quán)處理的三邊測量定位算法，實現(xiàn)環(huán)境感知層中傳感器節(jié)點自定位，當(dāng)某個節(jié)點探測到事件發(fā)生(例如：CH4氣體濃度超標(biāo)、非法人員入侵等)，對事件位置進(jìn)行定位并上傳。

　　3．3 環(huán)境信息感知

　　傳感器節(jié)點配備人體紅外線感知識別模塊、溫濕度傳感器、有毒氣體傳感器(目前實現(xiàn)CH4與CO兩種)，可探測環(huán)境信息，并將這些信息傳輸至移動交互層與現(xiàn)場監(jiān)控層，延伸其感知范圍。

　　3．4 移動用戶生理監(jiān)護(hù)

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

　　3．5 多模態(tài)(語音、圖像、文字等)交互

　　系統(tǒng)實現(xiàn)了語音、圖像、文字等多種無線通信模式，現(xiàn)場監(jiān)控后臺與移動交互層之間、移動節(jié)點之間均可通過多種交互方式(語音、圖像、文字)實現(xiàn)雙向信息交互。

　　4 接入網(wǎng)性能測試

　　由于接入網(wǎng)是一個由靜態(tài)節(jié)點與移動節(jié)點組成混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)路由呈現(xiàn)出動態(tài)性，因此，下面對接入網(wǎng)中的幾個路由關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行測試，用于評價網(wǎng)絡(luò)通信性能。

　　4．1 各個跳數(shù)等級下的丟包率測試

　　(1)測試目的：網(wǎng)絡(luò)層在各個跳數(shù)等級下的丟包率。
　　(2)測試方法：將多個節(jié)點依次排列(形成線型n(n>0)跳排列方式)，其中節(jié)點N1，Nn分別處于兩端，N1每隔0．5 s發(fā)送一個標(biāo)有ID的數(shù)據(jù)報文(長度：20 B)，報文ID編號為0～999。測試在不同的n值下，Nn收到的報文個數(shù)為m，丟包率a=m／1 000。
　　(3)測試跳數(shù)：1～5跳。
　　(4)測試次數(shù)：測試10次取平均值。
　　(5)測試數(shù)據(jù)分析：如圖2所示。

　　(6)測試結(jié)果評估：網(wǎng)絡(luò)層在各個跳數(shù)等級下的丟包率隨節(jié)點跳數(shù)增加而增加，平均丟包率為0．3％。

　　4．2 網(wǎng)絡(luò)層在各個跳數(shù)等級下的時延測試

　　(1)測試目的：網(wǎng)絡(luò)層在各個跳數(shù)等級下的時延。
　　(2)測試方法：將多個節(jié)點依次排開(形成線型n(n>0)跳排放)，其中節(jié)點N1，Nn分別處于兩端，N1向Nn發(fā)送二個數(shù)據(jù)報文(P1，長度為20 B)，同時啟動定時器；Nn收到P1后，反饋一個數(shù)據(jù)報文(P2，長度為20 B)，N1收到P2后，停止定時器，讀取時間差τ。1次測試將發(fā)送1 000次P1，平均時延c.JPG。
　　(3)測試跳數(shù)：1～5跳。
　　(4)測試次數(shù)：測試10次取平均值。
　　(5)測試數(shù)據(jù)分析：如圖3所示。    

               
　　(6)測試結(jié)果評估：1跳平均時延22．8ms，2跳平均時延49．2ms，3跳平均時延80ms，4跳平均時延102．6ms，5跳平均時延148．2ms。

　　4．3 移動Sink丟包率測試

　　(1)測試目的：Sink丟包率。
　　(2)測試方法：在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置1個數(shù)據(jù)源節(jié)點，并以該節(jié)點組建一個具有n(n>0)跳的網(wǎng)絡(luò)，同時在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置2個移動Sink節(jié)點(節(jié)點移動速率為1 m／s)，數(shù)據(jù)源節(jié)點發(fā)送0～999號1 000個連續(xù)數(shù)據(jù)包，通過網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點將數(shù)據(jù)源節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至移動Sink節(jié)點，移動Sink節(jié)點從與數(shù)據(jù)源節(jié)點相距1跳的位置逐漸遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)源節(jié)點，記錄Sink節(jié)點在不同跳數(shù)下丟掉的包序號個數(shù)。為了保證測試環(huán)境與實際應(yīng)用環(huán)境相一致，在測試過程中，測試環(huán)境為室內(nèi)有阻擋環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)中沒有布設(shè)冗余節(jié)點，并且安排測試人員在測試環(huán)境中穿行，增加測試環(huán)境的復(fù)雜度。
　　(3)測試跳數(shù)：1～5跳。
　　(4)測試次數(shù)：測試10次取平均值。
　　(5)測試數(shù)據(jù)分析：如圖4所示。     

    
　　(6)測試結(jié)果評估：由于功率比較小(-25dBm，采用2．4GHz小功率時對障礙物的穿透能量弱)，測試過程中環(huán)境較為復(fù)雜、環(huán)境干擾較大，以及網(wǎng)絡(luò)沒有布設(shè)冗余節(jié)點，因此丟包比較嚴(yán)重，平均丟包率為5．5％。三跳測試時，有人剛好擋在數(shù)據(jù)源節(jié)點和Sink節(jié)點之間，因此，三跳測試的丟包率最高。

　　6 結(jié)　語

　　本文面向軍事防御、災(zāi)害監(jiān)測與救援等危險／惡劣應(yīng)用環(huán)境的共性特點，設(shè)計并構(gòu)建了移動多Sink無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)便攜式移動指揮、事件定位、環(huán)境信息感知、移動用戶生命監(jiān)護(hù)、多模式交互(語音、圖像、文字等)等5大功能。實驗測試結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在2個移動Sink節(jié)點時，網(wǎng)絡(luò)平均延時小于100 ms，網(wǎng)絡(luò)丟包率小于6％，可滿足對于網(wǎng)絡(luò)實時性要求不高的應(yīng)用。

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