0 引言

　　無線傳感器網絡由大量高密度布設的廉價微型傳感器節(jié)點組成，這些節(jié)點具有信息采集、數據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絡系統(tǒng)，可根據環(huán)境信息自主完成指定任務。面向軍事防御、災害監(jiān)測與救援等危險／惡劣環(huán)境的事件監(jiān)測應用，大多具有監(jiān)測面積較大、缺乏必要的通信基礎設施等特點，可充分發(fā)揮無線傳感器網絡規(guī)模大、隨機分布、自組網等特點，是無線傳感器網絡最典型的應用之一。在這類應用中，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，成為了網絡中的移動Sink節(jié)點。因此，本文設計并構建了移動多Sink無線傳感器網絡監(jiān)測系統(tǒng)，實現環(huán)境監(jiān)測、事件定位等功能。

　　1 應用背景

　　無線傳感器網絡概念源于對一些人工無法到達或者不便到達的危險／惡劣環(huán)境的監(jiān)測需求，例如：軍事應用、特殊環(huán)境監(jiān)測(如：災害現場、野生動物)等。在這類典型應用場合中，監(jiān)測網絡大多采用隨機布設的方式，特定監(jiān)測事件發(fā)生的地點是其關注的重點之一。軍事防御、災害現場監(jiān)測兩類典型的應用需求分析如下：

　　1．1 軍事防御

　　現代戰(zhàn)爭中，重要軍事設施往往成為敵方攻擊的重要目標，利用直接感官進行防御已經無法應對日益豐富、隱蔽的進攻手段，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 災害現場監(jiān)測

　　近年來我國災害頻繁(特別是礦難事件)，災害監(jiān)測與救援受到了越來越多的重視。災害現場往往環(huán)境復雜，傳統(tǒng)的通信技術難以使用，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，提升災害應急指揮能力。

　　2 系統(tǒng)架構

　　系統(tǒng)網絡結構分為現場監(jiān)測局域網絡和遠程監(jiān)測網絡兩部分�，F場監(jiān)測局域網絡由骨干網與接入網兩級網絡結構組成，如圖1所示。骨干網由移動Sink節(jié)點組成，負責將接入網中的節(jié)點信息中轉至網關節(jié)點，并由網關節(jié)點實現信息遠傳。骨干網中直接采用無線MESH技術進行組網(用于傳輸視頻、音頻等數據量較大的信息)。接入網分為若干子網，每個接入子網是以骨干網中的移動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。由于系統(tǒng)需要通過無線傳感器網絡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，接入網是一種固定節(jié)點與移動節(jié)點相混合網絡的拓撲結構。在傳統(tǒng)的基于樹狀網絡拓撲結構中，Sink節(jié)點的移動會造成數據鏈路最后一跳出現中斷，需要重新建立路由樹。但是頻繁地重新建立路由樹，不僅網絡能耗代價比較大，而且大量的洪泛消息還容易造成網絡風暴，阻礙正常的數據傳輸。針對這一特點，在系統(tǒng)中設計了基于局部路由維護策略的無線傳感器網絡路由算法，以降低系統(tǒng)重建路由樹時的開銷，減少洪泛消息次數，延長網絡壽命。      

　　3 系統(tǒng)功能

　　該系統(tǒng)可以快速、自適應組建無線網絡，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，組建臨時指揮網絡。便攜式指揮中心(現場監(jiān)控層)可實時動態(tài)獲取整個網絡區(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，設計實現基于加權處理的三邊測量定位算法，實現環(huán)境感知層中傳感器節(jié)點自定位，當某個節(jié)點探測到事件發(fā)生(例如：CH4氣體濃度超標、非法人員入侵等)，對事件位置進行定位并上傳。

　　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場監(jiān)控層，延伸其感知范圍。

　　3．4 移動用戶生理監(jiān)護

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

　　3．5 多模態(tài)(語音、圖像、文字等)交互

　　系統(tǒng)實現了語音、圖像、文字等多種無線通信模式，現場監(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)實現雙向信息交互。

　　4 接入網性能測試

　　由于接入網是一個由靜態(tài)節(jié)點與移動節(jié)點組成混合網絡拓撲結構，數據路由呈現出動態(tài)性，因此，下面對接入網中的幾個路由關鍵指標進行測試，用于評價網絡通信性能。

　　4．1 各個跳數等級下的丟包率測試

　　(1)測試目的：網絡層在各個跳數等級下的丟包率。
　　(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)送一個標有ID的數據報文(長度：20 B)，報文ID編號為0～999。測試在不同的n值下，Nn收到的報文個數為m，丟包率a=m／1 000。
　　(3)測試跳數：1～5跳。
　　(4)測試次數：測試10次取平均值。
　　(5)測試數據分析：如圖2所示。

　　(6)測試結果評估：網絡層在各個跳數等級下的丟包率隨節(jié)點跳數增加而增加，平均丟包率為0．3％。

　　4．2 網絡層在各個跳數等級下的時延測試

　　(1)測試目的：網絡層在各個跳數等級下的時延。
　　(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)送二個數據報文(P1，長度為20 B)，同時啟動定時器；Nn收到P1后，反饋一個數據報文(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：1～5跳。
　　(4)測試次數：測試10次取平均值。
　　(5)測試數據分析：如圖3所示。    

               
　　(6)測試結果評估：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：在網絡中設置1個數據源節(jié)點，并以該節(jié)點組建一個具有n(n>0)跳的網絡，同時在網絡中設置2個移動Sink節(jié)點(節(jié)點移動速率為1 m／s)，數據源節(jié)點發(fā)送0～999號1 000個連續(xù)數據包，通過網絡中的其他節(jié)點將數據源節(jié)點的數據轉發(fā)至移動Sink節(jié)點，移動Sink節(jié)點從與數據源節(jié)點相距1跳的位置逐漸遠離數據源節(jié)點，記錄Sink節(jié)點在不同跳數下丟掉的包序號個數。為了保證測試環(huán)境與實際應用環(huán)境相一致，在測試過程中，測試環(huán)境為室內有阻擋環(huán)境，網絡中沒有布設冗余節(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)境的復雜度。
　　(3)測試跳數：1～5跳。
　　(4)測試次數：測試10次取平均值。
　　(5)測試數據分析：如圖4所示。     

    
　　(6)測試結果評估：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)境較為復雜、環(huán)境干擾較大，以及網絡沒有布設冗余節(jié)點，因此丟包比較嚴重，平均丟包率為5．5％。三跳測試時，有人剛好擋在數據源節(jié)點和Sink節(jié)點之間，因此，三跳測試的丟包率最高。

　　6 結　語

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

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