- 一種移動多Sink無線傳感器網絡監測系統
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2014/12/30
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點組成，這些節點具有信息采集、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，可根據環境信息自主完成指定任務。面向軍事防御、災害監測與救援等危險／惡劣環境的事件監測應用，大多具有監測面積較大、缺乏必要的通信基礎設施等特點，可充分發揮無線傳感器網絡規模大、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節點。因此，本文設計并構建了移動多Sink無線傳感器網絡監測系統，實現環境監測、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／惡劣環境的監測需求，例如：軍事應用、特殊環境監測(如：災害現場、野生動物)等。在這類典型應用場合中，監測網絡大多采用隨機布設的方式，特定監測事件發生的地點是其關注的重點之一。軍事防御、災害現場監測兩類典型的應用需求分析如下：
1．1 軍事防御
現代戰爭中，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，需要集成各種環境監測傳感器、語音、視頻等多模態監控信息，擴大防御單兵乃至指揮系統的感知范圍，增強協同防御能力，快速定位特定事件發生的時間、地點，提升防御系統監測、指揮能力。
1．2 災害現場監測
近年來我國災害頻繁(特別是礦難事件)，災害監測與救援受到了越來越多的重視。災害現場往往環境復雜，傳統的通信技術難以使用，需要集成各種環境傳感器、語音、視頻等多模態監控信息，延伸救援人員的感知范圍，增強救援人員的協作能力，提升災害應急指揮能力。
2 系統架構
系統網絡結構分為現場監測局域網絡和遠程監測網絡兩部分。現場監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節點組成，負責將接入網中的節點信息中轉至網關節點，并由網關節點實現信息遠傳。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節點為中心，若干環境感知傳感器節點組成的局域網。由于系統需要通過無線傳感器網絡傳輸靜止的傳感器節點采集的環境信息，同時又需要傳輸移動節點的信息。因而，接入網是一種固定節點與移動節點相混合網絡的拓撲結構。在傳統的基于樹狀網絡拓撲結構中，Sink節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 系統功能
該系統可以快速、自適應組建無線網絡，全面獲取環境信息、移動用戶生理信息以及事件位置信息，監控指揮中心融合多模態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(現場監控層)可實時動態獲取整個網絡區域的監測信息以及發布指揮命令。
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，實現環境感知層中傳感器節點自定位，當某個節點探測到事件發生(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 環境信息感知
傳感器節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)，可探測環境信息，并將這些信息傳輸至移動交互層與現場監控層，延伸其感知范圍。
3．4 移動用戶生理監護
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護前方移動用戶的生理參數信息。
3．5 多模態(語音、圖像、文字等)交互
系統實現了語音、圖像、文字等多種無線通信模式，現場監控后臺與移動交互層之間、移動節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節點與移動節點組成混合網絡拓撲結構，數據路由呈現出動態性，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：將多個節點依次排列(形成線型n(n>0)跳排列方式)，其中節點N1，Nn分別處于兩端，N1每隔0．5 s發送一個標有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：將多個節點依次排開(形成線型n(n>0)跳排放)，其中節點N1，Nn分別處于兩端，N1向Nn發送二個數據報文(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個數據源節點，并以該節點組建一個具有n(n>0)跳的網絡，同時在網絡中設置2個移動Sink節點(節點移動速率為1 m／s)，數據源節點發送0～999號1 000個連續數據包，通過網絡中的其他節點將數據源節點的數據轉發至移動Sink節點，移動Sink節點從與數據源節點相距1跳的位置逐漸遠離數據源節點，記錄Sink節點在不同跳數下丟掉的包序號個數。為了保證測試環境與實際應用環境相一致，在測試過程中，測試環境為室內有阻擋環境，網絡中沒有布設冗余節點，并且安排測試人員在測試環境中穿行，增加測試環境的復雜度。
(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)，測試過程中環境較為復雜、環境干擾較大，以及網絡沒有布設冗余節點，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點和Sink節點之間，因此，三跳測試的丟包率最高。
6 結 語
本文面向軍事防御、災害監測與救援等危險／惡劣應用環境的共性特點，設計并構建了移動多Sink無線傳感器網絡監測系統。該系統可實現便攜式移動指揮、事件定位、環境信息感知、移動用戶生命監護、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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