一種移動(dòng)多Sink無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

摘要：軍事防御、災(zāi)害監(jiān)測(cè)與救援等危險(xiǎn)／惡劣環(huán)境監(jiān)測(cè)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用。在此面向危險(xiǎn)／惡劣環(huán)境監(jiān)測(cè)需求，設(shè)計(jì)并構(gòu)建移動(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)境信息感知、便攜式移動(dòng)指揮、事件定位、移動(dòng)用戶生理監(jiān)護(hù)、多模態(tài)(語(yǔ)音、圖像、文字等)交互等功能。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％，可滿足網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：危險(xiǎn)／惡劣環(huán)境；移動(dòng)多Sink；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)測(cè)環(huán)境

0 引言
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量高密度布設(shè)的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)具有信息采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信等多種功能，通過(guò)無(wú)線通信形成一個(gè)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(cè)與救援等危險(xiǎn)／惡劣環(huán)境的事件監(jiān)測(cè)應(yīng)用，大多具有監(jiān)測(cè)面積較大、缺乏必要的通信基礎(chǔ)設(shè)施等特點(diǎn)，可充分發(fā)揮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、隨機(jī)分布、自組網(wǎng)等特點(diǎn)，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最典型的應(yīng)用之一。在這類(lèi)應(yīng)用中，事件監(jiān)測(cè)者(人或者智能平臺(tái))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(dòng)Sink節(jié)點(diǎn)。因此，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(lèi)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(lèi)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(xiāo)，減少洪泛消息次數(shù)，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。