一种移动多sink无线传感器网络监测系统——赛斯维传感器网-pg电子游戏官网官方网站

　　0 引言

　　无线传感器网络由大量高密度布设的廉价微型pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台节点组成，这些节点具有信息采集、数据处理和无线通信等多种功能，通过无线通信形成一个多跳的自组织分布式网络系统，可根据环境信息自主完成指定任务。面向军事防御、灾害监测与救援等危险／恶劣环境的事件监测应用，大多具有监测面积较大、缺乏必要的通信基础设施等特点，可充分发挥无线传感器网络规模大、随机分布、自组网等特点，是无线传感器网络最典型的应用之一。在这类应用中，事件监测者(人或者智能平台)不仅参与管理而且也参与组网，成为了网络中的移动sink节点。因此，本文设计并构建了移动多sink无线传感器网络监测系统，实现环境监测、事件定位等功能。

　　1 应用背景

　　无线传感器网络概念源于对一些人工无法到达或者不便到达的危险／恶劣环境的监测需求，例如：军事应用、特殊环境监测(如：灾害现场、野生动物)等。在这类典型应用场合中，监测网络大多采用随机布设的方式，特定监测事件发生的地点是其关注的重点之一。军事防御、灾害现场监测两类典型的应用需求分析如下：

　　1．1 军事防御

　　现代战争中，重要军事设施往往成为敌方攻击的重要目标，利用直接感官进行防御已经无法应对日益丰富、隐蔽的进攻手段，需要集成各种环境监测pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台、语音、视频等多模态监控信息，扩大防御单兵乃至指挥系统的感知范围，增强协同防御能力，快速定位特定事件发生的时间、地点，提升防御系统监测、指挥能力。

　　1．2 灾害现场监测

　　近年来我国灾害频繁(特别是矿难事件)，灾害监测与救援受到了越来越多的重视。灾害现场往往环境复杂，传统的通信技术难以使用，需要集成各种环境传感器、语音、视频等多模态监控信息，延伸救援人员的感知范围，增强救援人员的协作能力，提升灾害应急指挥能力。

　　2 系统架构

　　系统网络结构分为现场监测局域网络和远程监测网络两部分。现场监测局域网络由骨干网与接入网两级网络结构组成，如图1所示。骨干网由移动sink节点组成，负责将接入网中的节点信息中转至网关节点，并由网关节点实现信息远传。骨干网中直接采用无线mesh技术进行组网(用于传输视频、音频等数据量较大的信息)。接入网分为若干子网，每个接入子网是以骨干网中的移动sink节点为中心，若干环境感知传感器节点组成的局域网。由于系统需要通过无线传感器网络传输静止的pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台节点采集的环境信息，同时又需要传输移动节点的信息。因而，接入网是一种固定节点与移动节点相混合网络的拓扑结构。在传统的基于树状网络拓扑结构中，sink节点的移动会造成数据链路最后一跳出现中断，需要重新建立路由树。但是频繁地重新建立路由树，不仅网络能耗代价比较大，而且大量的洪泛消息还容易造成网络风暴，阻碍正常的数据传输。针对这一特点，在系统中设计了基于局部路由维护策略的无线pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台网络路由算法，以降低系统重建路由树时的开销，减少洪泛消息次数，延长网络寿命。      

　　3 系统功能

　　该系统可以快速、自适应组建无线网络，全面获取环境信息、移动用户生理信息以及事件位置信息，监控指挥中心融合多模态传感器信息快速决策指挥。具有以下5大功能：

　　3．1 便携式移动指挥

　　系统可快速、灵活布置在各种场合，组建临时指挥网络。便携式指挥中心(现场监控层)可实时动态获取整个网络区域的监测信息以及发布指挥命令。

　　3．2 事件定位

　　基于cc2431集成的硬件定位引擎，设计实现基于加权处理的三边测量定位算法，实现环境感知层中传感器节点自定位，当某个节点探测到事件发生(例如：ch4气体浓度超标、非法人员入侵等)，对事件位置进行定位并上传。

　　3．3 环境信息感知

　　传感器节点配备人体红外线感知识别模块、温湿度传感器、有毒气体传感器(目前实现ch4与co两种)，可探测环境信息，并将这些信息传输至移动交互层与现场监控层，延伸其感知范围。

　　3．4 移动用户生理监护

　　穿戴式设备配备生命体征侦测模块(目前实现心率与血氧浓度两种)，指挥中心软件可实时监护前方移动用户的生理参数信息。

　　3．5 多模态(语音、图像、文字等)交互

　　系统实现了语音、图像、文字等多种无线通信模式，现场监控后台与移动交互层之间、移动节点之间均可通过多种交互方式(语音、图像、文字)实现双向信息交互。

　　4 接入网性能测试

　　由于接入网是一个由静态节点与移动节点组成混合网络拓扑结构，数据路由呈现出动态性，因此，下面对接入网中的几个路由关键指标进行测试，用于评价网络通信性能。

　　4．1 各个跳数等级下的丢包率测试

　　(1)测试目的：网络层在各个跳数等级下的丢包率。
　　(2)测试方法：将多个节点依次排列(形成线型n(n>0)跳排列方式)，其中节点n1，nn分别处于两端，n1每隔0．5 s发送一个标有id的数据报文(长度：20 b)，报文id编号为0～999。测试在不同的n值下，nn收到的报文个数为m，丢包率a=m／1 000。
　　(3)测试跳数：1～5跳。
　　(4)测试次数：测试10次取平均值。
　　(5)测试数据分析：如图2所示。

　　(6)测试结果评估：网络层在各个跳数等级下的丢包率随节点跳数增加而增加，平均丢包率为0．3％。

　　4．2 网络层在各个跳数等级下的时延测试

　　(1)测试目的：网络层在各个跳数等级下的时延。
　　(2)测试方法：将多个节点依次排开(形成线型n(n>0)跳排放)，其中节点n1，nn分别处于两端，n1向nn发送二个数据报文(p1，长度为20 b)，同时启动定时器；nn收到p1后，反馈一个数据报文(p2，长度为20 b)，n1收到p2后，停止定时器，读取时间差τ。1次测试将发送1 000次p1，平均时延c.jpg。
　　(3)测试跳数：1～5跳。
　　(4)测试次数：测试10次取平均值。
　　(5)测试数据分析：如图3所示。    

               
　　(6)测试结果评估：1跳平均时延22．8ms，2跳平均时延49．2ms，3跳平均时延80ms，4跳平均时延102．6ms，5跳平均时延148．2ms。

　　4．3 移动sink丢包率测试

　　(1)测试目的：sink丢包率。
　　(2)测试方法：在网络中设置1个数据源节点，并以该节点组建一个具有n(n>0)跳的网络，同时在网络中设置2个移动sink节点(节点移动速率为1 m／s)，数据源节点发送0～999号1 000个连续数据包，通过网络中的其他节点将数据源节点的数据转发至移动sink节点，移动sink节点从与数据源节点相距1跳的位置逐渐远离数据源节点，记录sink节点在不同跳数下丢掉的包序号个数。为了保证测试环境与实际应用环境相一致，在测试过程中，测试环境为室内有阻挡环境，网络中没有布设冗余节点，并且安排测试人员在测试环境中穿行，增加测试环境的复杂度。
　　(3)测试跳数：1～5跳。
　　(4)测试次数：测试10次取平均值。
　　(5)测试数据分析：如图4所示。     

    
　　(6)测试结果评估：由于功率比较小(-25dbm，采用2．4ghz小功率时对障碍物的穿透能量弱)，测试过程中环境较为复杂、环境干扰较大，以及网络没有布设冗余节点，因此丢包比较严重，平均丢包率为5．5％。三跳测试时，有人刚好挡在数据源节点和sink节点之间，因此，三跳测试的丢包率最高。

　　6 结　语

　　本文面向军事防御、灾害监测与救援等危险／恶劣应用环境的共性特点，设计并构建了移动多sink无线pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台网络监测系统。该系统可实现便携式移动指挥、事件定位、环境信息感知、移动用户生命监护、多模式交互(语音、图像、文字等)等5大功能。实验测试结果表明，当网络中存在2个移动sink节点时，网络平均延时小于100 ms，网络丢包率小于6％，可满足对于网络实时性要求不高的应用。

　　转载请注明来源：赛斯维传感器网（pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台）