移動多Sink無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)

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(jī)布設(shè)的方式，特定監(jiān)測事件發(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(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)生的時間、地點(diǎn)，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(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)場監(jiān)測局域網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)兩部分。現(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(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(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)需要通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸靜止的傳感器節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境信息，同時又需要傳輸移動節(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)的基于樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，Sink節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，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。