一種移動(dòng)多Sink無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )監測系統

摘要：軍事防御、災害監測與救援等危險／惡劣環(huán)境監測是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的典型應用。在此面向危險／惡劣環(huán)境監測需求，設計并構建移動(dòng)多Sink無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )監測系統，實(shí)現環(huán)境信息感知、便攜式移動(dòng)指揮、事件定位、移動(dòng)用戶(hù)生理監護、多模態(tài)(語(yǔ)音、圖像、文字等)交互等功能。實(shí)驗測試結果表明，當網(wǎng)絡(luò )中存在2個(gè)移動(dòng)Sink節點(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(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)性要求不高的應用。
關(guān)鍵詞：危險／惡劣環(huán)境；移動(dòng)多Sink；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；監測環(huán)境

0 引言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由大量高密度布設的廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)組成，這些節點(diǎn)具有信息采集、數據處理和無(wú)線(xiàn)通信等多種功能，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信形成一個(gè)多跳的自組織分布式網(wǎng)絡(luò )系統，可根據環(huán)境信息自主完成指定任務(wù)。面向軍事防御、災害監測與救援等危險／惡劣環(huán)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(diǎn)，可充分發(fā)揮無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )規模大、隨機分布、自組網(wǎng)等特點(diǎn)，是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )最典型的應用之一。在這類(lèi)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(wǎng)，成為了網(wǎng)絡(luò )中的移動(dòng)Sink節點(diǎn)。因此，本文設計并構建了移動(dòng)多Sink無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )監測系統，實(shí)現環(huán)境監測、事件定位等功能。

1 應用背景
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )概念源于對一些人工無(wú)法到達或者不便到達的危險／惡劣環(huán)境的監測需求，例如：軍事應用、特殊環(huán)境監測(如：災害現場(chǎng)、野生動(dòng)物)等。在這類(lèi)典型應用場(chǎng)合中，監測網(wǎng)絡(luò )大多采用隨機布設的方式，特定監測事件發(fā)生的地點(diǎn)是其關(guān)注的重點(diǎn)之一。軍事防御、災害現場(chǎng)監測兩類(lèi)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(jìn)行防御已經(jīng)無(wú)法應對日益豐富、隱蔽的進(jìn)攻手段，需要集成各種環(huán)境監測傳感器、語(yǔ)音、視頻等多模態(tài)監控信息，擴大防御單兵乃至指揮系統的感知范圍，增強協(xié)同防御能力，快速定位特定事件發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)，提升防御系統監測、指揮能力。
1．2 災害現場(chǎng)監測
近年來(lái)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(lái)越多的重視。災害現場(chǎng)往往環(huán)境復雜，傳統的通信技術(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 系統架構
系統網(wǎng)絡(luò )結構分為現場(chǎng)監測局域網(wǎng)絡(luò )和遠程監測網(wǎng)絡(luò )兩部分?，F場(chǎng)監測局域網(wǎng)絡(luò )由骨干網(wǎng)與接入網(wǎng)兩級網(wǎng)絡(luò )結構組成，如圖1所示。骨干網(wǎng)由移動(dòng)Sink節點(diǎn)組成，負責將接入網(wǎng)中的節點(diǎn)信息中轉至網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，并由網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)實(shí)現信息遠傳。骨干網(wǎng)中直接采用無(wú)線(xiàn)MESH技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)(用于傳輸視頻、音頻等數據量較大的信息)。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節點(diǎn)為中心，若干環(huán)境感知傳感器節點(diǎn)組成的局域網(wǎng)。由于系統需要通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )傳輸靜止的傳感器節點(diǎn)采集的環(huán)境信息，同時(shí)又需要傳輸移動(dòng)節點(diǎn)的信息。因而，接入網(wǎng)是一種固定節點(diǎn)與移動(dòng)節點(diǎn)相混合網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構。在傳統的基于樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中，Sink節點(diǎn)的移動(dòng)會(huì )造成數據鏈路最后一跳出現中斷，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，阻礙正常的數據傳輸。針對這一特點(diǎn)，在系統中設計了基于局部路由維護策略的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由算法，以降低系統重建路由樹(shù)時(shí)的開(kāi)銷(xiāo)，減少洪泛消息次數，延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )壽命。