一种移动多Sink无线传感器网络监测系统

摘要：军事防御、灾害监测与救援等危险／恶劣环境监测是无线传感器网络的典型应用。在此面向危险／恶劣环境监测需求，设计并构建移动多Sink无线传感器网络监测系统，实现环境信息感知、便携式移动指挥、事件定位、移动用户生理监护、多模态(语音、图像、文字等)交互等功能。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％，可满足网络实时性要求不高的应用。
关键词：危险／恶劣环境；移动多Sink；无线传感器网络；监测环境

0 引言
    无线传感器网络由大量高密度布设的廉价微型传感器节点组成，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传感器、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传感器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传感器网络路由算法，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。
    (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无线传感器网络监测系统。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。