一種移動多Sink無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：軍事防御、災害監(jiān)測與救援等危險／惡劣環(huán)境監(jiān)測是無線傳感器網(wǎng)絡的典型應用。在此面向危險／惡劣環(huán)境監(jiān)測需求，設計并構建移動多Sink無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)環(huán)境信息感知、便攜式移動指揮、事件定位、移動用戶生理監(jiān)護、多模態(tài)(語音、圖像、文字等)交互等功能。實驗測試結果表明，當網(wǎng)絡中存在2個移動Sink節(jié)點時，網(wǎng)絡平均延時小于100 ms，網(wǎng)絡丟包率小于6％，可滿足網(wǎng)絡實時性要求不高的應用。
關鍵詞：危險／惡劣環(huán)境；移動多Sink；無線傳感器網(wǎng)絡；監(jiān)測環(huán)境

0 引言
無線傳感器網(wǎng)絡由大量高密度布設的廉價微型傳感器節(jié)點組成，這些節(jié)點具有信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能，通過無線通信形成一個多跳的自組織分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)，可根據(jù)環(huán)境信息自主完成指定任務。面向軍事防御、災害監(jiān)測與救援等危險／惡劣環(huán)境的事件監(jiān)測應用，大多具有監(jiān)測面積較大、缺乏必要的通信基礎設施等特點，可充分發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡規(guī)模大、隨機分布、自組網(wǎng)等特點，是無線傳感器網(wǎng)絡最典型的應用之一。在這類應用中，事件監(jiān)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)絡中的移動Sink節(jié)點。因此，本文設計并構建了移動多Sink無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測、事件定位等功能。

1 應用背景
無線傳感器網(wǎng)絡概念源于對一些人工無法到達或者不便到達的危險／惡劣環(huán)境的監(jiān)測需求，例如：軍事應用、特殊環(huán)境監(jiān)測(如：災害現(xiàn)場、野生動物)等。在這類典型應用場合中，監(jiān)測網(wǎng)絡大多采用隨機布設的方式，特定監(jiān)測事件發(fā)生的地點是其關注的重點之一。軍事防御、災害現(xiàn)場監(jiān)測兩類典型的應用需求分析如下：
1．1 軍事防御
現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，重要軍事設施往往成為敵方攻擊的重要目標，利用直接感官進行防御已經(jīng)無法應對日益豐富、隱蔽的進攻手段，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，擴大防御單兵乃至指揮系統(tǒng)的感知范圍，增強協(xié)同防御能力，快速定位特定事件發(fā)生的時間、地點，提升防御系統(tǒng)監(jiān)測、指揮能力。
1．2 災害現(xiàn)場監(jiān)測
近年來我國災害頻繁(特別是礦難事件)，災害監(jiān)測與救援受到了越來越多的重視。災害現(xiàn)場往往環(huán)境復雜，傳統(tǒng)的通信技術難以使用，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，增強救援人員的協(xié)作能力，提升災害應急指揮能力。

2 系統(tǒng)架構
系統(tǒng)網(wǎng)絡結構分為現(xiàn)場監(jiān)測局域網(wǎng)絡和遠程監(jiān)測網(wǎng)絡兩部分?，F(xiàn)場監(jiān)測局域網(wǎng)絡由骨干網(wǎng)與接入網(wǎng)兩級網(wǎng)絡結構組成，如圖1所示。骨干網(wǎng)由移動Sink節(jié)點組成，負責將接入網(wǎng)中的節(jié)點信息中轉至網(wǎng)關節(jié)點，并由網(wǎng)關節(jié)點實現(xiàn)信息遠傳。骨干網(wǎng)中直接采用無線MESH技術進行組網(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)點為中心，若干環(huán)境感知傳感器節(jié)點組成的局域網(wǎng)。由于系統(tǒng)需要通過無線傳感器網(wǎng)絡傳輸靜止的傳感器節(jié)點采集的環(huán)境信息，同時又需要傳輸移動節(jié)點的信息。因而，接入網(wǎng)是一種固定節(jié)點與移動節(jié)點相混合網(wǎng)絡的拓撲結構。在傳統(tǒng)的基于樹狀網(wǎng)絡拓撲結構中，Sink節(jié)點的移動會造成數(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)絡能耗代價比較大，而且大量的洪泛消息還容易造成網(wǎng)絡風暴，阻礙正常的數(shù)據(jù)傳輸。針對這一特點，在系統(tǒng)中設計了基于局部路由維護策略的無線傳感器網(wǎng)絡路由算法，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)絡壽命。