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　　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。

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　　3 系統(tǒng)功能

　　該系統(tǒng)可以快速、自適應組建無線網(wǎng)絡，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。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)絡區(qū)域的監(jiān)測信息以及發(fā)布指揮命令。

　　3.2 事件定位

　　基于CC2431集成的硬件定位引擎，設計實現(xiàn)基于加權處理的三邊測量定位算法，實現(xiàn)環(huán)境感知層中傳感器節(jié)點自定位，當某個節(jié)點探測到事件發(fā)生(例如：CH4氣體濃度超標、非法人員入侵等)，對事件位置進行定位并上傳。

　　3.3 環(huán)境信息感知

　　傳感器節(jié)點配備人體紅外線感知識別模塊、溫濕度傳感器、有毒氣體傳感器(目前實現(xiàn)CH4與CO兩種)，可探測環(huán)境信息，并將這些信息傳輸至移動交互層與現(xiàn)場監(jiān)控層，延伸其感知范圍。

　　3.4 移動用戶生理監(jiān)護

　　穿戴式設備配備生命體征偵測模塊(目前實現(xiàn)心率與血氧濃度兩種)，指揮中心軟件可實時監(jiān)護前方移動用戶的生理參數(shù)信息。

　　3.5 多模態(tài)(語音、圖像、文字等)交互

　　系統(tǒng)實現(xiàn)了語音、圖像、文字等多種無線通信模式，現(xiàn)場監(jiān)控后臺與移動交互層之間、移動節(jié)點之間均可通過多種交互方式(語音、圖像、文字)實現(xiàn)雙向信息交互。

　　4 接入網(wǎng)性能測試

　　由于接入網(wǎng)是一個由靜態(tài)節(jié)點與移動節(jié)點組成混合網(wǎng)絡拓撲結構，數(shù)據(jù)路由呈現(xiàn)出動態(tài)性，因此，下面對接入網(wǎng)中的幾個路由關鍵指標進行測試，用于評價網(wǎng)絡通信性能。

　　4.1 各個跳數(shù)等級下的丟包率測試

　　(1)測試目的：網(wǎng)絡層在各個跳數(shù)等級下的丟包率。

　　(2)測試方法：將多個節(jié)點依次排列(形成線型n(n>0)跳排列方式)，其中節(jié)點N1，Nn分別處于兩端，N1每隔0.5 s發(fā)送一個標有ID的數(shù)據(jù)報文(長度：20 B)，報文ID編號為0～999。測試在不同的n值下，Nn收到的報文個數(shù)為m，丟包率a=m/1 000。

　　(3)測試跳數(shù)：1～5跳。

　　(4)測試次數(shù)：測試10次取平均值。

　　(5)測試數(shù)據(jù)分析：如圖2所示。

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　　(6)測試結果評估：網(wǎng)絡層在各個跳數(shù)等級下的丟包率隨節(jié)點跳數(shù)增加而增加，平均丟包率為0.3%。