無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究報告

.-.可修編.1武警部隊監(jiān)控平臺架構(gòu)介紹與設(shè)計1.1監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基站監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如上圖所示，主要由三個大的部分構(gòu)成，分別是監(jiān)控中心、監(jiān)控站點、監(jiān)控單元。整個系統(tǒng)從資金、功能以及方便維護性出發(fā)，我們采用了干點加節(jié)點方式的監(jiān)控方法。監(jiān)控中心（SC）：SC的定義是指整個系統(tǒng)的中心樞紐點，控制整個分監(jiān)控站，主要的功能是起管理作用和數(shù)據(jù)處理作用。一般只在市級包括（地、州）設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)控中心，位置一般在武警部隊的交換中心機房或者指揮中心大樓。區(qū)域監(jiān)控中心（SS）：又稱分點監(jiān)控站，主要是分散在各個更低等級的區(qū)縣，主要功能是監(jiān)控自己所負責轄區(qū)的所有基站。對于固話網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域監(jiān)控中心的管轄圍為一個縣/區(qū)；移動通信網(wǎng)絡(luò)由于其組網(wǎng)不同于固話本地網(wǎng)，則相對弱化了這一級。區(qū)域監(jiān)控中心SS的機房的設(shè)備配置與SC的差不多，但是不同的是功能不同以及SS的等級低于SC,SS的功能主要是維護設(shè)備和監(jiān)控。監(jiān)控單元（SU）：是整個監(jiān)控系統(tǒng)中等級最低的單元了，它的功能就是監(jiān)控并且起供電，傳輸?shù)鹊茸饔?，主要由SM和其他供電設(shè)備由若干監(jiān)控模塊、輔助設(shè)備構(gòu)成。SU側(cè)集成有無線傳感網(wǎng)絡(luò)微設(shè)備，比如定位設(shè)備或者光感，溫感設(shè)備等等。監(jiān)控模塊（SM）：SM是監(jiān)控單元的組成部分之一，主要作用監(jiān)控信息的采集功能以及傳輸，提供相應(yīng)的通信接口，完成相關(guān)信息的上傳于接收。2監(jiān)控系統(tǒng)的分級管理結(jié)構(gòu)及監(jiān)控中心功能基站監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)分級如果從管理上來看，主要采用兩級結(jié)構(gòu)：CSC集中監(jiān)控中心和現(xiàn)場監(jiān)控單元。CSC主要設(shè)置在運營商的樞紐大樓，主要功能為數(shù)據(jù)處理，管理遠程監(jiān)控單元，對告警信息進行分類統(tǒng)計，可實現(xiàn)告警查詢和存儲的功能。一般管理員可以在CSC實現(xiàn)中心調(diào)度的功能，并將告警信息進行分發(fā)。而FSU一般針對具體的某一個基站，具體作用于如何采集數(shù)據(jù)參數(shù)并進行傳輸。CSC集中監(jiān)控中心的需要對FSU采集的數(shù)據(jù)參數(shù)進行報表統(tǒng)計和分析，自動生產(chǎn)圖表并為我們的客戶提供直觀，方便的可視化操作，為維護工作提供依據(jù)，維護管理者可以根據(jù)大量的分析數(shù)據(jù)和報表進行快速反應(yīng)，以最快的速度發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的故障點和優(yōu)先處理點，將人力資源使用在刀刃上。監(jiān)控中心CSC系統(tǒng)的功能中，還有維護管理類，具體描述如下：1）實時報警功能該系統(tǒng)的報警功能是指發(fā)現(xiàn)機房里的各種故障后，通過聲音，短信，主界面顯示的方式及時的上報給操作者。當機房的動力環(huán)境，空調(diào)，煙感，人體紅外等等發(fā)生變量后，這些數(shù)據(jù)通過基站監(jiān)控終端上傳到BTS再到BSC。最后由數(shù)據(jù)庫進行分類整理后存儲到SQLSEVRER2000中。下面介紹主要的幾種報警方式：2)聲音報警基站發(fā)生告警后，系統(tǒng)采集后，會用聲卡對不一樣的告警類別發(fā)出對應(yīng)的語音提示。比如：聲音的設(shè)置有幾種，主要是以鳴叫的長短來區(qū)分的。為便于引起現(xiàn)場維護人員的重視緊急告警可設(shè)置為長鳴，不重要的告警故障設(shè)置為短鳴。這樣一來可以用聲音區(qū)分故障的等級，比方某地市的中心交換機房相關(guān)告警聲音設(shè)置，它的開關(guān)電源柜當平均電流達到40AH的時候，提示聲音設(shè)置為長鳴，并立即發(fā)生短信告警工單。如果在夜晚機房無人值守的情況下：設(shè)置為0:00---6：00出現(xiàn)電流告警的時候，將發(fā)出聲音提示。并且當前情況下可設(shè)置聲音提示的類別。3)短信報警作為聲音報警的補充形式，短信報警。在人員外出的情況下，報警可以以短信的情況進行發(fā)送到相關(guān)負責人手機上。監(jiān)控中心可以進行相關(guān)功能設(shè)置。該功能便于了解基站的狀態(tài)變化。4)主界面可視化圖標的顏色變化按紅黃綠進行可視化圖標的設(shè)置，基站發(fā)生報警相關(guān)圖表變成紅色，報警解除恢復(fù)正常，則圖標變?yōu)榫G色(正常狀態(tài)，默認)。若基站的監(jiān)控變量不能被監(jiān)控，則呈黃色，表示與網(wǎng)絡(luò)斷開連接。(2)系統(tǒng)加密功能由于監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控的對象很多是存在安全等級比較高，并且采集的數(shù)據(jù)也是非常的，所以本系統(tǒng)有獨有的加密功能。主要方式為：登錄系統(tǒng)時必須使用相應(yīng)權(quán)限的用戶名和密碼，并且配有隨機認證碼，有效防止了外來人員惡意登錄竊取監(jiān)控信息或者基站信息。并且對備案的監(jiān)控數(shù)據(jù)進行加密防止被銷毀。(3)數(shù)據(jù)及時上傳功能監(jiān)控器采集的數(shù)據(jù)如動力環(huán)境或者視頻數(shù)據(jù)，可以及時上傳至云端數(shù)據(jù)庫進行保存，這里應(yīng)用的是Client/Server數(shù)據(jù)庫，由本地數(shù)據(jù)端收集數(shù)據(jù)后進行傳輸至中心SQL。(4)強大的檢索和數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能系統(tǒng)設(shè)置有專門的檢索和統(tǒng)計窗口，便于操作者進行查詢歷史告警?？梢赃M行查詢條件的詳細設(shè)置，包括查詢時間圍，告警類型，告警開始時間，恢復(fù)時間等等。并且還可以按照動力環(huán)境，空調(diào)油機，主體設(shè)備進行分類查詢統(tǒng)計告警。便于進行總體故障分析。(5)報表格式輸出功能為方便操作者對告警數(shù)據(jù)進行整理和備份，該系統(tǒng)有表格輸出功能?？梢栽诠δ軛l中選擇以表格為*.xls形式的告警文件進行批量生產(chǎn)。這樣便于操作者進行故障檔案建立，以及對同類型故障進行篩選。3圖像采集設(shè)計本文還開發(fā)了圖像采集功能，是利用了現(xiàn)有3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母咚傩阅?，是為了更好的幫助武警人員在反恐或者執(zhí)行任務(wù)的過程中，對現(xiàn)場的情況進行全方面的采集，不僅僅只限于定位信息。該功能的設(shè)定了更多的采集相應(yīng)的視頻信息和助于后臺指揮中心了解具體現(xiàn)場執(zhí)行任務(wù)實際情況，并有效的做出策略，俗話說知己知彼，方能百戰(zhàn)不殆，這也是我們設(shè)計該功能的一個初衷。我們在武警人員的衣服上安裝了高像素視頻攝像頭，它的作用是用于圖像采集。圖像采集流程下圖所示。首先第一步是打開設(shè)備文件，設(shè)備的工作狀態(tài)，基本信息，參數(shù)等等將傳送至處理芯片。第二步當芯片判定設(shè)備正常后，表示設(shè)備已經(jīng)待命可以進行工作。第三步取得圖像屬性。第四步為初始化。第五步開始采集圖像，包括采集圖像的方位，像素，角度，色差等等。并將圖像進行記錄上傳。最后一步采集完圖像后關(guān)閉設(shè)備。圖像采集處理設(shè)計流程圖武警部隊監(jiān)控平臺多級系統(tǒng)組網(wǎng)圖的多級組網(wǎng)便于監(jiān)控基站數(shù)量較多的密集型網(wǎng)絡(luò)，按照區(qū)域監(jiān)控中心和集中監(jiān)控中心的設(shè)置原則進行設(shè)置后，統(tǒng)一合理規(guī)劃。集中監(jiān)控中心可根據(jù)運營商的整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來進行設(shè)置，可以配置在省級單位或者地市。而區(qū)域監(jiān)控中心設(shè)置在區(qū)縣。CSC負責對LSC進行管理和監(jiān)控。而LSC對FSU的工作情況進行監(jiān)控。(1)LSC區(qū)域監(jiān)控中心的組成以及功能描述①組成：它的軟件平臺以微軟平臺為主，可以兼容Lniux操作系統(tǒng)。支持多種語言以中文英文為主。親和、友好的操作方式。硬件方面主要有監(jiān)控主機，配置較高的PC等等。②功能描述：LSC其主要的工作是對分布在具體點位的FSU進行管理，對其采集的信息和現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行接收，并備份FSU的所有數(shù)據(jù)資料。另外一個功能就是LSC作為CSC與FSU的中轉(zhuǎn)點，如果集中監(jiān)控中心有任何指令都會通過LSC進行下發(fā)，并且FSU的工單回復(fù)也會相應(yīng)的上傳LSC點上。(2)FSU監(jiān)控單元的組成以及功能描述①FSU組成FSU監(jiān)控單元的組成由各類傳感器、電源供應(yīng)模塊，各種輔助型模塊、通信線纜等等②FSU的功能描述主要功能是設(shè)置在具體的應(yīng)用場景，并用來采集各類信號參數(shù)、以及數(shù)據(jù)。并依靠其中的模塊對采集的數(shù)據(jù)進行判斷、并對超過門限值得發(fā)出告警。并接收LSC的下發(fā)的各種指令，以及上傳采集的數(shù)據(jù)信息等等。(3)CSC的組成以及功能描述①CSC組成CSC的硬件組成由LED監(jiān)控大屏、路由器、電腦。軟件組成為微軟操作平臺。②CSC的功能描述功能：主要對區(qū)域監(jiān)控中心進行監(jiān)控和管理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述1無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分類WSN可以根據(jù)節(jié)點是否移動及該節(jié)點的類型分為以下幾類：（1）錨節(jié)點固定不動,未知節(jié)點移動。這種情況下的網(wǎng)絡(luò)中，錨節(jié)點已事先人為的部署在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域特定的位置。其位置坐標算是已知。而其它移動的節(jié)點均為未知節(jié)點。每當定位時刻到來時，未知節(jié)點通過接收能夠感知到的錨節(jié)點傳來的beacon信息，利用一定的定位算法即可實現(xiàn)對節(jié)點當前時刻的位置定位。需要注意的是，當節(jié)點密度比較大的時候，未知節(jié)點在無線通信時，相互之間會有干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲。（2）錨節(jié)點移動,未知節(jié)點固定不動。這種情況下的網(wǎng)絡(luò)中，未知節(jié)點通常是由炮彈發(fā)射或飛機投擲隨機拋撒在需要監(jiān)控的區(qū)域中。而錨節(jié)點的位置已通過某種其他手段（如GPS）獲知。（3）錨節(jié)點和未知節(jié)點都在移動。顧名思義，這種網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都在時刻運動。未知節(jié)點在定位時刻獲得的錨節(jié)點信息越多，定位結(jié)果越準確。所以，未知節(jié)點和錨節(jié)點都運動的情況下，在定位周期未知節(jié)點能夠獲得的錨節(jié)點信息增多，定位結(jié)果就越準確。2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)概述傳感器通過捕獲和揭示現(xiàn)實世界的物理現(xiàn)象，并將其轉(zhuǎn)換成一種可以處理、存儲和執(zhí)行的形式，從而將物理世界和數(shù)字世界連接了起來。傳感器已經(jīng)集成到眾多設(shè)備、機器和環(huán)境當中，產(chǎn)生了巨大的社會效益。它們可以協(xié)助基礎(chǔ)設(shè)施避免災(zāi)難性的故障，保護寶貴的自然資源，提高生產(chǎn)效率，增強安全性，還能開發(fā)出一些新的應(yīng)用。無線傳感網(wǎng)絡(luò)集成了監(jiān)測、控制處理以及無線通信等功能，與傳統(tǒng)無線自組網(wǎng)絡(luò)相比，它是一種以數(shù)據(jù)為中心、自組織、具有動態(tài)拓撲的大規(guī)模、高密度的節(jié)點能力受限的網(wǎng)絡(luò)。傳感器能把物理世界中的能量轉(zhuǎn)化為可以傳輸?shù)接嬎阆到y(tǒng)或控制器的電能。和合作，對網(wǎng)絡(luò)中的需要監(jiān)測和跟蹤的物體的各種信息進行實時采集和更新，最后將信息發(fā)送到地面的監(jiān)控中心。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布式的傳感器節(jié)點、基站、上位機和用戶界面構(gòu)成，如圖2.1所示。傳感器節(jié)點把采集好的信息通過無線傳輸發(fā)回給基站，基站將數(shù)據(jù)傳輸給上位機，上位機處理完后顯示在用戶界面上。圖2-1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖在WSN中，各個傳感器節(jié)點的功能各有不同。簡單的傳感器節(jié)點只能采集和傳輸數(shù)據(jù)，而功能更強大的節(jié)點還能進行數(shù)據(jù)的匯聚和處理，這些節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中扮演了更重要的角色。有些設(shè)備還需要其它一些技術(shù)的支撐，例如GPS接收器它可以準確確定自身位置，然而隨之而來的就是需要消耗更多的能量來支撐這種功能，這種方法低成本低功耗的傳感器節(jié)點是不可采納的。3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1997年著名的802.11系列標準被提出，該標準是移動設(shè)備最為廣泛使用的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。它有2.4GHz、5GHz等不同的使用頻段。但是低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并不適合使用這種協(xié)議頭部耗能的通信協(xié)議標準，這就使得各種通信標準的研究和開發(fā)得以促進，從而可以更好地滿足網(wǎng)絡(luò)中低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，而IEEE802.15.4協(xié)議就是一種專為短距離通信設(shè)計的協(xié)議標準，適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)。當網(wǎng)絡(luò)中的所有傳感器節(jié)點的通信圍足夠大，而且節(jié)點能夠向基站直接發(fā)送數(shù)據(jù)，就可以形成星形網(wǎng)絡(luò)拓撲，如圖2.2左側(cè)所示，在這種網(wǎng)絡(luò)拓撲中，節(jié)點都是以單跳的方式與基站直接建立通信。然而，WSN通常覆蓋區(qū)域廣闊，為節(jié)省能量，發(fā)送功率應(yīng)保持在最小值，因此，在WSN中，更多采用多跳路由的通信方式，如2.2右圖所示。圖2-2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)的一般形式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在武警部隊執(zhí)行特殊任務(wù)的現(xiàn)場感知中作用在武警部隊執(zhí)行特殊任務(wù)的的過程中，由于場地環(huán)境較為復(fù)雜，這對于網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸要非常高的，而信息感知及其傳送是進行場外指揮調(diào)度的基礎(chǔ)。由于武警部隊執(zhí)行特殊任務(wù)的過程中，場外情況是十分復(fù)雜的，這就要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就有較好的穩(wěn)定性，同時信息傳輸能力要求，能夠進行快速、準確的定位。而實踐已經(jīng)證明，通過實施的現(xiàn)場感知地形地貌、氣象參數(shù)和在場人員武器裝備，同時對人員快速地位，實現(xiàn)信息的快速傳輸，就能快速作出反應(yīng)。比如在一個封閉的民房，有恐怖份子挾持了人質(zhì)活動，他們手持武器，而通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就能了解恐怖份子的數(shù)量，武器裝備、分布，同時對室擺設(shè)、溫度等情況有一個充分的了解，這就為人質(zhì)的營救方案提供了有力的參考，同時，在營救方案執(zhí)行過程中，能夠多執(zhí)行情況實施傳輸了指揮部，為方案的調(diào)整提供了參考。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有很好的隱蔽性，對于移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，他在武警部隊執(zhí)行特殊任務(wù)的現(xiàn)場感知中有很好的作用，因此對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在武警部隊執(zhí)行特殊任務(wù)中的研究就顯得很有必要。1節(jié)點在不同應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成不盡相同，但一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源4部分組成。對于WSN中的每個節(jié)點來說，其計算、通信、存儲能力及自身攜帶的能量都十分有限。然而，可作為微型嵌入式系統(tǒng)的每個節(jié)點，同時具備一般網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的終端和路由兩種功能,即不僅可以對本地的信息進行處理還可以轉(zhuǎn)發(fā)由其他節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息，并與其他節(jié)點互相協(xié)同工作完成任務(wù)。匯聚節(jié)點是WSN中比較特殊的一類節(jié)點。它作為一條紐帶將WSN與Internet等外網(wǎng)緊密地聯(lián)系在一起。完成網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。同時還具有收集網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至外網(wǎng)及發(fā)布檢測任務(wù)的功能?？偟膩碚f，匯聚節(jié)點在數(shù)據(jù)處理、存儲、通信及能量等各方面要比一般節(jié)點強。2網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點通常以隨機的方式大量部署在待監(jiān)測區(qū)域,通過自組織的方式與周圍的傳感器節(jié)點進行通信。傳感器節(jié)點可能是靜止的，也可能是移動的,實時對監(jiān)測區(qū)域感知對象的數(shù)據(jù)信息進行采集,并通過路由協(xié)議把所采集到的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點,最后通過衛(wèi)星或者Internet傳送到遠程用戶端,實現(xiàn)信息的傳輸與交互。遠程用戶通過任務(wù)管理節(jié)點對WSN進行相關(guān)配置和管理，具體可如圖2所示。3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)WSN需要考慮能耗和成本，WSN需要研究的容可以分成3個層次，WSN關(guān)鍵技術(shù)間的邏輯關(guān)系如圖3所示。WSN關(guān)鍵技術(shù)間的邏輯關(guān)系（1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的主要任務(wù)是使傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點形成一個多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。然而，針對WSN所設(shè)計的協(xié)議與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，它不能過于復(fù)雜。原因在于傳感器節(jié)點在各方面資源（如通信能力、電能等）的有限性，使其一般獲得的只是網(wǎng)絡(luò)的局部結(jié)構(gòu)信息。目前，重點研究的是網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。（2）時間同步。傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的本地時鐘一般是依靠廉價的晶體振震蕩器通過中斷計數(shù)實現(xiàn)，它是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)同工作的關(guān)鍵機制之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些固有特征（如能量、計算及存儲的限制）使得傳統(tǒng)的時間同步算法已經(jīng)無法適用。目前，提出的適用于WSN的時間同步算法主要有TPSN（Timing-syncprotocolforsensornetwork）、Tiny/Mini-Sy和RBS（Referencebroadcastsynchronization）等。（3）定位技術(shù)。定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一。在大多數(shù)情況下都需要知道所獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)來自于何處，即傳感器節(jié)點的位置。位置信息不但能給用戶提供數(shù)據(jù)產(chǎn)生或事件發(fā)生的具體地點外，而且對目標預(yù)測、監(jiān)測任務(wù)的發(fā)布、協(xié)助路由等具有十分重要的意義?，F(xiàn)階段，針對移動WSN的定位算法主要是基于統(tǒng)計方法的定位算法，即基于序貫蒙特卡羅(SequentialMonteCarlo,SMC)的定位算法及其改進算法。改進算法主要有MCB、MMCL、MSL*、MSL等。（4）網(wǎng)絡(luò)拓撲控制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，它在相關(guān)協(xié)議地運行下，可通過拓撲控制自動地組建良好的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，進而提高了路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，減少了節(jié)點能量的消耗，延長了網(wǎng)絡(luò)生存周期。（5）網(wǎng)絡(luò)安全。作為一種任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)，WSN要進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送及融合等任務(wù)。所以，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要提供如完整性認證、安全管理、認證廣播和性認證等4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在執(zhí)行特殊任務(wù)現(xiàn)場感知中的運用近些年隨著對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的不斷深入,現(xiàn)階段研究重點側(cè)重于散布在監(jiān)控圍的具有移動性的節(jié)點。這種網(wǎng)絡(luò)也稱為移動WSN。而這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能隨時發(fā)生變化的情形比之前節(jié)點固定不動的網(wǎng)絡(luò)更常見與