基于仿生網(wǎng)絡(luò)交互的無線傳感組網(wǎng)技術(shù)研究

［謝志偉］

1 引言

近年來無線傳感網(wǎng)技術(shù)經(jīng)歷從傳感器到無線傳感器再到無線傳感網(wǎng)的演進(jìn)，形成多跳自組織的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)。它具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性，無需依賴外部條件，便可以在短時(shí)間內(nèi)快速形成網(wǎng)絡(luò)。在環(huán)境較惡劣地段或偏遠(yuǎn)地區(qū)，無線傳感網(wǎng)被廣泛應(yīng)用。無線傳感網(wǎng)由眾多無線傳感器組成，體積小數(shù)量多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加上工作環(huán)境影響，在管理和維護(hù)上十分不便。因此，對無線傳感網(wǎng)進(jìn)行自診斷與自修復(fù)十分必要。

2 無線傳感網(wǎng)分析

2.1 無線傳感網(wǎng)的概述

無線傳感網(wǎng)末梢以感知傳感器來實(shí)現(xiàn)信息采集和信息處理。濾除無關(guān)信號干擾，可以減少傳輸無效信息造成的能量損耗，提升無線傳感網(wǎng)的運(yùn)行速度。分布式傳感器網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)分布密度高、適應(yīng)性強(qiáng)、功耗大、節(jié)點(diǎn)易損、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁等新特點(diǎn)。

2.2 無線傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.2.1 無線傳感網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)

無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)包括：傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、基礎(chǔ)互聯(lián)網(wǎng)和用戶節(jié)點(diǎn)。傳感節(jié)點(diǎn)用于數(shù)據(jù)采集、存儲和管理，完成模擬信號向數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的動作；匯聚節(jié)點(diǎn)用于匯聚傳感器節(jié)點(diǎn)的信號，完成協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，把數(shù)據(jù)發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)上；用戶節(jié)點(diǎn)接收基礎(chǔ)互聯(lián)網(wǎng)的采集數(shù)據(jù)，向傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸任務(wù)管理的相關(guān)命令，通過用戶指令進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制。無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)

2.2.2 無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方式

組網(wǎng)技術(shù)包括以太網(wǎng)組網(wǎng)和交換局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)。無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)方式可以分為4 種。

（1）網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)模式

網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)以感知傳感器為節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少連接其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)之間形成一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。該組網(wǎng)模式在小范圍組網(wǎng)有優(yōu)勢，但在范圍較大時(shí)部署成本很高。

（2）移動匯聚組網(wǎng)模式

移動匯聚組網(wǎng)收集的目標(biāo)區(qū)域的數(shù)據(jù)后由匯聚交換機(jī)統(tǒng)一發(fā)送到后端服務(wù)器，可以提高網(wǎng)絡(luò)容量，但傳遞延遲和失真是該模式的一大缺陷。

（3）基于分簇的層次型組網(wǎng)模式

分簇層次型組網(wǎng)是對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層匯聚，將采集后的數(shù)據(jù)匯聚到分簇，再由分簇匯聚到總簇，形成多層次組網(wǎng)模式[1]。該模式對簇頭使用過度，不適合在偏遠(yuǎn)地段部署。

（4）扁平組網(wǎng)模式

扁平組網(wǎng)將所有的節(jié)點(diǎn)設(shè)置為相同的角色，不區(qū)分優(yōu)先級，不考慮匯聚問題，通過節(jié)點(diǎn)間完成信息交互。該組網(wǎng)模式簡單、維護(hù)便捷，設(shè)置方便。

2.2.3 無線傳感網(wǎng)的通信方式

無線傳感網(wǎng)的通信分為5 個(gè)層次，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。物理層通過節(jié)點(diǎn)傳感器采集有效的數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)鏈路層完成采集信號的數(shù)據(jù)成幀、幀同步以及對首發(fā)順序的控制；網(wǎng)絡(luò)層完成選址、路由選擇構(gòu)建，與數(shù)據(jù)鏈路層共同協(xié)作；傳輸層負(fù)責(zé)通信傳輸，通過衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到應(yīng)用層；應(yīng)用層面向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供應(yīng)用服務(wù)，提供用戶分析判斷的依據(jù)，控制節(jié)點(diǎn)傳感器的工作狀態(tài)[2]。

2.3 無線傳感網(wǎng)的不足

無線傳感網(wǎng)在重要性日益增長的同時(shí)，缺陷也十分突出：（1）容易受地勢地貌、極端氣候、地理磁場等不可抗力干擾造成通信信號中斷；（2）傳感節(jié)點(diǎn)長時(shí)間工作，因電量不足導(dǎo)致采集失??；（3）部署無人看守的區(qū)域，安全性較差，可能受入侵者的物理攻擊和網(wǎng)絡(luò)攻擊。這些缺陷造成管理和維護(hù)的不便。基于仿生網(wǎng)絡(luò)交互的無線傳感網(wǎng)模仿生物的交流特性，對傳感節(jié)點(diǎn)自動檢測與判斷，實(shí)現(xiàn)自修復(fù)和重構(gòu)，保證無線傳感網(wǎng)良好運(yùn)行。

3 仿生交互的無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)研究

3.1 仿生交互的無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)的設(shè)計(jì)要求

實(shí)際應(yīng)用中，無線傳感網(wǎng)常部署于無人區(qū)域或惡劣環(huán)境下，因此要多方面考慮。需進(jìn)一步研究無線傳感網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)在節(jié)點(diǎn)可擴(kuò)展性、安全性、體積等方面上考慮。

3.2 仿生交互的無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)采用冗余模塊組網(wǎng)，由冗余模塊、診斷模塊、工作模塊、電源模塊和微處理器組成。當(dāng)工作模塊出現(xiàn)故障時(shí)，工作模塊切換為冗余模塊工作。這種傳統(tǒng)的組網(wǎng)模式需要大量的冗余傳感器，硬件開銷和功耗很大。

基于仿生交互的無線傳感網(wǎng)與傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)相比增加了可編程門陣列（FPAA），采用可編程門陣列中功能單元替換無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的故障單元。工作狀態(tài)下的微處理器向診斷模塊發(fā)出動作，由診斷電路向診斷單元發(fā)出診斷測試信號并接收故障反饋。若發(fā)現(xiàn)故障，微處理器向故障單元輸出自動修復(fù)信號，I/O 模塊切斷故障單元與無線傳感網(wǎng)的連接并將可編程陣列的功能模塊接入無線傳感網(wǎng)中代替原有的故障單元。工作原理如圖2 所示。

圖2 基于仿生交互的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

4 仿生交互的無線傳感網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

基于仿生交互的無線傳感網(wǎng)采用“模塊獨(dú)立、分層設(shè)計(jì)”以及節(jié)點(diǎn)軟件平臺設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

4.1 硬件模塊的實(shí)現(xiàn)

傳感器采集模塊負(fù)責(zé)信號采集和信號傳遞，包含傳感器、運(yùn)放電路和濾波電路。傳感器輔助電路根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)定。

控制模塊是系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)終端控制、任務(wù)分配和數(shù)據(jù)整合，指令各單元模塊完成自診斷和自修復(fù)。

動態(tài)重構(gòu)模塊通過仿生交互的方式，進(jìn)行自修復(fù)與重構(gòu)，依賴可編程模擬陣列實(shí)現(xiàn)。將放大電路、比較電路等多種模擬電路模塊封裝在一塊芯片中，通過編程來設(shè)定各個(gè)模塊的功能。

通訊模塊以射頻單元進(jìn)行信號傳遞，使用無線收發(fā)芯片在2.4 GHz 頻段上使用ZigBee 協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信。電源模塊根據(jù)用電單元的需求而設(shè)定，根據(jù)芯片工作電壓的需求，選取電源模塊的工作電壓。

4.2 軟件模塊的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理模塊主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，首先采集節(jié)點(diǎn)傳感器的數(shù)據(jù)，其次進(jìn)行模擬向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換并存放于寄存器中，最后將數(shù)字信號與設(shè)定的判決閾值作比較。

在自修復(fù)模塊的硬件設(shè)計(jì)和部署基礎(chǔ)上，進(jìn)行自修復(fù)模塊的軟件系統(tǒng)架構(gòu)搭建。流程為：數(shù)據(jù)采集模塊采集的信號送入故障診斷模塊，故障診斷模塊將數(shù)字信號與設(shè)定閾值作比較。當(dāng)診斷結(jié)果為異常時(shí)，微處理器會向FPAA 發(fā)出命令，驅(qū)動程序讀取貯存在外部存儲器的配置文件，然后對FPAA 進(jìn)行配置，完成傳感及其冗余層信號鏈路的重構(gòu)。

故障診斷模塊用于查找故障位置和分析故障原因。故障診斷程序設(shè)置節(jié)點(diǎn)的自診斷，通過查找故障位置和分析故障原因，模仿生物交互機(jī)能，完成自我修復(fù)。

以上模塊算法均為自組織的，能完美實(shí)現(xiàn)仿生網(wǎng)絡(luò)交互的傳感組網(wǎng)與原有傳感組網(wǎng)之間的兼容性需要。

5 仿生交互的無線傳感網(wǎng)的仿真測試與評估

5.1 功耗測試

自修復(fù)節(jié)點(diǎn)采用在無外界電源持續(xù)供電時(shí)，僅依賴紐扣電池進(jìn)行供電，工作電壓值為3V，電池容量600 mAh。實(shí)驗(yàn)分別對基于仿生交互的無線傳感網(wǎng)和一般的無線傳感網(wǎng)進(jìn)行功耗測試，測試結(jié)果如表1 所示。

表1 功耗測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果，仿生網(wǎng)絡(luò)交互的傳感組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)功耗比一般傳感組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)功耗更低。仿生交互的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)具有自修復(fù)的作用，有效減少了因節(jié)點(diǎn)被破壞造成的電能的浪費(fèi)。

5.2 采樣測試

自修復(fù)節(jié)點(diǎn)的采樣和傳輸速率取決于節(jié)點(diǎn)傳感器的采樣速率以及射頻芯片的傳輸速率。實(shí)驗(yàn)中使用500 mV 的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號作為測試信號，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過射頻通信顯示在終端上。實(shí)驗(yàn)針對500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz 三個(gè)頻率進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 頻率測試結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)采樣頻率為500 Hz 時(shí)，示波器接收波形失真度較低，正弦波最為平滑，模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果最準(zhǔn)確。

5.3 傳輸距離測試圖

無線傳感網(wǎng)通信的傳輸距離與工作環(huán)境息息相關(guān)，實(shí)驗(yàn)以500 Hz 的采樣頻率，直流電平為250 mV 的標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓，在室內(nèi)空曠、室內(nèi)障礙、室外空曠3 種工作環(huán)境下進(jìn)行測試。測試結(jié)果如表2 所示。

表2 工作環(huán)境測試結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：基于仿生交互的無線傳感網(wǎng)在傳輸時(shí)受障礙物的影響，在空曠的室外環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離傳輸，能滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊蟆?/p>

5.4 性能測試分析

根據(jù)對功耗、頻率、傳輸距離等性能進(jìn)行測試和評估?？梢缘贸觯夯诜律换サ臒o線傳感網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)對故障部分的自修復(fù)，精度能夠滿足要求，自修復(fù)功能和時(shí)間與期望值吻合，運(yùn)行情況良好。

6 結(jié)論

基于仿生網(wǎng)絡(luò)交互的無線傳感組網(wǎng)采用“軟硬件結(jié)合”的方式，提升了系統(tǒng)的整體性能。在硬件部署的基礎(chǔ)上，通過可編程控制門陣列對無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)功能進(jìn)行定義，即可使無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)具有更強(qiáng)的可擴(kuò)展性，解決了傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)冗余較大、安全性不高的問題。該軟件算法是自組織的，只需在無線傳感組網(wǎng)中增加FPAA 即可，新型網(wǎng)絡(luò)與原無線傳感網(wǎng)絡(luò)能良好兼容?；诜律W(wǎng)絡(luò)交互的無線傳感組網(wǎng)可為當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展多樣性提供重要的支撐，也成為了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)走進(jìn)各行各業(yè)、千家萬戶的一大推動力。