无线传感器网络覆盖质量远程监控系统设计

朱海洋， 张 合， 马少杰， 潘 菡

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

无线传感器网络覆盖质量远程监控系统设计

朱海洋， 张 合， 马少杰， 潘 菡

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

无线传感器网络(WSNs)节点散布情况对其工作性能有着很大的影响，所以设计了通信定位平台用于远程监控节点的位置和覆盖质量。WSNs由基于北斗二代(BD2)定位模块、nRF905射频收发器和C8051F310单片机的无线传感器节点组成，网关节点采用询问的方式收集各传感器节点的位置信息，并最终通过北斗一代(BD1)通信卫星传递给远程数据监控中心。系统硬件设备简单，能够被广泛应用于各种远程WSNs的位置监控。

无线传感器网络； 覆盖质量； 北斗二代； 北斗一代； 位置监控

0 引 言

无线传感器网络(WSNs)由传感器节点和网关节点组成，传感器节点的任务是环境探测，可装备多种传感器来探测环境中的物理量，如光、温度、湿度、气压、速度、声场、磁场等。网关节点负责从传感器节点中收集数据并传递给基站，具有更强的处理能力—更充足的电源供应以及更远的通信距离。WSNs在很多应用领域具有巨大的潜力，如军事目标跟踪和监控[1]、自然灾害救援、生理健康监控、危险环境勘测等。

WSNs自身定位的作用在多数传感器网络中显得不是十分重要，如环境监测等，因为应用程序只关心整体而非单个节点上的信息[2]。但却是另一些的应用，特别是军事应用的基础，如报告网络覆盖质量、目标的定位和跟踪[3]等。目前应用最为广泛的自身定位方法是依靠有限的位置、已知的信标节点(beacon node)来确定其他未知节点(unknown node)的位置[4]。结构型WSNs[5]通过手工配置确定信标节点位置，而非结构型WSNs通过GPS来确定。确定未知节点位置的方法有基于测距技术的定位和无须测距技术的定位。但是这些未知节点的定位方法需要复杂的硬件结构和算法，并且在恶劣的环境下不能达到理想的效果。

本文针对可抛撒地雷散布特点，且卫星定位模块越来越便宜的前提下，设计了基于射频和北斗一代(BD1)通信模块的通信平台，并利用北斗二代(BD2)定位模块提供自定位的网络服务，从而达到监测远程WSNs覆盖质量的目的。

1 WSNs系统结构

WSNs几乎没有基础设施，是由多个传感器节点协同起来获得环境的特征。按照部署方式和位置的不同，WSNs有两种：结构型和非结构型。结构型WSNs[5]中，一些或所有的传感器节点是采用预先计划的方式进行部署的，即被固定地放置于预先决定的位置，只需要少量节点就能覆盖部署区域，维护和管理都比较容易，但是不能被布置到人类无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中。而非结构型WSNs包含密集的节点群，能通过飞机或火箭进行部署，传感器节点通过自组织网络，无人值守地去执行监控和报告功能。

本文设计的非结构型WSNs系统结构如图1所示，包括传感器节点(群)、网关节点、BD1通信卫星和控制中心等。传感器节点配备BD2定位模块对节点进行定位，通过短距离射频模块直接或间接与网关节点联系，再由网关节点传输给BD1通信模块，最终通过和通信卫星的对接，将数据发送至远程数据监控中心。也可以利用建立好的网络远程发送指令，从而控制网络中的各节点。

图1 WSNs覆盖质量监控系统结构示意图Fig 1 Structure diagram of monitoring system for WSNs coverage quality

2 平台硬件设计

WSNs中的节点由通信平台和传感器模块组成，现如今先进的传感器技术能够为WSNs的设计和发展提供多种探测方案，而对于通信系统各公司和研究机构也研制了若干平台，如表1所示。由于至今没有关键技术使WSNs的价格降低，所以,根据需求专门设计制造WSNs设备更加方便和经济。

本文所设计的WSNs节点结构如图2所示，传感器节点和网关节点主要由C8051F310单片机和射频收发器nRF905组成，网关节点通过BD1通信模块建立与远程数据监控中心的链路。

图2 节点组成原理图Fig 2 Principle diagram of nodes composition

BD2定位模块选择核芯星通的BD/GPS双系统导航授时模块，工作电压3.0～3.6 V，功耗350 mW，数据更新率1 Hz，支持单系统独立定位和多系统联合定位。BD1通信模块选择TM8540模块，集成了射频收发芯片、功放芯片、基带电路等，可完整实现RDSS收发信号、调制解调全部功能。

无线数据传输模块是挪威Nordic公司推出的nRF905单片无线收发器，工作电压为1.9～3.6 V，最大发射功率为10 dBm，可工作在433/868/915 MHz的ISM频段。使用ShockBurst技术可将与射频协议有关的高速信号处理放到芯片内，即自动产生前导码和CRC，从而提供高速的数据传输。

表1 国内外无线传感器网络硬件平台Tab 1 WSNs hardware platforms of home and abroad

3 通信平台软件设计

WSNs传感器节点需要周期性地报告自身状态和环境探测情况，因此，最简单的节点间通信模式是利用只有发射功能的射频设备。但是传感器节点必须与网关节点取得直接联系，从而形成星型拓扑结构，无法接收指令或阻止通信冲突。所以，通常采用具有收发功能的通信模块[6]。WSNs通信协议有IEEE 802.15.4,Zig Bee,Wireless HART,ISA100.11a,6LoWPAN,IEEE 802.15.3和Wibree。其中，以Zig Bee应用最为广泛，如表1所示。究竟选择什么通信标准，还需要根据实际系统来定，所以,很多情况下都需要自定义通信协议。

3.1 BD2定位信息提取

BD2/GPS双模块导航授时模块UM220通过串口输出诸多NMEA格式的定位信息。本文只关心经纬度信息，对推荐的最小数据(RMC)中的速度、方位角、磁偏角等30个字节数据并不关心，所以,单片机要对接收到的定位信息进行筛选和储存。

图3 BD2定位信息提取流程图Fig 3 Flow chart of BD2 localization information extraction

软件流程如图3所示，串口接收到数据后，进入串口中断服务程序。利用数据包节点标志位i来判断接收到的数据位于RMC的何处。i的值为0，表示要寻找RMC的起始点符号“$”；i的值为1，代表需要判断位置有效标志Status，有效则存储后续数据，无效则重新接收。i的值为2，代表位置信息有效，并存储接下来的29个字节的数据。筛选之后的信息只有纬度和经度，例如：3201.646357,N,11851.291297,E。

3.2 通信过程

可布撒地雷的散落半径为200 m，nRF905射频的通信距离能够支持单跳网络的覆盖。各节点落地上电后，传感器节点射频一直处于接收状态，等待网关节点的询问。网关节点依次收集所有传感器节点的位置信息，如图4所示。

图4 单跳网络组网流程图Fig 4 Flow chart of networking of single-hop network

网关节点将收集的位置依次传递给BD1通信模块。BD1通信系统的用户设备发送通信申请格式如表2所示。通信类别为0时表示特快通信，为1时表示普通通信；传输方式为0时表示汉字，为1表示代码，为2时表示混合传输。数据长度根据用户级别的不同，可传送的电文长度也不同。验证码是对语句中所有字符的8位(不包括起始和结束位)执行异或运算。所有字符指在定界符“$”与“*”之间的全部字符。发送时将16进制的高4位和低4位转换成2个ASCII字符。

表2 BD1通信格式Fig 2 Communication format of BD1

4 实验结果与分析

图5为节点实物图，并不包括BD模块。BD2定位模块通过串口与图中所示电路板连接即为传感器节点，BD1通信模块与电路板连接即为网关节点。将1个网关节点(0#)和4个传感器节点(1#，2#，3#，4#)按直线排布于开阔的地带，1#，2#节点相隔5 m，其余节点相隔20 m。将BD车载机作为管理节点放置于相隔200 m的地方，上位机通过Matlab处理管理节点从网关节点接收到的位置信息，如图6所示。

图5 传感器节点Fig 5 Sensor node

图6 节点位置图Fig 6 Position of nodes

图6中0#为网关节点的位置，能够看出传感器节点的绝对位置和分布规律。图中1#,2#节点几乎重合是因为UM220的定位误差为10 m，不能分辨出这两个节点。BD2定位系统误差主要来自卫星钟差、电离层延迟和对流层延迟等。由于WSNs的部署相对于误差来说是较大范围的覆盖，能够显示WSNs的分布情况。另外，在WSNs中，BD2定位系统可通过差分定位方法提高定位精度。实验数据表明:该系统可远距离监控WSNs的覆盖质量。

5 结 论

本文综合了BD2无源定位技术、BD1通信技术、无线通信技术以及嵌入式技术，设计了WSNs远程监控系统。由BD2卫星定位系统定位后，通过自组网方式将位置信息发送给网关节点，然后通过卫星链路将信息传递给远程数据监控中心，能够远距离监控WSNs各节点的分布情况，为计算网络覆盖质量和封锁效能提供数据基础。通过实验得知，该系统能够监控远程WSNs的绝对地址和节点间的分布情况。

[1] Simon G,Maroti M,Ledeczi A,et al.Sensor network-based countersniper system[C]∥Proceedings of the second International Conference on Embedded Networked Sensor System(Sensys),2004:1-12.

[2] 任丰原，黄海宁，林 闯.无线传感器网络[J].软件学报,2003,14(7):1281-1291.

[3] Vian F,Rocca P,Oliveri G,et al.Localization,tracking, and imaging of targets in wireless sensor networks:An invited review[J].Radio Science,2011,46(5):1-12.

[4] Zhu G B,Li Q H,Quan P,et al.A GPS-free localization scheme for wireless sensor networks[C]∥12th IEEE International Confe-rence on Communication Technology(ICCT),2010:401-404.

[5] Yick J,Mukherjee B,Ghosal D.Wireless sensor networks sur-vey[J].Computer Networks,2008,52(12):2292-2330.

[6] Lazarescu M T.Design of a WSNs platform for long-term environmental monitoring for IoT application[J].IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems,2013,3(1):45-54.

Design of remote monitoring system for coverage quality of WSNs

ZHU Hai-yang, ZHANG He, MA Shao-jie， PAN Han

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China )

Node deployment of wireless sensor networks(WSNs)has large influence on its working performance,a platform for communication and positioning is designed to monitor positions and coverage quality of nodes.WSNs consists of nodes made by BD2 positioning module,nRF905 and C8051F310,and gateway node collects location information by querying each sensor node,and then transmits to remote data monitoring center by BD1 communication satellite.Hardware devices of system are simple which can be widely applied in different kinds of WSNs for position monitoring.

WSNs; coverage quality; BD2; BD1; position monitoring

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0107—03

2014—05—15

TP 29

A

1000—9787(2014)12—0107—03

朱海洋(1989-)，男，江苏徐州人，博士研究生，研究方向为无线传感器网络目标定位技术。