基于物联网技术的航天测控站监控系统优化方案*

漆小刚，翟政安，吴炜玮

（1 北京邮电大学 北京 100876 2 北京空间信息中继传输技术研究中心 北京 100094）

引 言

航天测控站作为重要的星地节点，涉及通信、电子、自动控制和机械等多个学科，设备种类繁多、技术复杂。目前管理中一个突出问题是监控系统不能完全反映设备运行状况，因而制约了故障诊断的有效性。特别是涉及远程管理时，由于远程故障诊断不准确，出现告警时需要技术人员到现场诊断再调拨备品备件，造成维修周期长、费用高的问题。随着我国航天事业的发展，航天测控站任务频度普遍提高，空闲时间大幅减少，对系统的故障诊断提出了更高要求。

丰富相关数据采集手段是建立故障诊断机制的前提，也是解决远程故障诊断难的关键。传统的信息采集主要采用点对点传输、逐层汇集的方式，需要固定网络支持，常常存在单点风险。而属于物联网范畴的无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）是计算机、通信和传感器这三项技术相结合的产物，是一种全新的信息获取和处理技术，能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，已成为计算机和通信科学领域一个活跃的交叉研究分支[1]。

传感器网络与其他传统网络相比具有显著特点，即资源受限、自组织结构、动态性强、应用相关、以数据为中心等。以无线传感器网络为例，它一般由多个具有无线通信与计算能力的低功耗、小体积的传感器节点构成；传感器节点具有数据采集、处理、无线通信和自组织的能力，可协作完成大规模复杂的监测任务[2]。无线传感器网络的发展趋势主要有灵活和自适应的网络协议体系、跨层设计、Zigbee标准规范、与其他网络的融合等[3]。

1 典型无线传感器网络结构

一个典型的无线传感器网络系统由许多功能相同或者不同的传感器节点、收发器、通信网络、用户界面等组成[4]，如图1所示。

相对其他部分，传感器节点是研究的热点和难点。一般来说，传感器节点可完成传感、处理和通信，自带能量供给。传感器节点在指定区域内布置，完成组网，以将传感器收集到的信息通过单跳或多跳传送给收发器，再通过通信网络传送给用户。同样，用户指令通过通信网络传送给收发器，再到达指定的传感器节点。

图1 无线传感器网络的系统结构Fig.1 System architecture of wireless sensor network

传感器节点主要采用星形网、对等网和混合网三种组网方式[5]，如图2所示。星形网有一个处于网络中心的主节点，网络中其他传感器节点作为从节点，从节点功能可以与主节点一致，也可以弱于主节点。对等网中各传感器节点功能一致，可分为网状和簇树两种结构。混合网是星形网和对等网的结合，可以划分为若干个子网，各个子网内部以星形连接，同时各子网主节点又以对等的方式连接在一起，最终形成星形-网状结构或者星形-簇树结构。当节点采用星形连接时，信息流都是首先传到同一子网/网络内的主节点，再由主节点传输到更高层的数据采集设备；而当节点采用对等连接时，信息流的传播方向根据所选择的路由协议确定。星形网通常用在设备数量比较少的场合。而对等网和混合网可以用于覆盖范围比较大的区域。一个网络有且只能有一个节点来定义网络的时分复用和多址接入方式，这个节点被称为协调节点，通常协调节点与无线传感器网络的收发器相连。

图2 传感器组网拓扑结构Fig.2 Topology of wireless sensor network

2 航天测控站应用无线传感器网络的需求和关键技术

2.1 应用需求

目前国内航天测控站仍主要采用传统的数据采集方式，由设备上报自身运行参数。受限于采购设备的状态，测控站有时缺少有效反映设备运行情况的参数，有时得到冗余参数。因此，在进行数据采集时，需要额外增加设备对缺少的参数进行采集，再作数据处理。一般情况下，现有监控系统可以接收设备通过网络或串口上报的设备状态信息，但需要通过无线传感器采集设备运行环境的温度、湿度、烟雾、水浸、震动等信息。

2.2 关键技术

航天测控站应用无线传感器网络，需要研究其组织形式，特别是无线传感器网络的结构、路由协议、拓扑控制等，以解决可扩展性、鲁棒性、抗干扰性、局部信息与全局目标协调、能量问题等[6]。

例如，根据节点传感类型的不同，网络覆盖可以分为同构覆盖和异构覆盖两类问题。同构覆盖问题相对简单，而异构覆盖的研究难度较大，需要考虑传感器网络中的诸多异构特性，比如各类节点间传感模型的不同、各类监测数据信息含量的不同、各类节点间资源/能力的差异等。从目前可获得的相关资料来看，异构覆盖问题的研究成果较少[7]。而传感器网络的路由协议又可分为平面路由和层次路由两种，平面路由主要包括泛洪式路由协议、以数据为中心的SPIN、有序分配路由、以数据属性为中心的定向扩散路由等，分层路由主要包括LEACH协议、TEEN协议和多层聚类算法等[8]，至少采用何种路由协议，需要根据网络应用情况进行选择及优化。

航天测控站由于内部遮挡关系复杂、传感器采集信息差异较大，必然要面对异构覆盖的问题。根据航天测控站构造情况，可以按照星形-簇树结构布置传感器网络，如图3所示。邻近区域内的节点构成一个簇，每个簇有且仅有一个簇头，相邻的簇头又循环构成了另一个簇，这样依次反复，构成一个树形结构的传感网络[9]。

图3 航天测控站无线传感器网络结构Fig.3 Wireless sensor network structure in space observation

3 某航天测控站监控系统优化设计

3.1 总体设计

本文设计的航天测控站监控系统可以分为感知层、传输层和应用层：感知层在现有设备信息基础上增加了无线传感器网络采集的信息；传输层在现有局域网基础上增加了移动通信网络和前端机；应用层对现有监控主机软件进行修改，并增加了手机，其组成如图4所示。具体来说，设备信息通过实时接收网络数据或读取信息数据库的方式获得，由Windows平台实现；传感器信息通过无线方式上报，并由前端机进行信息转换，形成与现有监控信息格式相同的传输帧后进入Windows平台。

常用无线通信技术包括IEEE802.11、Zigbee、蓝牙和RFID等，其中Zigbee是一种介于无线标记技术与蓝牙之间的技术提案[10]。考虑到频率、距离、功耗和传输速率等因素，Zigbee与航天测控站监控系统需求匹配度较高，因此本文系统采用Zigbee协议进行无线通信，形成低功耗、低速率和低成本的无线传感器网络。根据航天测控站的实际构造，本文系统采用星形-簇树结构布置混合型传感器网络，传感器网络中的每个传感器节点位置相对确定。

Zigbee传感器节点主要包含终端节点、路由节点和协调节点，其中终端节点负责数据采集和传送，路由节点负责数据传送，协调节点负责网络维护及信息和命令的转发。在使用星形-簇树结构部署Zigbee网络时，普通节点与终端节点对应，簇头节点与路由节点对应，汇聚节点与协调节点对应。

在设计时，簇头节点和汇聚节点尽可能采用外接电源供电，以避免转发频繁导致能量耗尽退出网络[11]。同时在每个簇应有备份簇头，保留在簇头节点异常情况下的切换功能。主用和备用簇头节点（路由节点）应与普通节点（终端节点）、汇聚节点（协调节点）保持较好的通信状态。

图4 航天测控站监控系统总体设计图Fig.4 Diagram of overall design for monitoring system in space observation

3.2 硬件设计

协调节点、路由节点和终端节点都包含处理器模块和无线通信模块。本文系统采用符合IEEE标准的CC2530芯片系统作为统一解决方案，它包括低功耗的8051MCU内核、嵌入式操作系统OS、符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz射频收发模块，集成度高，易于扩展，能实现任务调度和通信。

协调节点外加GSM模块，用于短信收发和电话自动接听。终端节点外加传感器模块，主要包含温度传感器、湿度传感器、震动传感器、水浸传感器、烟雾传感器和拾音器等。

3.3 软件设计

3.3.1 感知层软件设计

终端节点的作用是采集并上报数据和接收控制命令，其软件过程为：硬件和协议栈初始化，加入簇；定期采集数据；接收到路由节点转发的控制命令后，将采集的数据发送到路由节点。路由节点主要负责建立数据路由，其主要软件功能为转发数据或控制命令。协调节点负责网络的建立和维护，其软件过程为：硬件和协议栈初始化，创建网络；管理节点的加入和退出，维护网络；接收并向路由节点转发监控主机发送的控制命令；接收并向监控主机转发路由节点转发的数据。

Zigbee网络层主要实现节点加入或退出、路由查找和数据传送等功能，但没有给出组网的路由协议，这样就为用户提供了更为灵活的组网方式[12]。Zigbee协议常见的路由算法有Cluster-Tree、AODVjr和Cluster-Tree+AODVjr等[13]。在Cluster-Tree算法中常见的有TEEN路由算法和LEACH路由算法，它们属于分层路由算法，较为复杂。AODVjr协议为无线自组网按需平面距离矢量路由协议，能够区分路由节点和终端节点，自主进行路由探测和存储，在链接失败和数据丢失时能够进行自组织和自修复。根据本文系统的特点，AODVjr协议完全能够满足使用要求，由于该路由算法已经在Z-Stack协议栈中实现，因此本文系统基于Z-Stack协议栈进行开发。

3.3.2 传输层和应用层软件设计

前端机和监控主机软件采用Visual studio2010集成开发环境，将C#作为编程语言，数据库软件采用Access2007和SQL Server2010，并使用TCP/IP异步通信模式和串口异步通信模式。

考虑到监控系统的信息安全，没有采用GPRS或3G网络进行数据传输，而是采用加密短信的方式进行传输。在接收端对收到的信息进行多重检测，包括信息源地址与数据库内地址列表匹配、加解密算法匹配、解析后参数合法性检查等。同时，信息需要通过数据库中转，并通过信息处理程序独占的串口发送，以保证没有非法数据进入现有监控系统内部。对于拾音器，可以通过指定号码拨打-自动接通的方式激活。

4 系统部署和测试

通过无线组网方式，某航天测控站监控系统的优化方案最大限度地减少了有线线缆的布设，克服了部署障碍，降低了部署成本，具备一定的推广价值。在测试中，通过监控主机，可以对各终端节点上报的数据进行查询，当有数值超过预设阈值时，会出现报警提示。在电磁兼容方面，通过设计比对和实际测试，无线传感器网络能够和现有设备共同工作、互不干扰。

5 结束语

虽然本文系统的实现手段是较为成熟的有线和无线通信技术，但根据某航天测控站具体情况进行了无线传感器网络组网特性的设计，制定在线备份与离线备份策略，满足实际使用要求。由于使用AODVjr协议需要维护路由表而存在初始延迟，且容易产生RREQ广播风暴而耗费能量[14]，因此该协议主要用于中小型网络，未来将重点研究路由协议的改进，在保持或降低功耗的情况下使网络得到最大限度的扩展。

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