无线传感器网络的智能地雷系统设计

王苗苗，王 玲

无线传感器网络的智能地雷系统设计

王苗苗，王 玲

(沈阳理工大学 兵器科学技术研究中心，沈阳110159)

信息技术在现代战争中扮演着越来越重要的角色，正推动着一场新的军事变革，而智能地雷正是这一变革中的产物，其关键技术是传感器采集及组网通信技术。阐述了雷场的工作流程，结合微控制器和无线通信芯片完成了硬件设计和物理实现，通过 C++语言设计了图形化控制界面，简单介绍了系统的软件实现。实验结果表明，该系统具有小型化、硬件模块化、低功耗、组网通信一体化设计、集成度高、工程实现简单，适用于长期工作的弹药系统。

智能地雷;无线传感器网络;组网通信

智能化的地雷系统通常建立在无线传感器网络的基础上，无线传感器网络作为一种特殊的无线自组织网络[1]，其网络节点通常拥有相同的硬件结构。

军事应用中对智能地雷的尺寸有严格的要求，故传统的无线传感器网络系统难以满足军事需求。在无线传感器网络硬件资源有限、电源容量有限、节点数量大、无中心和自组织网络化的基础上，设计一种新型的智能地雷系统。利用S3C2416芯片的低功耗特性，设计了功耗较小的功能电路[2]；利用C++、数据库、串口通信等技术建立实时动态的监控界面；利用无线传感器网络组网技术,通过建立各终端节点网络拓扑关系，构建了终端节点自组织网络；通过多传感器采集终端节点数据和分析完成目标判断,得到目标的精准信息,为引爆目标提供精确的指令[3]。

1 终端设备的工作流程

终端设备工作流程如下:在监控区域内人工布置终端设备，连通终端设备；首先判断监控中心是否正常工作；如果监控中心正常工作，终端节点快速组织形成无线网络，终端设备处于备战状态；若监控中心不能正常工作，终端节点之间进行比较，选择出最优的监控中心，并迅速组成无线网络；由传感器采集监控区域的探测参数，通过无线网络发送至各终端设备的监控中心，同时将数据传回监控中心；监控中心通过网关传回处理数据建立设备拓扑结构，并监视设备的工作状态；威胁参数达到阈值时，监控中心可以通过控制中心向网络设备发送命令，控制地雷节点完成自毁、失效、失能等操作[3]，其工作流程如图 1 所示。

图1 终端设备工作流程

2 硬件电路设计

无线传感器网络节点的硬件电路是整个传感器网络的重要组成部分，地雷监控系统功能的实现都必须通过网络节点收发数据。Adhoc网络在40MHz频段设计无线通信，设计高频电路时与设计低频电路时需要考虑的因素不同，前者考虑重点是有效而无损地实现信号的无线传输，其关键是电路之间的阻抗匹配。微控制器采用Samsung公司的高性能、低功耗微控制芯片S3C2416，独立的16KB指令和16KB数据高速缓存，进行虚拟内存管理的MMU，LCD控制器，NAND闪存启动加载器，系统管理器。无线网卡选用六和万通公司的LHWT-WT6104芯片，LHWT-WT6104芯片完整实现了IEEE标准所规定的802.11a/b/g基带信号处理，协议处理以及各种附加增强功能模块。支持802.11b和802.11a所要求的各种调制方式，能够提供协议规定的1Mpbs到54MPbs的全部传输速率。该芯片能够完成媒体接入层(MAC)所规定的所有协议，并针对语音通信的要求，加入了对802.11e协议的支持。除此之外，该芯片提供了大量的安全和加密算法，并能有效融合802.11i标准和标准。万通四号针对组网通信的特点，从体系结构到最终实现，都充分考虑了功耗控制，能够提供多种工作模式[4]。该芯片支持802.11a/bg的WLAN芯片，有效降低功耗，并为板级设计提供了良好的EMC特性。硬件电路实物图如图2所示。

图2 硬件电路实物图

3 软件系统设计

本系统软件主要分为两大部分:终端设备软件和远程监控中心软件。终端设备软件主要是普通传感器节点和通信节点，主要包括数据的采集，发送，接收和处理等。远程监控中心则主要由用户界面、数据处理部分(历史数据和实时数据)、控制部分组成。下面对这两部分加以介绍。

终端设备软件中传感器节点主要负责采集监控数据，实时读取传感器的探测信息，并周期性地将采集信息发送给通信节点，通信节点主要负责从监控模块接收远程控制中心命令(数据采集命令和控制命令)，并将命令传送给控制节点。控制节点将采集到的数据传回通信节点，通信节点将数据传回远程控制中心。在系统应用之前，通信节点作为网络协调器具有组建网络的任务[5]。

在本系统中，无线传感器网络采集到的数据最终要远程传输到监控中心，釆用无线通信技术来满足远程传输的要求。实际应用过程中，通信射频模块和无线传感器网络通过串口连接。通信射频模块起到了桥梁的作用，传感器采集数据通过通信射频模块发送给远程计算机中心，同时，远程计算机中心的命令也通过通信模块通过串口传给无线传感器网络的控制中心，完成远程计算机监控中心与终端节点之间的信息交互。监控中心是系统的监控指挥中心，主要包括两大方面的功能。一个是对系统的实时运行状态进行监测，同时对系统出现异常时进行引爆，对威胁参数超出标准时，启动控制设备，对系统进行控制引爆。软件设计的开发平台为Linux，开发工具是C++，数据库采用SQL 2008，存储敌方设备的即时状态，如敌物的速度，距离，进攻角度，加速度等。监控中心的界面设计图如图3所示。

图3 监控界面设计图

设置按钮中的通信参数设计界面如图4所示。

图4 设置按钮界面设计图

4 WSN的结构和实验测试

ZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。在这种网络中，有两种设备类型，一种是功能简化型设备(RducedFunction Device,RFD),另一种是功能完备设备(Full Function Device,FFD)。在网络中，FFD与RFD分工不同，FFD可以充当网络协调器，也可以是路由器或者终端设备，它可以同时和多个RFD或者多个FFD通信；RFD只能作为终端设备，与FFD通信。RFD应用简单、且容易实现。ZigBee网络层支持3种拓扑结构:星形(Star)结构，簇树形(Cluster Tree)结构和网状(Mesh)结构[6]。该项目选用星形网络结构，所有的节点都与一个中心节点进行通信。中心节点负责监听所有节点的数据报文并转发给对应的目的节点。为验证系统的性能，进行了通信性能测试。使用5个终端节点组成无线网络，各节点通过传感器节点采集数据，经过控制中心信息处理后，通过通信射频模块发送至监控中心，监控中心掌握终端节点即时状态，并在威胁参数达到标准完成自毁、失效、失能等指令功能。实验过程:实验采用 PC 机作为监控中心正常工作，PC 机安装通信控制界面，并以串口方式与远程通信模块相连，通信参数为:波特率115200bps，8位数据位，1位停止位，无奇偶效验位。实验监测时，打开各节点电源开关，观察其5个终端节点组网通信状态，通信节点是否发送全部信息，上位机是否接收数据并完成数据处理;上位机是否发送单节点引爆命令、多节点引爆命令、单节点失效命令、多节点失效命令，观察各节点是否完成相应操作；PC 机不能作为监控中心时，终端节点比较选择最优监控中心，控制终端节点完成引爆，失效工作。图5为2个终端设备的组网过程，表1为通信状态、PC机正常工作，指令完成状态、PC异常指令完成状态实验测试结果。

图5 终端设备组网过程

节点1节点2节点3节点4节点5通信状态正常正常正常正常正常正常状态完成完成完成完成完成异常状态完成完成完成完成完成

5 结术语

在人工布设的智能地雷系统中,监控区域内的各个终端设备应具有自组网的能力。本文利用无线传感器网络组网技术,通过建立各终端节点网络拓扑关系，构建了终端节点自组织网络；通过多传感器采集终端节点数据,分析多传感器采集到的数据,完成目标判断,得到目标的精准信息,为引爆目标提供精确的指令。

[1]杨宁.无线传感器网络拓扑结构研究[J].无线电工程,2006,36(2):11-13.

[2]缪迪.基于ZigBee的无线传感器网络硬件设计及应用[D].杭州:浙江大学，2010.

[3]高昆.智能雷场的无线传感器网络技术研究[J].无线电工程,2008,38(4):2-4.

[4]何胜强，张安.飞机航空电子综合火控系统开发环境仿真[J].火力与指挥控制，2008，33(2):41-45.

[5]谢俊杰.毫米波探测技术在智能地雷中的应用[J].制导与引信,2006,27(2):56-60.

[6]穆磊,姜春兰,李明.基于 TDMA 的战场无线传感器网络节点低功耗通信协议实现[J].科技导报，2010,28(18):75-79.

(责任编辑:马金发)

Mine System Design of Sensor Networks

WANG Miaomiao,WANG Ling

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Information technology plays increasingly important role in modern warfare,which drives a new revolution in military affairs.Smart mine systems is the product of this transformation,and the key technology is the sensor to collect and group network communication technology.Workflow minefields are described,which combine microcontrollers and wireless communication chip to complete hardware design and physical implementation,graphical control interface through C++language designs,and introduce briefly the system software.Experimental results show that the system has miniaturized,modular hardware,low-power,integrated set of network communication design,high integration,and simple project,which is suitable for long-term work of ammunition systems.

intelligent mines;wireless sensor networks;networking communication

2015-11-25

王苗苗(1990—)，女，硕士研究生；通讯作者:王玲(1960—),男，教授，研究方向:嵌入式计算机应用及非线性控制系统。

1003-1251(2017)01-0107-04

TN927

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