应用无线传感器网络的月表环境长期无人监测系统构想

龙吟 陈淞 齐鑫 王洋 张雅琳

(1 中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094)(2 北京空间机电研究所，北京 100094)



应用无线传感器网络的月表环境长期无人监测系统构想

龙吟1陈淞1齐鑫1王洋1张雅琳2

(1 中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094)(2 北京空间机电研究所，北京 100094)

针对月表昼夜温差大、月壤结构松散、空间辐射强的特点，提出一种应用无线传感器网络的月表环境监测系统构想，实现对月表环境的长期无人监测。该系统分别由月表无线传感器网络、月球中继卫星、地球中继卫星和地球地面站组成。通过月表无线传感器网络节点上的太阳能电池设计，实现节点的可持续工作。通过节点外形设计和采用电帘除尘技术，可防止节点被月尘掩埋。节点采用热控包覆和主动热控措施，能适应月球高低温环境。为提高无线传感器网络的生命周期，提出一种基于能量均衡的路由技术。针对月表环境监测系统，设计了月表-月球中继-地球中继-地球地面站的通信协议栈，地月中继通信技术能保证月表环境参数实时传回地面。与微波探测、月球车探测等传统月表环境探测技术相比，文章提出的系统具有能抵近探测、探测对象多、探测范围广、探测时间长、系统可靠性高和成本低的优势。

月表环境；长期无人监测系统；无线传感器网络；节点；协议栈

1 引言

月球探测具有重要的战略意义，目前国际上的主要航天大国和组织都将月球探测作为深空探测的起点，陆续开展了一系列月球探测活动。探测方式从飞越、环绕、硬着陆发展到软着陆、月面巡视及航天员实地考察；探测技术从可见光、红外发展到全月微波探测[1-2]。探测内容包括月球影像、月表矿物质，利用月球车获取现场影像和月壤采样分析[3-5]。上述探测手段从一定程度上获取了月表信息，为人类认知月球提供了重要参考，但存在各自的不足。通过可见光、红外、微波探测月表环境，无法近距离获取实际样本参数，观测结果误差较大。通过月球车软着陆方式登月进行月表探测，探测范围受地形限制，探测参数回传难度大，单点故障风险较高。通过航天员实地考察，适应月表环境难度大，探测时间和空间均受限，成本和风险都很高。

无线传感器网络[6-7]是计算机科学技术的一个新研究领域，它以传感器技术、无线通信技术、微机电系统(MEMS)和现代网络技术为基础，形成了一种全新的信息获取和处理技术。随机分布的微小节点里集成了传感器、数据处理单元和通信模块，通过自组织的方式形成网络，借助于内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的物理参数，从而可探测许多物理现象。无线传感器网络具有低成本、体积小、数据冗余、结构鲁棒的优点，应用场景包括军事战场感知、无人区监测、智慧城市、医疗交通等方面，技术较为成熟。国内外对无线传感器网络应用于深空探测(包括星球表面探测)的研究不多，NASA喷气推进实验室(JPL)研制了无线传感器网络Sensor Webs[8]，用于未来火星探测，并在佛罗里达航天飞行中心周围的环境测试中对其进行了测试验证，但是已公布的资料缺少对深空环境的适应性设计。文献[9]中提出了一种月球环境下无线传感器网络节点的设计方法，但缺少针对节点可持续工作的能量模块设计，无法支持无线传感器网络在月表长期自主工作；其中仅关注节点自身设计，缺少对无线传感器网络的自身组网设计和协议栈设计。

本文提出一种月表环境监测系统构想，借助月球着陆器布撒的无线传感器网络节点，可实现对月表环境长期无人监测，通过月球着陆器搜集所有节点的监测数据并进行融合，最后将融合结果发送到中继卫星并传回地球。

2 月表环境长期无人监测系统构想

2.1 无线传感器网络的应用价值

月球约有60多种丰富的矿藏和新能源，具有潜在的巨大探索价值。探索月球是开发月球资源、建立月球基地的第一步。无线传感器网络应用于月表环境监测，其价值体现在：①无线传感器网络在地面已经广泛应用于恶劣自然环境的长期无人监测，如火山监测、海洋探索。通过改进无线传感器网络节点，使之适应高真空、昼夜温差大、强辐射的月表环境，实现月表探测。②无线传感器网络通过采用低功耗的无线通信方式和路由协议，实现网络寿命的最大化，应用寿命通常大于2年。对能源模块采用可持续功能设计，能进一步延长使用寿命，这样就可以解决监测设备能量有限、实现长期可持续监测困难等问题。③无线传感器网络节点通过月球着陆器在月表进行大面积布撒，并利用多跳方式自组织形成网络，从而实现对月表大范围区域的环境监测。④通过在节点上配置各种类型的传感器，实现对月表环境众多参数的同时监测。因此，无线传感器网络是月表长期无人监测的有效方案。

2.2 系统构想

本文提出一种应用无线传感器网络的月表环境监测系统构想(见图1)，可实现对月表环境的实时长期无人监测。通过月球着陆器在月表随机布撒大量无线传感器网络节点(包括普通节点和簇头节点，分别为图1中的黄色节点和绿色节点)，节点之间通过自组织形成网络，并根据节点配置的传感器实时监测月表环境参数，将监测结果通过多跳的方式传递给月球着陆器(可称为汇聚节点)。普通节点用于数据采集和发送，簇头节点仅用于数据转发。普通节点和簇头节点配置一样，簇头节点通过动态选举，从普通节点中产生。当节点组成一个规模较大的传感器网络时，数据往往要经过多个簇头节点的转发才能到达月球着陆器。月球着陆器对接收到的数据进行融合，并将处理后的数据通过无线链路发送给月球中继卫星。月球中继卫星将数据转发给地球中继卫星，地球中继卫星将数据转发给地球地面站进行处理，获得月表的实时环境参数。同样，地面通过反向链路发送对月表无线传感器网络的控制信息。月球着陆器的软硬件资源丰富，数据处理能力及通信能力较强，可作为无线传感器网络与月球中继卫星之间的网关。月球中继卫星和地球中继卫星具有测控覆盖率高，通信链路带宽宽的优点，可作为地月通信的手段。月表无线传感器网络内部采用IEEE802.15.4通信协议，根据天地一体化设计思路，月球着陆器、月球中继卫星、地球中继卫星和地面站之间均采用空间数据系统咨询委员会(CCSDS)推荐的基于CCSDS空间链路承载IP协议业务(IP over CCSDS)。地面站和地面网络之间采用TCP/IP协议(TCP为传输控制协议)。为实现月表环境长期无人监测系统，要解决3个难题，包括：①设计一种适应月表环境的无线传感器网络节点；②设计一种能量均衡的低功耗无线传感器网络组网方法；③设计一种支持地月深空通信的无线传感器网络协议栈。

图1 月表环境长期无人监测系统体系架构Fig.1 Architecture of lunar surface environment long-term unmanned monitoring system

2.2.1 无线传感器网络节点的设计

月表环境具有昼夜温差大、月壤结构松散、空间辐射强、高真空的特点，要求节点具有月表环境的适应能力。一般，传统无线传感器网络节点包括：①处理器模块，用来实现数据接收和数据融合；②无线通信模块，实现节点之间的无线通信；③传感器模块，实现外界环境的感知，即数据采集；④蓄电池供电的能源模块。传统无线传感器网络节点工作在地面环境，适合在常温常压下工作，抗辐射性能及耐真空性能低，无抗掩埋能力，无法适应月表的特殊工作环境。为此，对月表无线传感器网络节点按照模块化设计的思路进行了专门设计，见图2。在传统结构的基础上，将蓄电池供电的能源模块更改为太阳能电池模块；新增主动防月尘模块和被动防月尘模块，以提升节点的抗掩埋能力；新增主动热控模块和被动热控模块，以扩大节点的工作温度范围，适应月表的高温差环境；新增防辐射模块，以提升节点的抗辐射能力；新增耐真空模块，以提升节点的耐真空性能。

图2 无线传感器网络节点模块化Fig.2 Modularization of wireless sensor network node

1)处理器模块和无线通信模块

处理器模块和无线通信模块的设计要求是低功耗、抗辐射、耐高低温。处理器选用80C32系列宇航级芯片，工作温度范围满足―75～+125 ℃，抗辐射指标满足深空探测需求，已经成功应用于嫦娥系列等航天器。无线传输方式主要包括蓝牙、WiFi、红外和ZigBee，如表1所示。其中：ZigBee技术传输速率低，能耗、设计难度及制造成本均低于蓝牙、WiFi和红外，适用于低速率、低功耗的工作场合，因此选用ZigBee作为无线通信模块。

2)传感器模块

传感器模块可根据需求进行定制，比如温度传感器、辐射传感器、月壤成分分析传感器、水资源探测传感器、矿物探测传感器等。

3)太阳能电池模块

节点在地面工作一般采用一次性电池供电，通过更换电池的方式实现其持续工作。如果节点处于月面，就必须设计一种新型的无人干预的供能手段，实现无线传感器网络的长期无人监测。太阳能电池模块能利用月表丰富的太阳能，实现节点的可持续工作。太阳能电池模块的设计借鉴已有航天器，诸如卫星、载人飞船等的电源分系统的设计模式进行缩比化设计，由太阳能电池板、多级能量存储器和能量管理单元3部分组成，见图3。其中：太阳能电池板将光能转换为电能，经调节电路后存储在多级能量存储器中。多级能量存储器一般设计为前后两级：前级实现能量存储、负载供电以及为后级充电的功能，采用超级电容；后级则可在无光能转换时作为负载的后备能源，并在自身消耗以后通过前级补充能量，采用聚合物锂电池。能量管理单元监测多级能量存储器的状态，完成供电电源的选择和存储器的充电控制。在保证节点正常工作的条件下，尽可能多地选择电容供电，减少电池充放电次数，并在电池电压低于设定值时，使用电容通过充电电路对其充电。

表1 无线传输方式的比较

图3 太阳能电池模块Fig.3 Module of solar cell

4)防月尘模块

月壤是月表在缺乏氧气、水、风和生命活动的环境下，由流星撞击、宇宙射线和太阳风辐射、大幅度温度变化等因素共同形成的，广泛分布于月表，厚度不均(数厘米至数米)。月尘是月壤中直径小于1 mm的小颗粒，中间值为40～130 μm，平均粒径为70 μm。月尘具有突出的粘附性、研磨性和渗透性，可能造成节点的掩埋，影响节点的太阳能发电及通信功能。防月尘模块能防止月尘对节点的伤害，如掩埋节点造成通信不良，遮蔽太阳电池板导致发电失败，月尘遮蔽热控涂层造成散热功能异常。防月尘模块[9]按照工作模式，分为被动防月尘模块和主动防月尘模块。

被动防月尘模块设计要考虑2个方面。①为了防止被埋在月尘里，节点对月尘的压强应满足相应要求，节点的质量越小越好，但底部的面积应足够大，为此，对节点进行封装设计，将节点封装在一个锥形密封结构里。锥形的重心低，并且锥形的大底面积足够大，能保证锥形的压强小，不会陷落在月尘里；由于重心低，节点不会翻倒。另外，密封设计隔离了节点与月尘的接触。②在太阳电池板外表设置不粘表面。借鉴荷叶疏水原理，在功能表面上增加小于月尘特征尺寸的纹路，形成纳米级的针床，可明显减小月尘颗粒与功能表面间的接触面积，减弱其间的附着力，从而抑制月尘的附着。另外，设置导电镀膜，即在功能表面镀一层超薄导电膜(如氧化铟锡膜)并接地，释放其表面月尘颗粒的电荷，从而减小月尘的静电附着力。被动防月尘模块具有结构简单、质量小、无功耗和不需维护等优点。

主动防月尘模块采用电帘除尘技术，实现太阳电池板的主动清洁。由连接到多相(或单相)交流电源上的平行透明电极组成电帘，通电后形成移动的交变强电场，月尘颗粒在强电场的极化下，被电场力举起并沿垂直于电极轴线的方向运动，实现除尘。电帘除尘[10]装置无需活动部件，除尘效率较高(80%～90%)。

5)防辐射模块

月表由于缺少大气层的防护，主要受到太阳风、太阳耀斑和银河宇宙射线的辐射。太阳辐射是最主要的辐射，它包括向外发射的电磁波、粒子流(太阳风和高能粒子流)、中微子，以及重力波、声波等多种形式，其波长可测范围从γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线，直到射频电波段的米波区。由于微电子产品对空间辐射非常敏感，因此必须考虑空间辐射的防护问题，提高其可靠性。防辐射模块采用电磁屏蔽体，使内部器件免受外界空间电磁场的影响；对于内部敏感设备进行点屏蔽，以抑制内部干扰，并提高系统或设备的电磁兼容性；通过电流监测避免单粒子闩锁；通过电压监测避免单粒子栅破裂和单粒子烧毁；设计专门的纠检错模块纠正数据存储器单粒子翻转，实现容错的目的。

6)耐真空模块

月表的大气压很小，是10-14量级的，属于超真空，会使节点的结构受到0.1 MPa的附加内压。耐真空模块参照航天器的封装技术，采用S42空间密封材料，对节点进行密封设计。S42已成功应用于神舟系列载人飞船和天宫一号目标飞行器的密封[11]，能满足承受0.1 MPa的附加内压的要求。

7)热控模块

月表由于没有大气层热传导，昼夜温差大，温度范围约为-153～+126 ℃。极高的温差，使节点的处理器模块、无线通信模块和太阳能电池模块面对严峻挑战。热控模块[9]分为被动热控模块和主动热控模块，分别用于实现对节点的被动和主动控温。被动热控模块通过对节点进行隔热封装实现，包括蒙皮和真空多层隔热层。蒙皮一般可以采用金属材料制作，其外表面和内表面涂有不同类型的热控涂层。外蒙皮热控涂层要求吸收辐射比低，使太阳照射下温度不至于过高，并且热辐射率低，从而保证没有太阳照射时辐射散热尽可能小。内蒙皮主要起支撑作用，为节点内部提供一个密封、恒温恒压的环境。真空多层隔热层同样起绝热的作用。主动热控模块包括电加热器和热管两部分。电加热器在月夜工作，利用太阳能电池的能量对节点加热，并通过热管将热量均匀传递到节点的周围，保证在月夜期间节点温度处于工作范围内。

图4为无线传感器网络节点结构。

图4 无线传感器网络节点结构Fig.4 Configuration of wireless sensor network node

2.2.2 无线传感器网络的组网设计

无线传感器网络由若干节点和月球着陆器(汇聚节点)组成。月球着陆器具有较强的数据存储、处理和通信能力，是无线传感器网络和月球中继卫星的网关。月球着陆器作为协议转换的通信桥梁，一方面，将基于IEEE802.15.4的无线传感器网络采集的信息，转换为IP over CCSDS格式，发送到月球中继卫星，再经过地球中继卫星回传到地面网络；另一方面，月球着陆器接收地面网络发送的IP over CCSDS格式的控制指令信息，并转换为IEEE802.15.4格式的指令信息，发送给无线传感器网络节点。

由于节点的能量有限，尽量降低节点的能量消耗，提高无线传感器网络的生存周期，是必须重点考虑和解决的问题。一方面，节点在无数据传输时采用休眠机制，以降低节点的能量消耗；另一方面，由于簇头节点的能量消耗远远高于普通节点，可采用一种基于能量均衡的分簇多跳路由算法[12]。

2.2.3 无线传感器网络的协议栈设计

无线传感器网络的协议栈设计如图5所示。普通节点的协议栈自顶向下包括应用框架层、应用支持层、网络层、数据链路层和物理层，其中应用框架层、应用支持层和网络层符合ZigBee规范的定义，数据链路层和物理层符合IEEE802.15.4标准。簇头节点的协议栈只包括网络层、数据链路层和物理层，遵循标准和普通节点一致。

月球着陆器(即汇聚节点)的协议层自顶向下包括网络层、数据链路层和物理层。网络层同时遵循ZigBee规范和IP协议，数据链路层同时支持IEEE802.15.4和IP over CCSDS规范，物理层同时支持IEEE802.15.4和天地射频链路规范。汇聚节点协议转换过程见图6，其中UDP为用户数据报协议。

图5 无线传感器网络协议栈设计Fig.5 Protocol design of wireless sensor network

图6 汇聚节点协议转换示意Fig.6 Transformation of protocol for sink node

3 关键技术研究

月表特殊环境的影响，尤其是昼夜高温差对无线传感器网络节点的正常工作，提出了严峻考验。由于节点很难及时更换，因此研究节点的可持续工作能力对实现无人干预的长期监测至关重要。长期暴露在月表的节点容易被月尘覆盖，导致通信、发电效率降低。常规的路由协议，如洪泛、静态分簇等，对局部网络能耗要求较高，导致无线传感器网络的生命周期较短。另外，月表环境参数的实时回传地面，对通信系统设计提出了新要求。因此，实现月表环境长期无人监测系统，应研究以下关键技术。

3.1 太阳能电池技术

传统的无线传感器网络节点采用干电池、锂电池等一次性电池供电，无法满足月表长期无人监测的要求。为保证无线传感器网络可持续工作，本文提出一种应用太阳能发电的节点供能模块设计。借鉴地面太阳能电池技术，为节点安装太阳能电池板，利用太阳能电池板物理设计、太阳能电池前后级设计和太阳能电池充放电逻辑设计，实现长期工作。太阳能电池板物理设计应适应月表高低温环境，研究发电效率、发电量和被动防月尘等。太阳能电池前后级设计应研究前级储能指标、后级储能指标、前级充放电次数和后级充放电次数。太阳能电池充放电逻辑设计采用通过设置后级电池的充电门限，采用比例积分微分(PID)控制闭环逻辑控制前级电池对后级电池的充电动作；通过设置后级电池的放电门限，将无线传感器节点的供能接口从前级电池切换至后级电池。

3.2 电帘除尘技术

由于月尘累积的影响，太阳能电池输出功率会急剧下降。为保证无线传感器网络长期正常工作，要采用主动除尘技术对太阳能电池板进行定期的主动除尘，保证太阳能电池板的发电效率。电帘除尘技术具有高透过率、长寿命及高稳定性的优点。根据电源的类型，电帘分为单相、三相和多相电帘。由连接到多相(或单相)交流电源上的平行透明电极组成电帘，通电后形成移动的交变强电场，月尘颗粒在强电场的极化下，被电场力举起并沿垂直于电极轴线的方向运动实现除尘。地面通过将无线传感器网络节点的太阳能电池发电效率作为电帘除尘的控制输入，实现闭环的主动除尘干预。

3.3 主动热控技术

由于月表特殊的高低温环境，需要对无线传感器网络节点进行热控保护。主动热控技术通过对处于被动热控包覆下的节点进行闭环的加热控制，保证节点工作在一个相对恒定的温度环境。借鉴航天器的热管设计原理，在节点的热控包覆内部设置热管，通过对节点的测温结果进行评估，对热管工质进行加热处置，最终实现节点的热控。

3.4 能量均衡的路由技术

由于无线传感器网络节点的能量有限，为保证整个网络的长期稳定工作，采取一种能量均衡的路由技术，提升整个网络的生存周期。当无线传感器网络规模较大时，网络中的一个节点采集的数据必须经过其余几个节点的转发才能到达汇聚节点。实现转发功能的节点称为簇头节点，簇头节点的能耗通常较大，因此必须定期地轮换簇头节点，避免某个固定节点的瘫痪。通过采用定期的节点剩余能量评估，动态选择簇头节点，实现整个网络的能量均衡，提升无线传感器网络的生存周期和鲁棒性。

4 可行性和优势分析

4.1 可行性分析

(1)针对月表环境的节点技术可行性分析。针对月表的高低温环境、月尘影响、电池不可更换的问题，分别提出了主动/被动热控技术、电帘除尘技术和太阳能电池技术的解决措施，提升了无线传感器网络节点的月表环境适应性。其中，主动/被动热控技术和太阳能电池技术分别借鉴载人飞船，已在轨飞行验证。电帘除尘技术也已经应用于太阳能电池板清洁，并且国内已经针对采用电帘除尘技术对嫦娥三号太阳电池阵的除尘效率进行了研究[13]。

(2)无线传感器网络的组网技术可行性分析。无线传感器网络在地面已经广泛应用于无人区测试，如著名的大鸭岛试验，因此，只要解决电池更换问题，就可用于月表环境长期无人监测系统。通过采用能量均衡的低功耗路由技术，可以解决电池长期工作问题，提升网络的生存周期，最长可以连续工作2年。

(3)地月通信技术可行性分析。嫦娥系列探测器使地月的深空通信技术得到充分验证。基于月球中继的地月通信技术目前还处于方案阶段，其中，基于环月轨道的月球中继方案可以充分借鉴天链系列地球中继卫星的设计方法，具有实现方式较为简单、理论难度低的优点。基于地月平动点轨道的中继通信方式是未来的发展方向[14-16]，具有低成本、系统简化的优点。

4.2 优势分析

应用无线传感器网络的月表环境长期无人监测系统，从探测距离、探测对象、探测范围、探测时间、系统可靠性、成本等方面，比传统的高光谱遥感、雷达遥感、月球车、月球机器人、航天员考察等探测手段具有优势，见表2。

表2 月表环境探测方式的比较

5 结束语

针对月表的特殊环境，本文提出一种应用无线传感器网络的月表环境监测系统构想，可实现对月表环境的长期无人监测。针对无线传感器网络节点进行模块化设计，采用太阳能电池设计实现节点的可持续工作；采用防月尘模块和电帘除尘技术，防止节点被月尘掩埋；通过设计节点的被动热控模块和主动热控模块，保证节点适应高低温环境。为提高无线传感器网络的生命周期，采用基于能量均衡的路由技术。针对月表环境长期无人监测系统，设计了月表-月球中继-地球中继-地球地面站的通信协议栈。利用月球着陆器作为无线传感器网络的汇聚节点，实现对无线传感器网络获得数据的搜集和转发。利用月球中继的地月通信，提升测控覆盖率。本文提出的系统可为我国未来进行月表探测活动提供参考。

作为一种系统构想，本文提出了可能采取的系统架构及一些关键的支撑技术。今后，还要进一步开展详细设计与论证，尤其是结合应用微机电技术和先进无线射频技术，论证无线传感器网络节点的体积、质量、功耗，与通过月球着陆器进行月表布撒节点的方案，以及系统各链路的无线通信能力能否满足要求等，才能完成工程可行性论证。

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(编辑：夏光)

Idea for Lunar Surface Environment Long-term Unmanned Monitoring System By Using Wireless Sensor Network

LONG Yin1CHEN Song1QI Xin1WANG Yang1ZHANG Yalin2

(1 Institute of Manned Space System Engineering， China Academy of Space Technology， Beijing 100094， China) (2 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity， Beijing 100094， China)

An idea for lunar surface environment monitoring system by using WSN (wireless sensor network) is proposed for long-term unmanned monitoring,considering the large temperature difference between day and night,the loose soil structure of lunar surface and the space radiation intensity. The system is composed of WSN,relay satellite of lunar,relay satellite of earth and earth station. The solar cell technology is used for the node’s sustainable work. In order to avoid being buried,the shape of the node is designed,and dust removal by electric curtain is adopted. The thermal control coating and heating device of node are designed to adapt the high and low temperature environment. An energy-balanced routing protocol is proposed to prolong the network lifetime. The communication protocol stack for lunar surface,lunar relay satellite,earth relay satellite and earth station is designed. The earth-moon communication technique based on relay satellite is proposed to guarantee real-time data transmission. Compared with the traditional technique such as microwave detector and rover,the idea proposed in this paper has advantages such as more detecting objects,larger detection range,longer detection time,higher reliability and lower costs.

lunar surface environment； long-term unmanned monitoring system； wireless sensor network； node； protocol stack

2017-02-04；

2017-03-23

龙吟，男，工程师，从事航天器测控与通信分系统研究工作。Email:ly24381@163.com。

V476.9

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.002