一种移动多Sink无线传感器网络监测系统

摘要：军事防御、灾害监测与救援等危险／恶劣环境监测是无线传感器网络的典型应用。在此面向危险／恶劣环境监测需求，设计并构建移动多Sink无线传感器网络监测系统，实现环境信息感知、便携式移动指挥、事件定位、移动用户生理监护、多模态(语音、图像、文字等)交互等功能。实验测试结果表明，当网络中存在2个移动Sink节点时，网络平均延时小于100 ms，网络丢包率小于6％，可满足网络实时性要求不高的应用。
关键词：危险／恶劣环境；移动多Sink；无线传感器网络；监测环境

0 引言
无线传感器网络由大量高密度布设的廉价微型传感器节点组成，这些节点具有信息采集、数据处理和无线通信等多种功能，通过无线通信形成一个多跳的自组织分布式网络系统，可根据环境信息自主完成指定任务。面向军事防御、灾害监测与救援等危险／恶劣环境的事件监测应用，大多具有监测面积较大、缺乏必要的通信基础设施等特点，可充分发挥无线传感器网络规模大、随机分布、自组网等特点，是无线传感器网络最典型的应用之一。在这类应用中，事件监测者(人或者智能平台)不仅参与管理而且也参与组网，成为了网络中的移动Sink节点。因此，本文设计并构建了移动多Sink无线传感器网络监测系统，实现环境监测、事件定位等功能。

1 应用背景
无线传感器网络概念源于对一些人工无法到达或者不便到达的危险／恶劣环境的监测需求，例如：军事应用、特殊环境监测(如：灾害现场、野生动物)等。在这类典型应用场合中，监测网络大多采用随机布设的方式，特定监测事件发生的地点是其关注的重点之一。军事防御、灾害现场监测两类典型的应用需求分析如下：
1．1 军事防御
现代战争中，重要军事设施往往成为敌方攻击的重要目标，利用直接感官进行防御已经无法应对日益丰富、隐蔽的进攻手段，需要集成各种环境监测传感器、语音、视频等多模态监控信息，扩大防御单兵乃至指挥系统的感知范围，增强协同防御能力，快速定位特定事件发生的时间、地点，提升防御系统监测、指挥能力。
1．2 灾害现场监测
近年来我国灾害频繁(特别是矿难事件)，灾害监测与救援受到了越来越多的重视。灾害现场往往环境复杂，传统的通信技术难以使用，需要集成各种环境传感器、语音、视频等多模态监控信息，延伸救援人员的感知范围，增强救援人员的协作能力，提升灾害应急指挥能力。

2 系统架构
系统网络结构分为现场监测局域网络和远程监测网络两部分。现场监测局域网络由骨干网与接入网两级网络结构组成，如图1所示。骨干网由移动Sink节点组成，负责将接入网中的节点信息中转至网关节点，并由网关节点实现信息远传。骨干网中直接采用无线MESH技术进行组网(用于传输视频、音频等数据量较大的信息)。接入网分为若干子网，每个接入子网是以骨干网中的移动Sink节点为中心，若干环境感知传感器节点组成的局域网。由于系统需要通过无线传感器网络传输静止的传感器节点采集的环境信息，同时又需要传输移动节点的信息。因而，接入网是一种固定节点与移动节点相混合网络的拓扑结构。在传统的基于树状网络拓扑结构中，Sink节点的移动会造成数据链路最后一跳出现中断，需要重新建立路由树。但是频繁地重新建立路由树，不仅网络能耗代价比较大，而且大量的洪泛消息还容易造成网络风暴，阻碍正常的数据传输。针对这一特点，在系统中设计了基于局部路由维护策略的无线传感器网络路由算法，以降低系统重建路由树时的开销，减少洪泛消息次数，延长网络寿命。