基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的航天測控站監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化方案*

漆小剛，翟政安，吳煒瑋

（1 北京郵電大學(xué) 北京 100876 2 北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心 北京 100094）

引 言

航天測控站作為重要的星地節(jié)點，涉及通信、電子、自動控制和機械等多個學(xué)科，設(shè)備種類繁多、技術(shù)復(fù)雜。目前管理中一個突出問題是監(jiān)控系統(tǒng)不能完全反映設(shè)備運行狀況，因而制約了故障診斷的有效性。特別是涉及遠程管理時，由于遠程故障診斷不準確，出現(xiàn)告警時需要技術(shù)人員到現(xiàn)場診斷再調(diào)撥備品備件，造成維修周期長、費用高的問題。隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，航天測控站任務(wù)頻度普遍提高，空閑時間大幅減少，對系統(tǒng)的故障診斷提出了更高要求。

豐富相關(guān)數(shù)據(jù)采集手段是建立故障診斷機制的前提，也是解決遠程故障診斷難的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的信息采集主要采用點對點傳輸、逐層匯集的方式，需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，常常存在單點風(fēng)險。而屬于物聯(lián)網(wǎng)范疇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）是計算機、通信和傳感器這三項技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，能夠?qū)崟r監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，已成為計算機和通信科學(xué)領(lǐng)域一個活躍的交叉研究分支[1]。

傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比具有顯著特點，即資源受限、自組織結(jié)構(gòu)、動態(tài)性強、應(yīng)用相關(guān)、以數(shù)據(jù)為中心等。以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為例，它一般由多個具有無線通信與計算能力的低功耗、小體積的傳感器節(jié)點構(gòu)成；傳感器節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集、處理、無線通信和自組織的能力，可協(xié)作完成大規(guī)模復(fù)雜的監(jiān)測任務(wù)[2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢主要有靈活和自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系、跨層設(shè)計、Zigbee標準規(guī)范、與其他網(wǎng)絡(luò)的融合等[3]。

1 典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由許多功能相同或者不同的傳感器節(jié)點、收發(fā)器、通信網(wǎng)絡(luò)、用戶界面等組成[4]，如圖1所示。

相對其他部分，傳感器節(jié)點是研究的熱點和難點。一般來說，傳感器節(jié)點可完成傳感、處理和通信，自帶能量供給。傳感器節(jié)點在指定區(qū)域內(nèi)布置，完成組網(wǎng)，以將傳感器收集到的信息通過單跳或多跳傳送給收發(fā)器，再通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送給用戶。同樣，用戶指令通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送給收發(fā)器，再到達指定的傳感器節(jié)點。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System architecture of wireless sensor network

傳感器節(jié)點主要采用星形網(wǎng)、對等網(wǎng)和混合網(wǎng)三種組網(wǎng)方式[5]，如圖2所示。星形網(wǎng)有一個處于網(wǎng)絡(luò)中心的主節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中其他傳感器節(jié)點作為從節(jié)點，從節(jié)點功能可以與主節(jié)點一致，也可以弱于主節(jié)點。對等網(wǎng)中各傳感器節(jié)點功能一致，可分為網(wǎng)狀和簇樹兩種結(jié)構(gòu)?；旌暇W(wǎng)是星形網(wǎng)和對等網(wǎng)的結(jié)合，可以劃分為若干個子網(wǎng)，各個子網(wǎng)內(nèi)部以星形連接，同時各子網(wǎng)主節(jié)點又以對等的方式連接在一起，最終形成星形-網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或者星形-簇樹結(jié)構(gòu)。當節(jié)點采用星形連接時，信息流都是首先傳到同一子網(wǎng)/網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主節(jié)點，再由主節(jié)點傳輸?shù)礁邔拥臄?shù)據(jù)采集設(shè)備；而當節(jié)點采用對等連接時，信息流的傳播方向根據(jù)所選擇的路由協(xié)議確定。星形網(wǎng)通常用在設(shè)備數(shù)量比較少的場合。而對等網(wǎng)和混合網(wǎng)可以用于覆蓋范圍比較大的區(qū)域。一個網(wǎng)絡(luò)有且只能有一個節(jié)點來定義網(wǎng)絡(luò)的時分復(fù)用和多址接入方式，這個節(jié)點被稱為協(xié)調(diào)節(jié)點，通常協(xié)調(diào)節(jié)點與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)器相連。

圖2 傳感器組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of wireless sensor network

2 航天測控站應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 應(yīng)用需求

目前國內(nèi)航天測控站仍主要采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式，由設(shè)備上報自身運行參數(shù)。受限于采購設(shè)備的狀態(tài)，測控站有時缺少有效反映設(shè)備運行情況的參數(shù)，有時得到冗余參數(shù)。因此，在進行數(shù)據(jù)采集時，需要額外增加設(shè)備對缺少的參數(shù)進行采集，再作數(shù)據(jù)處理。一般情況下，現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)可以接收設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)或串口上報的設(shè)備狀態(tài)信息，但需要通過無線傳感器采集設(shè)備運行環(huán)境的溫度、濕度、煙霧、水浸、震動等信息。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

航天測控站應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要研究其組織形式，特別是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、路由協(xié)議、拓撲控制等，以解決可擴展性、魯棒性、抗干擾性、局部信息與全局目標協(xié)調(diào)、能量問題等[6]。

例如，根據(jù)節(jié)點傳感類型的不同，網(wǎng)絡(luò)覆蓋可以分為同構(gòu)覆蓋和異構(gòu)覆蓋兩類問題。同構(gòu)覆蓋問題相對簡單，而異構(gòu)覆蓋的研究難度較大，需要考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)中的諸多異構(gòu)特性，比如各類節(jié)點間傳感模型的不同、各類監(jiān)測數(shù)據(jù)信息含量的不同、各類節(jié)點間資源/能力的差異等。從目前可獲得的相關(guān)資料來看，異構(gòu)覆蓋問題的研究成果較少[7]。而傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議又可分為平面路由和層次路由兩種，平面路由主要包括泛洪式路由協(xié)議、以數(shù)據(jù)為中心的SPIN、有序分配路由、以數(shù)據(jù)屬性為中心的定向擴散路由等，分層路由主要包括LEACH協(xié)議、TEEN協(xié)議和多層聚類算法等[8]，至少采用何種路由協(xié)議，需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用情況進行選擇及優(yōu)化。

航天測控站由于內(nèi)部遮擋關(guān)系復(fù)雜、傳感器采集信息差異較大，必然要面對異構(gòu)覆蓋的問題。根據(jù)航天測控站構(gòu)造情況，可以按照星形-簇樹結(jié)構(gòu)布置傳感器網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。鄰近區(qū)域內(nèi)的節(jié)點構(gòu)成一個簇，每個簇有且僅有一個簇頭，相鄰的簇頭又循環(huán)構(gòu)成了另一個簇，這樣依次反復(fù)，構(gòu)成一個樹形結(jié)構(gòu)的傳感網(wǎng)絡(luò)[9]。

圖3 航天測控站無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Wireless sensor network structure in space observation

3 某航天測控站監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

本文設(shè)計的航天測控站監(jiān)控系統(tǒng)可以分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層：感知層在現(xiàn)有設(shè)備信息基礎(chǔ)上增加了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的信息；傳輸層在現(xiàn)有局域網(wǎng)基礎(chǔ)上增加了移動通信網(wǎng)絡(luò)和前端機；應(yīng)用層對現(xiàn)有監(jiān)控主機軟件進行修改，并增加了手機，其組成如圖4所示。具體來說，設(shè)備信息通過實時接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)或讀取信息數(shù)據(jù)庫的方式獲得，由Windows平臺實現(xiàn)；傳感器信息通過無線方式上報，并由前端機進行信息轉(zhuǎn)換，形成與現(xiàn)有監(jiān)控信息格式相同的傳輸幀后進入Windows平臺。

常用無線通信技術(shù)包括IEEE802.11、Zigbee、藍牙和RFID等，其中Zigbee是一種介于無線標記技術(shù)與藍牙之間的技術(shù)提案[10]?？紤]到頻率、距離、功耗和傳輸速率等因素，Zigbee與航天測控站監(jiān)控系統(tǒng)需求匹配度較高，因此本文系統(tǒng)采用Zigbee協(xié)議進行無線通信，形成低功耗、低速率和低成本的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)航天測控站的實際構(gòu)造，本文系統(tǒng)采用星形-簇樹結(jié)構(gòu)布置混合型傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個傳感器節(jié)點位置相對確定。

Zigbee傳感器節(jié)點主要包含終端節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)節(jié)點，其中終端節(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)采集和傳送，路由節(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)傳送，協(xié)調(diào)節(jié)點負責(zé)網(wǎng)絡(luò)維護及信息和命令的轉(zhuǎn)發(fā)。在使用星形-簇樹結(jié)構(gòu)部署Zigbee網(wǎng)絡(luò)時，普通節(jié)點與終端節(jié)點對應(yīng)，簇頭節(jié)點與路由節(jié)點對應(yīng)，匯聚節(jié)點與協(xié)調(diào)節(jié)點對應(yīng)。

在設(shè)計時，簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點盡可能采用外接電源供電，以避免轉(zhuǎn)發(fā)頻繁導(dǎo)致能量耗盡退出網(wǎng)絡(luò)[11]。同時在每個簇應(yīng)有備份簇頭，保留在簇頭節(jié)點異常情況下的切換功能。主用和備用簇頭節(jié)點（路由節(jié)點）應(yīng)與普通節(jié)點（終端節(jié)點）、匯聚節(jié)點（協(xié)調(diào)節(jié)點）保持較好的通信狀態(tài)。

圖4 航天測控站監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計圖Fig.4 Diagram of overall design for monitoring system in space observation

3.2 硬件設(shè)計

協(xié)調(diào)節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點都包含處理器模塊和無線通信模塊。本文系統(tǒng)采用符合IEEE標準的CC2530芯片系統(tǒng)作為統(tǒng)一解決方案，它包括低功耗的8051MCU內(nèi)核、嵌入式操作系統(tǒng)OS、符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz射頻收發(fā)模塊，集成度高，易于擴展，能實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度和通信。

協(xié)調(diào)節(jié)點外加GSM模塊，用于短信收發(fā)和電話自動接聽。終端節(jié)點外加傳感器模塊，主要包含溫度傳感器、濕度傳感器、震動傳感器、水浸傳感器、煙霧傳感器和拾音器等。

3.3 軟件設(shè)計

3.3.1 感知層軟件設(shè)計

終端節(jié)點的作用是采集并上報數(shù)據(jù)和接收控制命令，其軟件過程為：硬件和協(xié)議棧初始化，加入簇；定期采集數(shù)據(jù)；接收到路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的控制命令后，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到路由節(jié)點。路由節(jié)點主要負責(zé)建立數(shù)據(jù)路由，其主要軟件功能為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)或控制命令。協(xié)調(diào)節(jié)點負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護，其軟件過程為：硬件和協(xié)議棧初始化，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)；管理節(jié)點的加入和退出，維護網(wǎng)絡(luò)；接收并向路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控主機發(fā)送的控制命令；接收并向監(jiān)控主機轉(zhuǎn)發(fā)路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)節(jié)點加入或退出、路由查找和數(shù)據(jù)傳送等功能，但沒有給出組網(wǎng)的路由協(xié)議，這樣就為用戶提供了更為靈活的組網(wǎng)方式[12]。Zigbee協(xié)議常見的路由算法有Cluster-Tree、AODVjr和Cluster-Tree+AODVjr等[13]。在Cluster-Tree算法中常見的有TEEN路由算法和LEACH路由算法，它們屬于分層路由算法，較為復(fù)雜。AODVjr協(xié)議為無線自組網(wǎng)按需平面距離矢量路由協(xié)議，能夠區(qū)分路由節(jié)點和終端節(jié)點，自主進行路由探測和存儲，在鏈接失敗和數(shù)據(jù)丟失時能夠進行自組織和自修復(fù)。根據(jù)本文系統(tǒng)的特點，AODVjr協(xié)議完全能夠滿足使用要求，由于該路由算法已經(jīng)在Z-Stack協(xié)議棧中實現(xiàn)，因此本文系統(tǒng)基于Z-Stack協(xié)議棧進行開發(fā)。

3.3.2 傳輸層和應(yīng)用層軟件設(shè)計

前端機和監(jiān)控主機軟件采用Visual studio2010集成開發(fā)環(huán)境，將C#作為編程語言，數(shù)據(jù)庫軟件采用Access2007和SQL Server2010，并使用TCP/IP異步通信模式和串口異步通信模式。

考慮到監(jiān)控系統(tǒng)的信息安全，沒有采用GPRS或3G網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，而是采用加密短信的方式進行傳輸。在接收端對收到的信息進行多重檢測，包括信息源地址與數(shù)據(jù)庫內(nèi)地址列表匹配、加解密算法匹配、解析后參數(shù)合法性檢查等。同時，信息需要通過數(shù)據(jù)庫中轉(zhuǎn)，并通過信息處理程序獨占的串口發(fā)送，以保證沒有非法數(shù)據(jù)進入現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部。對于拾音器，可以通過指定號碼撥打-自動接通的方式激活。

4 系統(tǒng)部署和測試

通過無線組網(wǎng)方式，某航天測控站監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化方案最大限度地減少了有線線纜的布設(shè)，克服了部署障礙，降低了部署成本，具備一定的推廣價值。在測試中，通過監(jiān)控主機，可以對各終端節(jié)點上報的數(shù)據(jù)進行查詢，當有數(shù)值超過預(yù)設(shè)閾值時，會出現(xiàn)報警提示。在電磁兼容方面，通過設(shè)計比對和實際測試，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠和現(xiàn)有設(shè)備共同工作、互不干擾。

5 結(jié)束語

雖然本文系統(tǒng)的實現(xiàn)手段是較為成熟的有線和無線通信技術(shù)，但根據(jù)某航天測控站具體情況進行了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)特性的設(shè)計，制定在線備份與離線備份策略，滿足實際使用要求。由于使用AODVjr協(xié)議需要維護路由表而存在初始延遲，且容易產(chǎn)生RREQ廣播風(fēng)暴而耗費能量[14]，因此該協(xié)議主要用于中小型網(wǎng)絡(luò)，未來將重點研究路由協(xié)議的改進，在保持或降低功耗的情況下使網(wǎng)絡(luò)得到最大限度的擴展。

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