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      基于仿生網(wǎng)絡(luò)交互的無線傳感組網(wǎng)技術(shù)研究

      2021-06-28 11:13:10謝志偉
      廣東通信技術(shù) 2021年6期
      關(guān)鍵詞:功耗傳感無線

      [謝志偉]

      1 引言

      近年來無線傳感網(wǎng)技術(shù)經(jīng)歷從傳感器到無線傳感器再到無線傳感網(wǎng)的演進(jìn),形成多跳自組織的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)。它具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性,無需依賴外部條件,便可以在短時(shí)間內(nèi)快速形成網(wǎng)絡(luò)。在環(huán)境較惡劣地段或偏遠(yuǎn)地區(qū),無線傳感網(wǎng)被廣泛應(yīng)用。無線傳感網(wǎng)由眾多無線傳感器組成,體積小數(shù)量多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加上工作環(huán)境影響,在管理和維護(hù)上十分不便。因此,對無線傳感網(wǎng)進(jìn)行自診斷與自修復(fù)十分必要。

      2 無線傳感網(wǎng)分析

      2.1 無線傳感網(wǎng)的概述

      無線傳感網(wǎng)末梢以感知傳感器來實(shí)現(xiàn)信息采集和信息處理。濾除無關(guān)信號干擾,可以減少傳輸無效信息造成的能量損耗,提升無線傳感網(wǎng)的運(yùn)行速度。分布式傳感器網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)分布密度高、適應(yīng)性強(qiáng)、功耗大、節(jié)點(diǎn)易損、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁等新特點(diǎn)。

      2.2 無線傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)

      2.2.1 無線傳感網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)

      無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)包括:傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、基礎(chǔ)互聯(lián)網(wǎng)和用戶節(jié)點(diǎn)。傳感節(jié)點(diǎn)用于數(shù)據(jù)采集、存儲和管理,完成模擬信號向數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的動作;匯聚節(jié)點(diǎn)用于匯聚傳感器節(jié)點(diǎn)的信號,完成協(xié)議間的轉(zhuǎn)換,把數(shù)據(jù)發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)上;用戶節(jié)點(diǎn)接收基礎(chǔ)互聯(lián)網(wǎng)的采集數(shù)據(jù),向傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸任務(wù)管理的相關(guān)命令,通過用戶指令進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制。無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

      圖1 無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)

      2.2.2 無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)方式

      組網(wǎng)技術(shù)包括以太網(wǎng)組網(wǎng)和交換局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)。無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)方式可以分為4 種。

      (1)網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)模式

      網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)以感知傳感器為節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少連接其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn),所有節(jié)點(diǎn)之間形成一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。該組網(wǎng)模式在小范圍組網(wǎng)有優(yōu)勢,但在范圍較大時(shí)部署成本很高。

      (2)移動匯聚組網(wǎng)模式

      移動匯聚組網(wǎng)收集的目標(biāo)區(qū)域的數(shù)據(jù)后由匯聚交換機(jī)統(tǒng)一發(fā)送到后端服務(wù)器,可以提高網(wǎng)絡(luò)容量,但傳遞延遲和失真是該模式的一大缺陷。

      (3)基于分簇的層次型組網(wǎng)模式

      分簇層次型組網(wǎng)是對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層匯聚,將采集后的數(shù)據(jù)匯聚到分簇,再由分簇匯聚到總簇,形成多層次組網(wǎng)模式[1]。該模式對簇頭使用過度,不適合在偏遠(yuǎn)地段部署。

      (4)扁平組網(wǎng)模式

      扁平組網(wǎng)將所有的節(jié)點(diǎn)設(shè)置為相同的角色,不區(qū)分優(yōu)先級,不考慮匯聚問題,通過節(jié)點(diǎn)間完成信息交互。該組網(wǎng)模式簡單、維護(hù)便捷,設(shè)置方便。

      2.2.3 無線傳感網(wǎng)的通信方式

      無線傳感網(wǎng)的通信分為5 個(gè)層次,包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。物理層通過節(jié)點(diǎn)傳感器采集有效的數(shù)據(jù)信息;數(shù)據(jù)鏈路層完成采集信號的數(shù)據(jù)成幀、幀同步以及對首發(fā)順序的控制;網(wǎng)絡(luò)層完成選址、路由選擇構(gòu)建,與數(shù)據(jù)鏈路層共同協(xié)作;傳輸層負(fù)責(zé)通信傳輸,通過衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到應(yīng)用層;應(yīng)用層面向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供應(yīng)用服務(wù),提供用戶分析判斷的依據(jù),控制節(jié)點(diǎn)傳感器的工作狀態(tài)[2]。

      2.3 無線傳感網(wǎng)的不足

      無線傳感網(wǎng)在重要性日益增長的同時(shí),缺陷也十分突出:(1)容易受地勢地貌、極端氣候、地理磁場等不可抗力干擾造成通信信號中斷;(2)傳感節(jié)點(diǎn)長時(shí)間工作,因電量不足導(dǎo)致采集失??;(3)部署無人看守的區(qū)域,安全性較差,可能受入侵者的物理攻擊和網(wǎng)絡(luò)攻擊。這些缺陷造成管理和維護(hù)的不便。基于仿生網(wǎng)絡(luò)交互的無線傳感網(wǎng)模仿生物的交流特性,對傳感節(jié)點(diǎn)自動檢測與判斷,實(shí)現(xiàn)自修復(fù)和重構(gòu),保證無線傳感網(wǎng)良好運(yùn)行。

      3 仿生交互的無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)研究

      3.1 仿生交互的無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)的設(shè)計(jì)要求

      實(shí)際應(yīng)用中,無線傳感網(wǎng)常部署于無人區(qū)域或惡劣環(huán)境下,因此要多方面考慮。需進(jìn)一步研究無線傳感網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求,應(yīng)在節(jié)點(diǎn)可擴(kuò)展性、安全性、體積等方面上考慮。

      3.2 仿生交互的無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)采用冗余模塊組網(wǎng),由冗余模塊、診斷模塊、工作模塊、電源模塊和微處理器組成。當(dāng)工作模塊出現(xiàn)故障時(shí),工作模塊切換為冗余模塊工作。這種傳統(tǒng)的組網(wǎng)模式需要大量的冗余傳感器,硬件開銷和功耗很大。

      基于仿生交互的無線傳感網(wǎng)與傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)相比增加了可編程門陣列(FPAA),采用可編程門陣列中功能單元替換無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的故障單元。工作狀態(tài)下的微處理器向診斷模塊發(fā)出動作,由診斷電路向診斷單元發(fā)出診斷測試信號并接收故障反饋。若發(fā)現(xiàn)故障,微處理器向故障單元輸出自動修復(fù)信號,I/O 模塊切斷故障單元與無線傳感網(wǎng)的連接并將可編程陣列的功能模塊接入無線傳感網(wǎng)中代替原有的故障單元。工作原理如圖2 所示。

      圖2 基于仿生交互的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

      4 仿生交互的無線傳感網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

      基于仿生交互的無線傳感網(wǎng)采用“模塊獨(dú)立、分層設(shè)計(jì)”以及節(jié)點(diǎn)軟件平臺設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

      4.1 硬件模塊的實(shí)現(xiàn)

      傳感器采集模塊負(fù)責(zé)信號采集和信號傳遞,包含傳感器、運(yùn)放電路和濾波電路。傳感器輔助電路根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)定。

      控制模塊是系統(tǒng)的控制核心,負(fù)責(zé)終端控制、任務(wù)分配和數(shù)據(jù)整合,指令各單元模塊完成自診斷和自修復(fù)。

      動態(tài)重構(gòu)模塊通過仿生交互的方式,進(jìn)行自修復(fù)與重構(gòu),依賴可編程模擬陣列實(shí)現(xiàn)。將放大電路、比較電路等多種模擬電路模塊封裝在一塊芯片中,通過編程來設(shè)定各個(gè)模塊的功能。

      通訊模塊以射頻單元進(jìn)行信號傳遞,使用無線收發(fā)芯片在2.4 GHz 頻段上使用ZigBee 協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信。電源模塊根據(jù)用電單元的需求而設(shè)定,根據(jù)芯片工作電壓的需求,選取電源模塊的工作電壓。

      4.2 軟件模塊的實(shí)現(xiàn)

      數(shù)據(jù)處理模塊主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理,首先采集節(jié)點(diǎn)傳感器的數(shù)據(jù),其次進(jìn)行模擬向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換并存放于寄存器中,最后將數(shù)字信號與設(shè)定的判決閾值作比較。

      在自修復(fù)模塊的硬件設(shè)計(jì)和部署基礎(chǔ)上,進(jìn)行自修復(fù)模塊的軟件系統(tǒng)架構(gòu)搭建。流程為:數(shù)據(jù)采集模塊采集的信號送入故障診斷模塊,故障診斷模塊將數(shù)字信號與設(shè)定閾值作比較。當(dāng)診斷結(jié)果為異常時(shí),微處理器會向FPAA 發(fā)出命令,驅(qū)動程序讀取貯存在外部存儲器的配置文件,然后對FPAA 進(jìn)行配置,完成傳感及其冗余層信號鏈路的重構(gòu)。

      故障診斷模塊用于查找故障位置和分析故障原因。故障診斷程序設(shè)置節(jié)點(diǎn)的自診斷,通過查找故障位置和分析故障原因,模仿生物交互機(jī)能,完成自我修復(fù)。

      以上模塊算法均為自組織的,能完美實(shí)現(xiàn)仿生網(wǎng)絡(luò)交互的傳感組網(wǎng)與原有傳感組網(wǎng)之間的兼容性需要。

      5 仿生交互的無線傳感網(wǎng)的仿真測試與評估

      5.1 功耗測試

      自修復(fù)節(jié)點(diǎn)采用在無外界電源持續(xù)供電時(shí),僅依賴紐扣電池進(jìn)行供電,工作電壓值為3V,電池容量600 mAh。實(shí)驗(yàn)分別對基于仿生交互的無線傳感網(wǎng)和一般的無線傳感網(wǎng)進(jìn)行功耗測試,測試結(jié)果如表1 所示。

      表1 功耗測試結(jié)果

      根據(jù)測試結(jié)果,仿生網(wǎng)絡(luò)交互的傳感組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)功耗比一般傳感組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)功耗更低。仿生交互的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)具有自修復(fù)的作用,有效減少了因節(jié)點(diǎn)被破壞造成的電能的浪費(fèi)。

      5.2 采樣測試

      自修復(fù)節(jié)點(diǎn)的采樣和傳輸速率取決于節(jié)點(diǎn)傳感器的采樣速率以及射頻芯片的傳輸速率。實(shí)驗(yàn)中使用500 mV 的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號作為測試信號,將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,通過射頻通信顯示在終端上。實(shí)驗(yàn)針對500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz 三個(gè)頻率進(jìn)行測試,測試結(jié)果如圖3 所示。

      圖3 頻率測試結(jié)果

      根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果:當(dāng)采樣頻率為500 Hz 時(shí),示波器接收波形失真度較低,正弦波最為平滑,模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果最準(zhǔn)確。

      5.3 傳輸距離測試圖

      無線傳感網(wǎng)通信的傳輸距離與工作環(huán)境息息相關(guān),實(shí)驗(yàn)以500 Hz 的采樣頻率,直流電平為250 mV 的標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓,在室內(nèi)空曠、室內(nèi)障礙、室外空曠3 種工作環(huán)境下進(jìn)行測試。測試結(jié)果如表2 所示。

      表2 工作環(huán)境測試結(jié)果

      根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果:基于仿生交互的無線傳感網(wǎng)在傳輸時(shí)受障礙物的影響,在空曠的室外環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離傳輸,能滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊蟆?/p>

      5.4 性能測試分析

      根據(jù)對功耗、頻率、傳輸距離等性能進(jìn)行測試和評估??梢缘贸觯夯诜律换サ臒o線傳感網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)對故障部分的自修復(fù),精度能夠滿足要求,自修復(fù)功能和時(shí)間與期望值吻合,運(yùn)行情況良好。

      6 結(jié)論

      基于仿生網(wǎng)絡(luò)交互的無線傳感組網(wǎng)采用“軟硬件結(jié)合”的方式,提升了系統(tǒng)的整體性能。在硬件部署的基礎(chǔ)上,通過可編程控制門陣列對無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)功能進(jìn)行定義,即可使無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)具有更強(qiáng)的可擴(kuò)展性,解決了傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)冗余較大、安全性不高的問題。該軟件算法是自組織的,只需在無線傳感組網(wǎng)中增加FPAA 即可,新型網(wǎng)絡(luò)與原無線傳感網(wǎng)絡(luò)能良好兼容?;诜律W(wǎng)絡(luò)交互的無線傳感組網(wǎng)可為當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展多樣性提供重要的支撐,也成為了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)走進(jìn)各行各業(yè)、千家萬戶的一大推動力。

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