无线传感器网络的应用研究.doc

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1、1武警部队监控平台架构介绍与设计1.1监控系统的系统结构基站监控系统的结构组成如上图所示，主要由三个大的部分构成，分别是监控中心、监控站点、监控单元。整个系统从资金、功能以及方便维护性出发，我们采用了干点加节点方式的监控方法。监控中心（SC）：SC的定义是指整个系统的中心枢纽点，控制整个分监控站，主要的功能是起管理作用和数据处理作用。一般只在市级包括（地、州）设置相应的监控中心，位置一般在武警部队的交换中心机房内或者指挥中心大楼内。区域监控中心（SS）：又称分点监控站，主要是分散在各个更低等级的区县，主要功能是监控自己所负责辖区的所有基站。对于固话网络，区域监控中心的管辖范围为一个县/区；移动

2、通信网络由于其组网不同于固话本地网，则相对弱化了这一级。区域监控中心SS的机房内的设备配置与SC的差不多，但是不同的是功能不同以及SS的等级低于SC,SS的功能主要是维护设备和监控。监控单元（SU）：是整个监控系统中等级最低的单元了，它的功能就是监控并且起供电，传输等等作用，主要由SM和其他供电设备由若干监控模块、辅助设备构成。SU侧集成有无线传感网络微设备，比如定位设备或者光感，温感设备等等。监控模块（SM）：SM是监控单元的组成部分之一，主要作用监控信息的采集功能以及传输，提供相应的通信接口，完成相关信息的上传于接收。2监控系统的分级管理结构及监控中心功能基站监控系统的组网分级如果从管理上

3、来看，主要采用两级结构：CSC集中监控中心和现场监控单元。CSC主要设置在运营商的枢纽大楼，主要功能为数据处理，管理远程监控单元，对告警信息进行分类统计，可实现告警查询和存储的功能。一般管理员可以在CSC实现中心调度的功能，并将告警信息进行分发。而FSU一般针对具体的某一个基站，具体作用于如何采集数据参数并进行传输。CSC集中监控中心的需要对FSU采集的数据参数进行报表统计和分析，自动生产图表并为我们的客户提供直观，方便的可视化操作，为维护工作提供依据，维护管理者可以根据大量的分析数据和报表进行快速反应，以最快的速度发现网络的故障点和优先处理点，将人力资源使用在刀刃上。监控中心CSC系统的功能

4、中，还有维护管理类，具体描述如下：1）实时报警功能该系统的报警功能是指发现机房里的各种故障后，通过声音，短信，主界面显示的方式及时的上报给操作者。当机房内的动力环境，空调，烟感，人体红外等等发生变量后，这些数据通过基站监控终端上传到BTS再到BSC。最后由数据库进行分类整理后存储到SQLSEVRER2000中。下面介绍主要的几种报警方式：2)声音报警基站发生告警后，系统采集后，会用声卡对不一样的告警类别发出对应的语音提示。比如：声音的设置有几种，主要是以鸣叫的长短来区分的。为便于引起现场维护人员的重视紧急告警可设置为长鸣，不重要的告警故障设置为短鸣。这样一来可以用声音区分故障的等级，比方某地市

5、的中心交换机房内相关告警声音设置，它的开关电源柜当平均电流达到40AH的时候，提示声音设置为长鸣，并立即发生短信告警工单。如果在夜晚机房无人值守的情况下：设置为0:00-6：00出现电流告警的时候，将发出声音提示。并且当前情况下可设置声音提示的类别。3)短信报警作为声音报警的补充形式，短信报警。在人员外出的情况下，报警可以以短信的情况进行发送到相关负责人手机上。监控中心可以进行相关功能设置。该功能便于了解基站的状态变化。4)主界面可视化图标的颜色变化按红黄绿进行可视化图标的设置，基站发生报警相关图表变成红色，报警解除恢复正常，则图标变为绿色(正常状态，默认)。若基站的监控变量不能被监控，则呈黄

6、色，表示与网络断开连接。(2)系统加密功能由于监控系统监控的对象很多是存在安全等级比较高，并且采集的数据也是非常机密的，所以本系统有独有的保密加密功能。主要方式为：登录系统时必须使用相应权限的用户名和密码，并且配有随机认证码，有效防止了外来人员恶意登录窃取监控信息或者基站信息。并且对备案的监控数据进行加密防止被销毁。(3)数据及时上传功能监控器采集的数据如动力环境或者视频数据，可以及时上传至云端数据库进行保存，这里应用的是Client/Server数据库，由本地数据端收集数据后进行传输至中心SQL。(4)强大的检索和数据统计功能系统设置有专门的检索和统计窗口，便于操作者进行查询历史告警。可以进

7、行查询条件的详细设置，包括查询时间范围，告警类型，告警开始时间，恢复时间等等。并且还可以按照动力环境，空调油机，主体设备进行分类查询统计告警。便于进行总体故障分析。(5)报表格式输出功能为方便操作者对告警数据进行整理和备份，该系统有表格输出功能。可以在功能条中选择以表格为*.xls形式的告警文件进行批量生产。这样便于操作者进行故障档案建立，以及对同类型故障进行筛选。3图像采集设计本文还开发了图像采集功能，是利用了现有3G无线网络传输的高速性能，是为了更好的帮助武警人员在反恐或者执行任务的过程中，对现场的情况进行全方面的采集，不仅仅只限于定位信息。该功能的设定了更多的采集相应的视频信息和助于后台

8、指挥中心了解具体现场执行任务实际情况，并有效的做出策略，俗话说知己知彼，方能百战不殆，这也是我们设计该功能的一个初衷。我们在武警人员的衣服上安装了高像素视频摄像头，它的作用是用于图像采集。图像采集流程下图所示。首先第一步是打开设备文件，设备的工作状态，基本信息，参数等等将传送至处理芯片。第二步当芯片判定设备正常后，表示设备已经待命可以进行工作。第三步取得图像属性。第四步为初始化。第五步开始采集图像，包括采集图像的方位，像素，角度，色差等等。并将图像进行记录上传。最后一步采集完图像后关闭设备。图像采集处理设计流程图武警部队监控平台多级系统组网图的多级组网便于监控基站数量较多的密集型网络，按照区域

9、监控中心和集中监控中心的设置原则进行设置后，统一合理规划。集中监控中心可根据运营商的整体网络结构来进行设置，可以配置在省级单位或者地市。而区域监控中心设置在区县。CSC负责对LSC进行管理和监控。而LSC对FSU的工作情况进行监控。(1)LSC区域监控中心的组成以及功能描述组成：它的软件平台以微软平台为主，可以兼容Lniux操作系统。支持多种语言以中文英文为主。亲和、友好的操作方式。硬件方面主要有监控主机，配置较高的PC等等。功能描述：LSC其主要的工作是对分布在具体点位的FSU进行管理，对其采集的信息和现场数据进行接收，并备份FSU的所有数据资料。另外一个功能就是LSC作为CSC与FSU的中

10、转点，如果集中监控中心有任何指令都会通过LSC进行下发，并且FSU的工单回复也会相应的上传LSC点上。(2)FSU监控单元的组成以及功能描述FSU组成FSU监控单元的组成由各类传感器、电源供应模块，各种辅助型模块、通信线缆等等FSU的功能描述主要功能是设置在具体的应用场景内，并用来采集各类信号参数、以及数据。并依靠其中的模块对采集的数据进行判断、并对超过门限值得发出告警。并接收LSC的下发的各种指令，以及上传采集的数据信息等等。(3)CSC的组成以及功能描述CSC组成CSC的硬件组成由LED监控大屏、路由器、电脑。软件组成为微软操作平台。CSC的功能描述功能：主要对区域监控中心进行监控和管理。

11、无线传感器网络概述1 无线网络技术的分类WSN 可以根据节点是否移动及该节点的类型分为以下几类： （1）锚节点固定不动,未知节点移动。这种情况下的网络中，锚节点已事先人为的部署在网络监测区域内特定的位置。其位置坐标算是已知。而其它移动的节点均为未知节点。 每当定位时刻到来时，未知节点通过接收能够感知到的锚节点传来的 beacon 信息，利用一定的定位算法即可实现对节点当前时刻的位置定位。需要注意的是，当节点密度比较大的时候，未知节点在无线通信时，相互之间会有干扰，导致数据传输延迟。（2）锚节点移动, 未知节点固定不动。 这种情况下的网络中，未知节点通常是由炮弹发射或飞机投掷随机抛撒在需要监控的

12、区域中。而锚节点的位置已通过某种其他手段（如 GPS）获知。（3）锚节点和未知节点都在移动。 顾名思义，这种网络中的所有节点都在时刻运动。未知节点在定位时刻获得的锚节点信息越多，定位结果越准确。所以，未知节点和锚节点都运动的情况下，在定位周期内未知节点能够获得的锚节点信息增多，定位结果就越准确。2 无线传感器网络系统概述传感器通过捕获和揭示现实世界的物理现象，并将其转换成一种可以处理、存储和执行的形式，从而将物理世界和数字世界连接了起来。传感器已经集成到众多设备、机器和环境当中，产生了巨大的社会效益。它们可以协助基础设施避免灾难性的故障，保护宝贵的自然资源，提高生产效率，增强安全性，还能开发出

13、一些新的应用。无线传感网络集成了监测、控制处理以及无线通信等功能，与传统无线自组网络相比，它是一种以数据为中心、自组织、具有动态拓扑的大规模、高密度的节点能力受限的网络。传感器能把物理世界中的能量转化为可以传输到计算系统或控制器的电能。和合作，对网络中的需要监测和跟踪的物体的各种信息进行实时采集和更新，最后将信息发送到地面的监控中心。典型的无线传感器网络由分布式的传感器节点、基站、上位机和用户界面构成，如图2.1所示。传感器节点把采集好的信息通过无线传输发回给基站，基站将数据传输给上位机，上位机处理完后显示在用户界面上。图2-1无线传感器网络结构图 在WSN中，各个传感器节点的功能各有不同。简

14、单的传感器节点只能采集和传输数据，而功能更强大的节点还能进行数据的汇聚和处理，这些节点在网络中扮演了更重要的角色。有些设备还需要其它一些技术的支撑，例如GPS接收器它可以准确确定自身位置，然而随之而来的就是需要消耗更多的能量来支撑这种功能，这种方法低成本低功耗的传感器节点是不可采纳的。3 无线传感器网络体系结构 1997年著名的802.11系列标准被提出，该标准是移动设备最为广泛使用的无线网络通信技术。它有2.4GHz、5GHz等不同的使用频段。但是低功耗的无线传感器网络并不适合使用这种协议头部耗能的通信协议标准，这就使得各种通信标准的研究和开发得以促进，从而可以更好地满足网络中低功耗、低数据

15、传输速率的要求，而IEEE802.15.4协议就是一种专为短距离通信设计的协议标准，适用于无线传感网络。 当网络中的所有传感器节点的通信范围足够大，而且节点能够向基站直接发送数据，就可以形成星形网络拓扑，如图2.2左侧所示，在这种网络拓扑中，节点都是以单跳的方式与基站直接建立通信。然而，WSN通常覆盖区域广阔，为节省能量，发送功率应保持在最小值，因此，在WSN中，更多采用多跳路由的通信方式，如2.2右图所示。 图2-2无线传感器网络通信结构的一般形式无线传感器网络在武警部队执行特殊任务的现场感知中作用 在武警部队执行特殊任务的的过程中，由于场地环境较为复杂，这对于网络的信息传输要求是非常高的，

16、而信息感知及其传送是进行场外指挥调度的基础。由于武警部队执行特殊任务的过程中，场外情况是十分复杂的，这就要求无线传感器网络就有较好的稳定性，同时信息传输能力要求，能够进行快速、准确的定位。而实践已经证明，通过实施的现场感知地形地貌、气象参数和在场人员武器装备，同时对人员快速地位，实现信息的快速传输，就能快速作出反应。比如在一个封闭的民房内，有恐怖份子挟持了人质活动，他们手持武器，而通过无线传感器网络就能了解恐怖份子的数量，武器装备、分布，同时对室内摆设、温度等情况有一个充分的了解，这就为人质的营救方案提供了有力的参考，同时，在营救方案执行过程中，能够多执行情况实施传输了指挥部，为方案的调整提供

17、了参考。无线传感器网络有很好的隐蔽性，对于移动无线传感器网络来说，他在武警部队执行特殊任务的现场感知中有很好的作用，因此对无线传感器网络在武警部队执行特殊任务中的研究就显得很有必要。1节点 在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都由数据采集、数据处理、数据传输和电源4部分组成。对于WSN中的每个节点来说，其计算、通信、存储能力及自身携带的能量都十分有限。然而，可作为微型嵌入式系统的每个节点，同时具备一般网络节点的终端和路由两种功能,即不仅可以对本地的信息进行处理还可以转发由其他节点发送过来的数据信息，并与其他节点互相协同工作完成任务。汇聚节点是WSN中比较特殊的一类节点。它作为一条

18、纽带将WSN与Internet等外网紧密地联系在一起。完成网络与网络之间通信协议的转换。同时还具有收集网内数据转发至外网及发布检测任务的功能。总的来说，汇聚节点在数据处理、存储、通信及能量等各方面要比一般节点强。2网络体系结构在传感器网络中，传感器节点通常以随机的方式大量部署在待监测区域内,通过自组织的方式与周围的传感器节点进行通信。传感器节点可能是静止的，也可能是移动的,实时对监测区域内感知对象的数据信息进行采集,并通过路由协议把所采集到的数据传送到汇聚节点,最后通过卫星或者Internet传送到远程用户端,实现信息的传输与交互。远程用户通过任务管理节点对WSN进行相关配置和管理，具体可如图

19、2所示。3无线传感器网络的关键技术WSN需要考虑能耗和成本，WSN需要研究的内容可以分成3个层次，WSN关键技术间的逻辑关系如图3所示。WSN关键技术间的逻辑关系（1）网络协议。网络协议的主要任务是使传感器网络中的各个节点形成一个多跳的数据传输网络。然而，针对WSN所设计的协议与传统网络不同，它不能过于复杂。原因在于传感器节点在各方面资源（如通信能力、电能等）的有限性，使其一般获得的只是网络的局部结构信息。目前，重点研究的是网络的路由协议和数据链路层协议。（2）时间同步。传感器网络中节点的本地时钟一般是依靠廉价的晶体振震荡器通过中断计数实现，它是网络系统协同工作的关键机制之一。无线传感器网络的

20、一些固有特征（如能量、计算及存储的限制）使得传统的时间同步算法已经无法适用。目前，提出的适用于WSN的时间同步算法主要有TPSN（Timing-syncprotocolforsensornetwork）、Tiny/Mini-Sy和RBS（Referencebroadcastsynchronization）等。（3）定位技术。定位技术是无线传感器网络最基本的功能之一。在大多数情况下都需要知道所获取的监测数据来自于何处，即传感器节点的位置。位置信息不但能给用户提供数据产生或事件发生的具体地点外，而且对目标预测、监测任务的发布、协助路由等具有十分重要的意义。现阶段，针对移动WSN的定位算法主要是基于

21、统计方法的定位算法，即基于序贯蒙特卡罗(SequentialMonteCarlo,SMC)的定位算法及其改进算法。改进算法主要有MCB、MMCL、MSL*、MSL等。（4）网络拓扑控制。无线传感器网络是一种自组织网络，它在相关协议地运行下，可通过拓扑控制自动地组建良好的网络拓扑结构，进而提高了路由协议和MAC协议的效率，减少了节点能量的消耗，延长了网络生存周期。（5）网络安全。作为一种任务型网络，WSN要进行数据采集、数据传送及融合等任务。所以，传感器网络需要提供如完整性认证、安全管理、认证广播和机密性认证等4无线传感器网络在执行特殊任务现场感知中的运用近些年随着对无线传感器网络研究的不断深入

22、,现阶段研究重点侧重于散布在监控范围内的具有移动性的节点。这种网络也称为移动WSN。而这种网络结构可能随时发生变化的情形比之前节点固定不动的网络更常见与实际生活。所以，有必要对其升入研究。在移动WSN中，移动节点与其它节点协作完成指定任务。每个传感器节点均具有计算处理和感知能力。且在移动无线传感器网络中,节点之间以无线通信方式传送信息,把感知、收集和处理监测到的数据信息,传送给汇聚节点,最终再通过借助无线信道把数据传送给用户中心，实行统一处理。无线传感器网络的特点适合于执行特殊任务现场感知，首先无线传感器网络是一个自组织网络。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布

23、式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络，满足了战斗中提出的快速反应和灵活机动的原则。其次无线传感器网络节点数量众多，分布密集，为了对一个区域执行检测任务，往往成千上万传感器节点以空投等方式投洒到该区域，同时利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。再则无线传感器网络节点是一个集感知、处理和传输于一体的综合系统，通过微机电技术可以使节点微型化，从而具有更好的侦察和防破坏能力，可更好的适用于各种危险情况。结论本文对无线传感器网络在军事上的应用进行了探析，可以看到无线传感器网络在军事上应用存在许多优势，但受现阶段技术发展制约，还有很多关键问题亟待解决。相信随着技术的进一步发展，无线传感器网络一定能在信息化战争中发挥重要作用。武警部队执行特殊任务还涉及到很多方面信息的获取，例如对犯罪分子的定位就是个很重要的课题，如何运用无线传感器网络所采集的信息，通过某种算法对犯罪分子进行准确的定位，这个问题还有待进一步的研究。次是传感器节点的可靠性以及具体的封装形式等都需要进行下一步的研究，有效的封装形式可以达到隐蔽效果，防止犯罪分子对节点的破坏，保证任务的顺利完成。