基于数据融合的通信机房环境监控无线传感网络设计与实现,通信工程论文

1 绪论

1.1 研究背景及意义
建设信息化军队，打赢信息化战争，是时代赋予我军的历史使命。在信息化建设中，边防部队地位特殊。由于地缘政治和意识形态等诸多原因，长期以来，我国周边环境复杂多变，形势严峻。边防安全事关国家安危，利害攸关，因此边防通信安全显得非常重要。在边防部队通信指挥链路中，通信机房（站点）处于核心位置，起作枢纽和桥梁的作用，要求通信机房（站点）内所有设备必须时时刻刻保持正常运转，一旦因为温度、湿度、水浸、雷击等环境因素或人为破坏造成某台设备出现故障，对数据传输、存储及系统运行构成严重威胁，影响部队指挥系统安全可靠运行。如果不能及时处理，有可能损坏硬件设备，导致系统崩溃，若在战时，更有可能造成不可估量的损失。因此，边防部队机房（站点）环境监控显得重要而迫切。但是从现阶段情况来看，由于我国边境线长、环境复杂，边防部队中大多数的通信机房（站点）深处人迹罕至的高寒高海拔地区，环境监控实现起来比较困难。即使条件稍好的站点，也主要采用人工监控和有线监控两种传统监控方法。传统的人工监控方式费时费力，而且长期值守在机房，尤其是在电台发射功率较大的机房，会遭受很强的电磁辐射，影响身体健康；而有线监控面临着系统庞大、布线复杂、成本高昂、准确性稳定性较差、维护更新升级困难等问题。此时，无线传感器网络技术的诞生给它带来了一场全新的革命。通过在边防通信机房（站点）监控区域内有针对性地部署具备感知能力、计算能力和通信能力的传感器节点，构成自组织的网络系统，利用无线方式发送到监控终端，实现对机房环境参数和设备状态的监测和控制，不仅能够提供一个稳定可靠、高效方便、舒适安全的机房环境，为边防部队通信指挥系统安全稳定运行提供可靠保证，而且大大节约了人力和物力。
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1.2 国内外研究现状
无线传感器网络具有以下主要特点[3-5]：
① 自组织：网络的建立与节点间通信通过分布式网络协议实现自动组网、自动调整，以适应节点的加入、退出、移动、电量剩余和无线传输范围的变化等。
② 高冗余：网络可能包含成千上万个节点，，通常具有较高的节点冗余、网络链路冗余和采集数据冗余。因此，在数据传输过程中，通常要求中间节点能将来自多个传感器的相关数据进行融合，再传送给处理中心。
③ 节点能力有限：由于传感器节点体积小、低成本、低能耗、野外部署等要求，其在供电、计算、存储、通信等方面的能力受限。
④ 拓扑易变化：由于剩余电量下降、功率控制以及应用需要等因素，使有些节点可能进入休眠状态，引起网络工作节点在数目和分布上的变化，导致拓扑改变。
⑤ 流量不均衡：传感器网络中，数据流向处理中心并在处理中心集中，会出现离处理中心越近，节点负载越重的现象，导致流向处理中心的数据量往往远大于反方向的数据量。
⑥ 空间位置寻址：节点不必具有全球惟一的标识，不必采用 Internet 的 IP 寻址。用户只关心数据所属的空间位置而不关心数据采集于哪一个节点，因此可采取空间位置寻址方式。
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2 数据融合技术

2.1 数据融合技术概念
数据融合技术又被常称为多传感器数据融合技术或信息融合技术，其主要原理是运用计算机依据特定的融合准则，对按时序获得的若干观测数据信息进行自动分析和综合整理，用以完成所需决策和评估任务的信息处理。数据融合技术以多传感器网络为基础，以多源信息为处理对象，以多传感器协调优化和多源信息融合处理为核心[23]。在无线传感器网络中，数据融合技术的应用能有效地提高网络数据传输效率，并能有效实现降低能耗和延长网络生存周期，不具备数据融合功能和具有数据融合功能的 WSN 数据传输原理如图 2.1 和 2.2 所示。数据融合技术的应用最早便起源的军事技术的发展。在战场环境中布置大量传感器，这些传感器采集了大量的实时数据信息，如何对这些数据进行有效的分析、过滤和综合等多方面处理，从而辅助人们对战场环境做出及时、完整而又科学的态势评估显得尤为重要。数据融合能有效的解决以上难题，这对于高精度获取战场的实时动态和威胁实时评估，制并战术布置，完成战略辅助决策和对作战不对的有效指挥控制具有重要作用[24]。随着无线传感器网络的不断发展，数据融合技术在无线传感器网络中的运用也得到了迅速发展。无限传感器网络中，采用数据融合技术由中间节点对将来自多个传感器数据进行融合处理，然后将融合后的数据信息传送于汇聚节点。由于传感器节点数据处理和存储锁消耗的能量远小于无限通信所消耗的能量[25]，因此虽然数据融合技术增加了中间节点的计算量，但同时也通过除去数据冗余降低无线传输的数据量，实现了延长网络寿命的目的。
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2.2 数据融合技术的意义和作用
数据融合技术是无线传感器网络中用以减少能耗的关键技术。数据融合能有效去除节点采集数据的冗余，从而减少网络通信量，提高能源的利用效率。实验研究表明，无线传感器网络中节点用于信息传输所消耗的能量明显高于执行命令所需的能量，可以近似量化为 1Bytes 数据传输一百米距离消耗的能量近似等于执行 4000 此计算所消耗的能量[26]。故在满足实际需求的前提下最大限度地减小信息的传输量，减少冗余信息，对于减少无限传感器网络的能量消耗、延长网络生存周期有着重要的作用。在无线传感器网络中，传感器节点高度分布和节点间协作感知等特性导致相邻节点采集到的数据信息具有显著的相似性，此外在实际应用环境中，用户通常只需要网络感知结果，并没有大量原始数据的接收或保留需求。因此在无线传感器网络中，人们常将每个节点的数据进行有效处理，删除相似数据，减少数据传输量，使网络中传输的数据简洁且准确，这种数据信息处理方式即为数据融合。
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3 基于数据融合树的路由协议 ........19
3.1 引言 ........19
3.2 无线传感器网络中的数据收集与路由协议........19
3.3 基于数据融合树的路由协议 ........24
3.3.1 定义 ........25
3.3.2 传统的基于融合树的数据融合路由协议 ........26
3.3.3 改进的基于数据融合树的路由协议 ........28
3.4 算法性能分析........32
3.5 本章小结 ........35
4 系统硬件设计 ........37
4.1 总体设计方案........37
4.2 节点设计 ........ 40
4.3 网关设计 ........43
4.4 CAN 总线设计........46
4.5 本章小结 ........48
5 系统软件设计与实现 ........49
5.1 监控平台设计 ........49
5.2 监控平台实现 ........50
5.3 现场测试与分析 ........ 54
5.4 本章小结 ........58

5 系统软件设计与实现

5.1 监控平台设计
本网络监控平台能够实时的给用户提供网络的拓扑状态信息以及传感数据信息，便于用户更好地监控网络状态，及时的获取感知数据。这一平台具体包含以下六个功能模块：网络拓扑图绘制模块、网络及节点参数重构模块、可定制化节点参数信息显示模块、数据日志存储模块、控制台模块以及传感数据实时曲线图绘制模块，如图 5.1 所示。包含上述六大功能模块的监控平台系统的框架结构如图 5.2 所示，它主要包括传感器节点端和服务器端。其中，传感器节点端又包括汇聚节点和远程节点，它们主要负责信息的采集与发送，另外，它们还需对服务器端发送过来的配置请求信息加以处理。而服务器端是本系统提供给用户的服务前台，它给用户提供的复杂可视化接口主要实现以下四个功能：① 网络拓扑的实时显示；② 实时传感数据曲线图的绘制；③ 读入数据的日志存储；④ 向节点发送配置命令。

总结

本文主要针对边防通信机房（站点）现实环境监控中存在的诸多问题，利用无线传感器网络技术，综合分析了数据融合算法，提出采用一种基于数据融合树的路由协议方法来有效解决无线传感器网络体系中存在的能量和效率弊端。最后在此理论基础上，对基于数据融合算法的通信机房无线传感网络监控系统进行了软硬件设计，并通过模拟仿真、现场测试、数据分析等方法，验证了提出采用的算法切实可行有效。主要工作如下：
① 对无线传感器网络和数据融合技术的概念、特征、体系结构及基本理论进行了详细阐述。
② 对基于数据融合树的路由协议进行了研究。借助联合博弈的思想，详细分析了基于数据融合树的能量感知生成树路由协议算法，并在此基础上进行了优化。通过模型分析和仿真测试表明优化后的算法有可接受的误差范围，能较好地减少能量消耗，延长网络寿命。
③ 设计基于无线传感器网络的边防通信机房（站点）环境监控软硬件系统。根据边防通信机房（站点）环境监控需求，设计构建了由 30 个传感器节点、中继节点和网关节点组成的无线传感器网络原型系统。传感器节点实现对温度、湿度、二氧化碳浓度和光照强度的感知采集，通过 CAN 总线连接进行数据传输。底层TI 星型网络与服务器进行对接，实现嵌入式网关功能，对采集的数据实现实时查询与展示。
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参考文献（略）