多傳感器協(xié)同監(jiān)視通信的應用

馬景利

（天津維迪科技有限公司，天津 300354）

0 引 言

在社會發(fā)展與人民收入水平的不斷提升下，人們的安全意識得到了有效增強，對監(jiān)視系統(tǒng)的重視程度也越來越高，各類民用安全監(jiān)視系統(tǒng)、邊防監(jiān)視系統(tǒng)得到了廣泛應用。傳統(tǒng)單一傳感器由于各種因素的局限，難以滿足全方位監(jiān)視需求。在監(jiān)視系統(tǒng)中應用多傳感器協(xié)同監(jiān)視系統(tǒng)，能夠應用多種傳感器采集、分析信息，并顯著改善發(fā)現(xiàn)性能、目標定位精度和識別能力。具有實時數(shù)據(jù)交換、信息共享和多傳感器的監(jiān)視系統(tǒng)，能夠使監(jiān)視效果變得更準確、立體。

1 多傳感器協(xié)同監(jiān)視系統(tǒng)的框架與通信標準

1.1 多傳感器協(xié)同監(jiān)視系統(tǒng)的框架

基于多傳感器協(xié)同監(jiān)視系統(tǒng)下的傳感器類型多種多樣，但它們具有以下五個顯著特征。第一，容量大。為了滿足協(xié)同監(jiān)視的多節(jié)點、大容量要求，需要在各個監(jiān)視范圍內(nèi)設置相應的傳感器。第二，功耗低。利用以電池為主，光能、風能并存的供電方式，保證傳感器的正常運轉(zhuǎn)，需要增加睡眠功能來延長傳感器的應用時限，降低功耗。第三，低成本。在傳感通信器的應用中，需要保證傳感器的規(guī)模，同時考慮自然情況，降低使用成本。第四，時延小。在目標步入監(jiān)測區(qū)域后，需要及時高效地傳遞信息，而監(jiān)測感應范圍可能只有1～2 m。因此，傳感器監(jiān)控時延需要達到毫秒級。第五，可靠性高。為了提高監(jiān)控的嚴密性，需要保證通信協(xié)議間和數(shù)據(jù)通信的可靠、連續(xù)、安全。

設計時，需要關注如下幾個問題。首先，網(wǎng)絡節(jié)點需要按照規(guī)則劃分群組，在群組中配備Zigbee協(xié)調(diào)器。其次，在協(xié)調(diào)器之間合理配備鏈路，構建多點連接，保證連接的效果，根據(jù)流量控制方式、路由配置選擇網(wǎng)絡控制方式。在多傳感器協(xié)同監(jiān)視通信的應用中，需要采用無線通信覆蓋的方式，在保證有效通信距離和空域覆蓋范圍下，按照監(jiān)視要求合理把控網(wǎng)絡拓撲結構。目前，常見的結構方式是Mesh網(wǎng)或者網(wǎng)狀網(wǎng)，即通過路由、中繼級聯(lián)控制通信，利用Sink節(jié)點采集數(shù)據(jù)，然后對監(jiān)控信息做出系統(tǒng)處理。

1.2 網(wǎng)絡通信標準分析

無線通信技術是保證無線傳感器網(wǎng)絡順利運行的重要標準。不同的廠商配置了與之相符的無線通信技術，設置過程中需要確保技術間的兼容性和互通性。當前，常見的類型有以下幾種。

1.2.1 ZigBee技術

Zigbee技術具有成本低、距離較遠、低功耗的特點，于2001年誕生，時間相對較晚。ZigBee適用在對速率不高、功耗低、距離較遠的無線通信網(wǎng)絡中，具體的工作頻率包括2.4 GHz、915 MHz、868 MHz三個類型，傳輸距離不能超過75 m。相較于WiFi和藍牙，ZigBee技術的安全性更高，目前尚未發(fā)生數(shù)據(jù)泄露問題。

1.2.2 藍牙技術

藍牙技術有悠久的歷史，工作頻率集中在2.4 GHz。一般情況下，藍牙傳輸速率為721 kb/s，通信距離短，不超過10 m，多應用在手機、電腦的通信傳輸中。最初誕生時，藍牙技術的發(fā)展被寄予厚望，但功耗高、協(xié)議復雜，易與WiFi沖突，影響了其推廣應用[1]，目前仍處于初級發(fā)展階段。

1.2.3 WiFi技術

WiFi與藍牙的工作頻率相同，應用了IEEE802.11 a/b/g/n協(xié)議標準。不同的環(huán)境會對其傳輸速率造成影響。具體應用上，可在11 Mb/s、1 Mb/s、5.5 Mb/s、2 Mb/s之間自由切換。

上述三種技術適用的場景不同，如果節(jié)點距離較近，需要優(yōu)先使用藍牙技術；如果節(jié)點距離較遠且對能源供應需求較高，可以應用WiFi；如果節(jié)點距離遠且沒有持續(xù)性能源的供應，可應用ZigBee技術。

2 多傳感器協(xié)同監(jiān)視系統(tǒng)的架構

在主干鏈路的建構上，需要應用無線通信資源、自建光纖等通信設施。如果可用資源不多，可以通過微波通信系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)絡、自架桿線為信息傳遞提供保障性措施。在具體的架構方面，包括有線網(wǎng)絡、無線寬帶網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡等。對于有線網(wǎng)絡，借助光纖、電路，整合與匯聚傳感器網(wǎng)絡中的相關數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至指揮中心進行統(tǒng)籌處理，然后根據(jù)結果對事件做出分析與處理。對于無線寬帶網(wǎng)絡，在自然條件較好的情況下可以建立無線網(wǎng)橋、衛(wèi)星小站，提高通信網(wǎng)絡速率，以此延伸有線網(wǎng)絡。同時，設置傳感器作為路由節(jié)點，對各類信息進行回傳，將下級網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳送至有線網(wǎng)中[2]。對于無線網(wǎng)絡，應選擇低功耗、低速率的網(wǎng)絡。如果監(jiān)控地形復雜，會增加維護和運輸成本，因此可以設置免維護設備，利用風能、光能供電，通過多路由的擴展方式傳遞數(shù)據(jù)。

3 多傳感器網(wǎng)絡路由算法分析

3.1 MAC協(xié)議的應用

基于數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡，在制定路由協(xié)議時需要采用多種方法。為了解決以往存儲資源有限、做工不佳的問題，需要改善內(nèi)存以平衡負載，并將各個節(jié)點用Sink節(jié)點連接，解決節(jié)點故障工作中存在的種種問題。這方面需要應用到介質(zhì)訪問控制MAC協(xié)議[3]。MAC層幀由首部、載荷和幀尾組成，能夠?qū)⒏黝愜浖?、硬件連接起來，在接收到原語命令后，即可進行解析，解析完畢后獲取相關信息。如果收到外部信息，則進行上層傳遞；如果為內(nèi)部信息，則進行下層傳遞。

3.2 TEEN協(xié)議算法的應用

TEEN協(xié)議和傳統(tǒng)LEACH協(xié)議框架大致相同，在此基礎上新增“軟閾值”“硬閾值”。協(xié)議中，除了少數(shù)時間節(jié)點休眠外，其他時間節(jié)點均處于運行狀態(tài)，具有良好的節(jié)能效果。但是，受部分因素影響，還需要在某些層面進行優(yōu)化，增加具體的適用范圍，避免出現(xiàn)能量空洞問題[4]。

當系統(tǒng)中存在能量異構問題時，若采用傳統(tǒng)的簇頭選舉方式，會消耗節(jié)點能量，減少使用壽命。因此，需要針對簇頭算法進行優(yōu)化，具體參考如下的計算方式：

改進后，簇頭算法依據(jù)不再是隨機數(shù)，而是可以根據(jù)節(jié)點能量來優(yōu)化。此外，簇重復覆蓋的改進也是一個重點內(nèi)容。從能量角度來看，簇頭常常會有相近的表現(xiàn)，所以需要合理設置最小距離，具體計算公式如下：

其中，M、n、Popt分別表示網(wǎng)絡區(qū)域邊長、節(jié)點數(shù)量、預先設置好的簇首比例。如果節(jié)點之間的距離較近，需要避免直接發(fā)送數(shù)據(jù)，否則會造成浪費。

4 多傳感器通信體系的結構分析

多傳感器通信體系結構包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層，且各層中間是橫向關系。

物理層。物理層包括調(diào)制類型、探測信號、軟件接口、硬件接口、載波頻率和數(shù)據(jù)加密等參數(shù)。在信道容量恒定的情況下，為了降低信噪比，可以采用增加信道帶寬、調(diào)頻技術和序列擴頻技術等提高系統(tǒng)的抗干擾性[5]。

數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層的功能包括能量、差錯控制等。節(jié)點被激活后，可以對能量做出調(diào)度。在數(shù)據(jù)鏈路層的處理上，需要基于幀格式分析研究MAC子層信道接入技術。幀格式包括信息幀和無編號幀兩種類型，前者能夠滿足傳感器信息的傳送，后者能夠滿足附加鏈路控制工作的要求。在數(shù)據(jù)鏈路層的通信協(xié)議流程上，需要根據(jù)要求建立連接。傳感器單元之間為了順利建立連接，需要發(fā)送標志信號。在主導傳感器之間的連接建立完畢后，即可進行正常交互。在接收方接受狀態(tài)變量、接收信息幀和接收信號相同時，接收狀態(tài)變量會發(fā)生變化。連接斷開主要由發(fā)起方?jīng)Q定。在其他傳感器單元發(fā)起決定時，主導傳感器單元會接到請求，斷開通信。如果為主導傳感器發(fā)起決定，可以直接發(fā)布命令[6]。

網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層是基于WSN作為數(shù)據(jù)中心，通過數(shù)據(jù)融合方法、數(shù)據(jù)路由策略的應用來維持功能，確保傳感器可以處于穩(wěn)定、有效的狀態(tài)。

傳輸層。應用傳輸層能夠控制流量。在多傳感器協(xié)同監(jiān)視通信領域中，對流量和協(xié)議沒有較嚴格的要求。

應用層。應用層包括網(wǎng)絡應用和高級應用兩個方面。在各項服務與應用中，都有與之相符的通信內(nèi)容。

5 結 論

為了提高監(jiān)視準確性，需要確保目標識別和跟蹤效果應用多傳感器協(xié)同監(jiān)視通信，以滿足監(jiān)視要求。本文針對協(xié)同監(jiān)控應用中的任務分配、目標跟蹤、通信協(xié)議等關鍵技術進行研究，只有聯(lián)系多項內(nèi)容，才能共同完成多傳感器網(wǎng)絡化協(xié)同監(jiān)控應用。