月面靈巧探測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

曹素芝，李昌浩，2，王厚鵬，2，孫 雪，2

(1.中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京100094；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

1 引言

月球是離地球最近的唯一天然衛(wèi)星，月球探測(cè)不僅可以了解月球的成因、演化等信息，同時(shí)還為月球中各種稀缺資源的開(kāi)發(fā)提供信息支撐。然而月球高真空、強(qiáng)輻射、晝夜溫差大等特性使得月球探測(cè)具有極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。目前許多國(guó)家和機(jī)構(gòu)都將月球探測(cè)作為深空探測(cè)的第一步，月球探測(cè)活動(dòng)陸續(xù)開(kāi)展。探測(cè)方式從飛越、環(huán)繞、硬著陸逐漸發(fā)展到軟著陸、月面巡視及航天員登月考察等。在這些方式中，對(duì)月球的遠(yuǎn)距離無(wú)接觸探測(cè)無(wú)法獲取實(shí)際樣本參數(shù)，觀測(cè)誤差較大。著陸月球探測(cè)的巡游式、站點(diǎn)式方案還存在覆蓋面積有限、實(shí)施復(fù)雜、部署周期長(zhǎng)等不足。因此需要探索新的低成本、可快速實(shí)施的探測(cè)手段，具備可靈活擴(kuò)展、覆蓋面廣、長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航的探測(cè)能力，使其能夠完成對(duì)探測(cè)盲區(qū)的補(bǔ)漏覆蓋以及對(duì)目標(biāo)區(qū)域的快速應(yīng)急探測(cè)。

無(wú)線傳感網(wǎng)通過(guò)分布在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)獲取最直接、有效、真實(shí)的信息，并通過(guò)無(wú)線自組織的網(wǎng)絡(luò)傳遞信息。無(wú)線傳感網(wǎng)在國(guó)防和軍事、自然環(huán)境感知、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知、采集和傳遞環(huán)境信息的能力已經(jīng)得到充分驗(yàn)證。將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到月面探測(cè)中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)巡游式、站點(diǎn)式探測(cè)的有益補(bǔ)充。

本文結(jié)合無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理念，提出一種高效的月面分布式探測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)。針對(duì)月表環(huán)境特性，設(shè)計(jì)單個(gè)物理探測(cè)節(jié)點(diǎn)，并基于各節(jié)點(diǎn)構(gòu)建分布式與集中式結(jié)合的月面靈巧無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。選取月球南半球面積約1000 km的典型區(qū)域進(jìn)行仿真，并在地面環(huán)境搭建仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，對(duì)分布式通信組網(wǎng)進(jìn)行初步功能與性能測(cè)試。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

月球探測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需考慮月面環(huán)境、檢測(cè)對(duì)象和處理單元等特性。從節(jié)點(diǎn)模型和月面布局著手，依據(jù)數(shù)據(jù)處理流程構(gòu)建探測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框架，總體互聯(lián)關(guān)系如圖1所示。分散在月面的各傳感網(wǎng)絡(luò)組成感知節(jié)點(diǎn)層，實(shí)現(xiàn)智能感知和交互功能，包括信息采集與通信等。網(wǎng)絡(luò)接入層主要實(shí)現(xiàn)信息接入、傳輸和通信，關(guān)注實(shí)現(xiàn)月面探測(cè)網(wǎng)絡(luò)大范圍的覆蓋與信息共享。地月雙向通信層也是數(shù)據(jù)的處理層，完成探測(cè)信息的及時(shí)分析與科學(xué)研究，總體框架如圖2所示。圍繞數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理環(huán)節(jié)分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

圖1 總體互聯(lián)架構(gòu)圖Fig.1 Diagram of the overall interconnection architecture

圖2 月面靈巧探測(cè)系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖Fig.2 Logic structure diagram of the lunar dexterous detection system

2.2 物理層

受月表特殊環(huán)境的影響，尤其是晝夜高溫差對(duì)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的正常工作提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。物理節(jié)點(diǎn)承擔(dān)整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源。

通常，傳統(tǒng)探測(cè)器節(jié)點(diǎn)包括:①處理器模塊，能夠接收數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合；②無(wú)線通信模塊，完成傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信；③傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境的感知，即數(shù)據(jù)采集的功能；④能源模塊，由蓄電池為傳感器節(jié)點(diǎn)各部分提供能源。本文對(duì)月球表面靈巧探測(cè)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，模塊組成及模塊之間的連接如圖3所示。

圖3 探測(cè)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖Fig.3 Diagram of the detector node design

2.2.1 傳感器模塊

傳感器模塊可根據(jù)需求進(jìn)行定制，比如溫度傳感器、輻射傳感器、月壤成分分析傳感器、水資源探測(cè)傳感器、礦物探測(cè)傳感器等，分別檢測(cè)月表溫度、月表紫外線強(qiáng)度，分析月壤成分以及探測(cè)月壤中的水冰成分等。

2.2.2 處理器模塊

處理器模塊的設(shè)計(jì)要求是低功耗、抗輻射、耐高低溫。計(jì)劃使用Cobham公司基于ARM Cortex-M0＋的宇航級(jí)單片機(jī)芯片UT32M0R500。該芯片提供多種電源控制模式，功能模塊可編程的使能和去使能，時(shí)鐘門控、升降頻等措施，為實(shí)現(xiàn)處理器模塊的低功耗和全狀態(tài)能耗優(yōu)化提供基礎(chǔ)和可能。

2.2.3 通信模塊

無(wú)線傳輸方式主要包括藍(lán)牙、WiFi、ZigBee、NB-IoT和LoRa。其中LoRa技術(shù)傳輸速率低，能耗、設(shè)計(jì)難度及制造成本均低于其他技術(shù)，適用于低速率、低功耗的工作場(chǎng)合，因此基于Semtech公司的新一代低功耗LoRa芯片SX1262(長(zhǎng)距)，設(shè)計(jì)了通信模塊，實(shí)現(xiàn)分布式組網(wǎng)通信。

2.2.4 供電模塊

地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)一般采用一次性電池供電，電量不足后可以通過(guò)更換電池實(shí)現(xiàn)持續(xù)工作。對(duì)于月面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)需要設(shè)計(jì)一種新型的無(wú)人干預(yù)的供能手段，使無(wú)線傳感器在長(zhǎng)期無(wú)人監(jiān)測(cè)的環(huán)境下仍能夠正常工作。無(wú)線靈巧傳感節(jié)點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期免干預(yù)工作方式，重要的是利用應(yīng)用環(huán)境條件進(jìn)行續(xù)能和適當(dāng)存儲(chǔ)。目前，在月球和地面許多情形下，靜態(tài)節(jié)點(diǎn)最方便獲取且取之不盡的能源是太陽(yáng)能；同時(shí)根據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)周期性工作特點(diǎn)，以及考慮到通常儲(chǔ)能元件可充電次數(shù)(工作壽命)問(wèn)題，結(jié)合有機(jī)超級(jí)電容和鋰離子電池或石墨烯鋰電池為傳感節(jié)點(diǎn)供電是一個(gè)可行的解決方案。該方案能夠在減少對(duì)鋰電池充電次數(shù)的同時(shí)，提供對(duì)鋰電池過(guò)度放電的保護(hù)措施，以延長(zhǎng)鋰電池的工作壽命，達(dá)到利用太陽(yáng)能提供長(zhǎng)時(shí)間、無(wú)人干預(yù)的供電效果。

2.2.5 防輻射設(shè)計(jì)

傳感器運(yùn)行環(huán)境為月面環(huán)境，可以通過(guò)增加外壁厚度設(shè)計(jì)，以滿足抗輻照設(shè)計(jì)要求。防輻射模塊使用電磁屏蔽體，能夠使內(nèi)部器件免受外界空間電磁場(chǎng)的影響；對(duì)于紫外輻射，一般的解決方法是選擇紫外吸收率很低的涂層。針對(duì)模塊的輻照性能，有效的加固措施是采用Al制外殼。Al的厚度為3 mm時(shí)，10年的輻照總劑量約為910 rad。

2.2.6 熱控設(shè)計(jì)

針對(duì)月球表面的超高溫與超低溫環(huán)境，通過(guò)多層封裝的方式將內(nèi)部溫度環(huán)境與劇烈變化的外部熱環(huán)境隔離，確保靈巧探測(cè)器工作在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。封裝方式如圖4所示。

圖4 靈巧探測(cè)器隔熱設(shè)計(jì)Fig.4 Thermal insulation design of the dexterous detector

多層隔熱材料由高反射率的反射屏和低熱導(dǎo)率的間隔層交替疊合而成，在保溫同時(shí)可提供隔熱效果。隔熱組件利用屏面的反射，對(duì)輻射熱形成較高的熱阻，在真空下具有極好的隔熱性能，其當(dāng)量熱導(dǎo)率理論上可低至5～10 W/(m·K)的量級(jí)。氣凝膠層主要通過(guò)氣凝膠加固保溫隔熱性能，氣凝膠具有優(yōu)異的防/隔熱性能與耐環(huán)境穩(wěn)定性，可承受1000℃以上的高溫。相變材料層利用熔化和凝固過(guò)程吸收和釋放潛熱的原理進(jìn)行溫度維持，適用于月面溫度周期性變化的環(huán)境。

2.2.7 防月塵設(shè)計(jì)

月塵具有粘附性、研磨性和滲透性等特點(diǎn)，可能會(huì)掩埋傳感器節(jié)點(diǎn)，從而對(duì)其太陽(yáng)能發(fā)電和通信等功能產(chǎn)生影響。因此傳感器節(jié)點(diǎn)防月塵設(shè)計(jì)可有效降低月塵危害，如節(jié)點(diǎn)被掩埋造成通信不良，熱控涂層被遮蔽造成散熱功能異常等。

防月塵設(shè)計(jì)主要考慮以下2個(gè)方面:①應(yīng)避免傳感器節(jié)點(diǎn)被月塵掩埋，因此節(jié)點(diǎn)對(duì)月塵的壓強(qiáng)應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量應(yīng)盡量小，且底部的面積應(yīng)盡量大。為了滿足上述要求，需將節(jié)點(diǎn)封裝在一個(gè)半球形密封結(jié)構(gòu)里。半球形具有重心低、底面積大的優(yōu)點(diǎn)，能有效降低壓強(qiáng)，使節(jié)點(diǎn)不會(huì)陷落在月塵里；而且由于月面重力場(chǎng)較弱，節(jié)點(diǎn)也不會(huì)翻倒。另外，密封設(shè)計(jì)隔離了節(jié)點(diǎn)與月塵的接觸。②對(duì)探測(cè)器使用不粘材料進(jìn)行封裝。借鑒荷葉疏水原理，在其表面上增加具有小于月塵特征尺寸紋路的涂層，形成納米級(jí)的針床，能夠有效降低月塵顆粒與功能表面間的接觸面積，減弱月塵對(duì)傳感器表面的附著力，抑制月塵的附著。此外，還可以設(shè)置導(dǎo)電鍍膜，即在功能表面鍍一層超薄導(dǎo)電膜(如氧化銦錫膜)并接地，釋放其表面月塵顆粒的電荷，從而減小月塵的靜電附著力。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。建立適合于月表特殊環(huán)境下的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是研究載人月表靈巧探測(cè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的前提和基礎(chǔ)。首先對(duì)月表真空環(huán)境及探測(cè)需求進(jìn)行分析，通過(guò)分析地面成熟且具有可擴(kuò)展、可移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)的無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，提出面向月表特殊環(huán)境的高可靠月表靈巧探測(cè)網(wǎng)絡(luò)(Reliable Lunar Smart-Sensor Network，R-LSN)架構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)創(chuàng)新性地提出集中式和分布式相結(jié)合的組網(wǎng)方式。

高可靠月表靈巧傳感網(wǎng)絡(luò)如圖5所示，基于對(duì)月表特殊環(huán)境的分析，將其分為2類:適合直接部署移動(dòng)式接入點(diǎn)(Mobile-AP，M-AP)及傳感節(jié)點(diǎn)的類平原地區(qū)和不適合直接部署移動(dòng)式接入點(diǎn)及傳感節(jié)點(diǎn)的月表(如月坑)。結(jié)合這2類月表環(huán)境特點(diǎn)，重點(diǎn)探討如何進(jìn)行地形自適應(yīng)地快速部署月表靈巧探測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

圖5 高可靠月表靈巧傳感網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.5 Diagram of the highly reliable dexterous sensor network on lunar surface

1)針對(duì)類平原地區(qū)，首先建立基于月表飛行器(月球車)的M-AP移動(dòng)便捷部署方案。傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)其所在的范圍，選擇接入具體的M-AP。M-AP節(jié)點(diǎn)根據(jù)其所在位置選擇直接接入月表骨干網(wǎng)絡(luò)還是采用多跳方式通過(guò)其他M-AP接入月表骨干網(wǎng)絡(luò)(如某個(gè)M-AP節(jié)點(diǎn)與月表骨干網(wǎng)絡(luò)距離較遠(yuǎn)或者有月山/月坑等阻隔時(shí))。

2)針對(duì)不適合直接部署M-AP的月坑/月山地區(qū)，月表靈巧探測(cè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行月坑/月山的探測(cè)，自組織網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)通過(guò)路由算法計(jì)算出匯聚節(jié)點(diǎn)(如邊緣節(jié)點(diǎn))，坑內(nèi)/山上的探測(cè)信息通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)皆驴油獾腗-AP，MAP再接入到月表骨干網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于實(shí)在無(wú)法覆蓋的巨大月坑，則采用坑周邊多個(gè)M-AP的聯(lián)合部署方式。

3)若月表骨干網(wǎng)支持，M-AP也可以直接與月球基地實(shí)現(xiàn)通信，兼容不同的體制與模式，以適應(yīng)月表基礎(chǔ)設(shè)施不同條件下的通信需求。

在可靠性方面，本文采用智能冗余備份的架構(gòu)來(lái)提高月表靈巧探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，冗余備份基站、冗余備份傳感器節(jié)點(diǎn)保持睡眠狀態(tài)，在網(wǎng)絡(luò)能夠正常工作時(shí)，不啟動(dòng)備份節(jié)點(diǎn)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，啟動(dòng)備份節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可靠性。網(wǎng)絡(luò)正常工作的節(jié)點(diǎn)具備可以接入備份移動(dòng)式接入點(diǎn)的能力，同時(shí)備份移動(dòng)式接入點(diǎn)也具備與正常工作基站及月表骨干網(wǎng)絡(luò)通信的能力。

在低功耗方面，月表靈巧探測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用異步通信方式，當(dāng)其要發(fā)送的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成后可立即通信，可以降低同步網(wǎng)絡(luò)需要經(jīng)常喚醒的功耗。

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層是監(jiān)控系統(tǒng)頂層處理邏輯的實(shí)現(xiàn)，是響應(yīng)數(shù)據(jù)處理邏輯的最終單元。系統(tǒng)面向不同的物理監(jiān)測(cè)量所采集的信息格式與處理流程各不相同，為保證各數(shù)據(jù)加工的獨(dú)立性與安全性，在月球計(jì)算資源受限的環(huán)境下，應(yīng)用層采用Docker容器技術(shù)封裝各數(shù)據(jù)處理邏輯。Docker容器是一種輕量級(jí)內(nèi)核虛擬化技術(shù)，可通過(guò)namespace和cgroups實(shí)現(xiàn)進(jìn)程與資源的隔離。系統(tǒng)基于容器技術(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的處理邏輯規(guī)模，可有效提高天基資源利用率。

在應(yīng)用層中，處理主要分為解析存儲(chǔ)與異常響應(yīng)兩類。對(duì)月表溫度、磁場(chǎng)、光照等監(jiān)測(cè)對(duì)象，應(yīng)用層解析其通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層傳輸回的數(shù)據(jù)，整理后統(tǒng)一記錄于后端數(shù)據(jù)庫(kù)，為載人探測(cè)與探月選址等提供分析數(shù)據(jù)。選用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，因?yàn)镸ySQL的長(zhǎng)連接方式能夠有效保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。對(duì)于月震，太陽(yáng)風(fēng)等敏感檢測(cè)量，應(yīng)用層實(shí)時(shí)響應(yīng)其動(dòng)態(tài)變化，對(duì)采集的數(shù)據(jù)流作閾值分析，當(dāng)數(shù)據(jù)大于臨界值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信息，并實(shí)時(shí)界面顯示。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與演示系統(tǒng)

為測(cè)試探測(cè)系統(tǒng)的覆蓋性和可用性，搭建了演示系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，并測(cè)試其功能。

3.1 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)

3.1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選用探月工程-數(shù)據(jù)發(fā)布與信息服務(wù)系統(tǒng)提供的嫦娥二號(hào)執(zhí)行月球探測(cè)任務(wù)期間的科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)作為仿真地理環(huán)境建模的數(shù)據(jù)來(lái)源。

利用ENVI軟件對(duì)嫦娥二號(hào)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取分析得到月面各點(diǎn)的海拔情況。經(jīng)過(guò)對(duì)月球DEM南半球圖的大致分析，選取了面積為23 350 m×58 300 m，同時(shí)具有2個(gè)大型月坑與類平原地形的一塊典型區(qū)域作為構(gòu)建月面分布式探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的仿真場(chǎng)景。將M-AP節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的通信半徑、部署間隔及漂移半徑設(shè)定為固定值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experiment parameters /km

本文得到三維地形下的傳感器、M-AP與簇頭節(jié)點(diǎn)的三維分布與二維分布圖，如圖6、圖7所示，其中黑色點(diǎn)為隨機(jī)拋灑的傳感器節(jié)點(diǎn)，紅色點(diǎn)為隨機(jī)拋灑的M-AP節(jié)點(diǎn)，橘色點(diǎn)為中繼傳感器節(jié)點(diǎn)。

圖6 月坑與類平原區(qū)域的傳感器與M-AP的三維圖Fig.6 Three-dimensional diagram of the sensors and M-AP in moon craters and p lain-like areas

圖7 月坑與類平原區(qū)域的傳感器與M-AP的二維圖Fig.7 Two-dimensional diagram of the sensors and M-AP in m oon craters and p lain-like areas

圖8 月面?zhèn)鞲衅鞯挠行Чぷ骶嚯xFig.8 Effective working distance of lunar surface sensor

3.1.2 傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋率

基于Matlab得到月面?zhèn)鞲衅饔行Чぷ骶嚯x的3D立體模型，如圖8所示。根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)周邊傳感器覆蓋個(gè)數(shù)，可得傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋率。

依據(jù)傳感器覆蓋范圍，對(duì)M-AP節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與覆蓋傳感器比例的關(guān)系進(jìn)行仿真，M-AP節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與覆蓋率關(guān)系曲線如圖9所示。仿真結(jié)果表明，當(dāng)M-AP節(jié)點(diǎn)數(shù)超過(guò)46時(shí)，覆蓋率能夠達(dá)到100%，總趨勢(shì)呈大致線性上升。

圖9 M-AP節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與覆蓋率關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curve between the num ber of MAP nodes and coverage

3.2 演示系統(tǒng)

地面演示驗(yàn)證系統(tǒng)架構(gòu)如圖10所示。探測(cè)節(jié)點(diǎn)集成后如圖11所示，形成以樹(shù)莓派為處理單元，集成數(shù)據(jù)采集與傳輸功能的探測(cè)器節(jié)點(diǎn)。探測(cè)器節(jié)點(diǎn)用于接收傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，探測(cè)器節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)后通過(guò)LoRa局域網(wǎng)傳輸至簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)匯聚各探測(cè)器節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)Socket將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端。PC將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)演示節(jié)點(diǎn)展示給用戶。

為了驗(yàn)證當(dāng)前地面演示驗(yàn)證系統(tǒng)是否能正常工作，測(cè)試并獲取了空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、振動(dòng)頻率等數(shù)據(jù)，測(cè)試記錄如表2所示。其中空氣溫濕度，土壤濕度測(cè)量均正確。期間通過(guò)改變傳感器明暗程度收到了相應(yīng)光照強(qiáng)度測(cè)量值。此外，實(shí)驗(yàn)中使用振動(dòng)傳感器，通過(guò)連續(xù)一段時(shí)間的檢測(cè)給出此時(shí)振動(dòng)概率。時(shí)間戳即為記錄數(shù)據(jù)獲取時(shí)間。這里基于實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境，先將每臺(tái)機(jī)器時(shí)間同步，檢測(cè)當(dāng)前地面演示驗(yàn)證系統(tǒng)從采集數(shù)據(jù)到PC端成功接收數(shù)據(jù)的時(shí)延、成功次數(shù)，并在不同的距離下進(jìn)行了測(cè)試，5 min內(nèi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。結(jié)果表明該演示系統(tǒng)在一定距離內(nèi)的傳輸性能波動(dòng)不大，較為穩(wěn)定。

圖10 地面演示驗(yàn)證系統(tǒng)Fig.10 Ground demonstration and verification system

圖11 傳感器、LoRa通信及匯聚處理實(shí)物圖Fig.11 Photos of sensor，LoRa communication and convergence processing

表2 環(huán)境數(shù)據(jù)測(cè)試記錄表Table 2 Test recording table of environm ental data

表3 傳輸時(shí)延統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistics of transm ission delay

4 結(jié)論

針對(duì)月表高真空、強(qiáng)輻射、晝夜溫差大等特性，本文設(shè)計(jì)了月面分布式組網(wǎng)及激光回傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提出了一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的物理、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用3層結(jié)構(gòu)組成的月面靈巧探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以低功耗探測(cè)器為節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建月面探測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)Docker容器技術(shù)封裝上層信息處理流程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該探測(cè)系統(tǒng)可有效覆蓋月面探測(cè)區(qū)域，并正確響應(yīng)數(shù)據(jù)檢測(cè)流程。

月面分布式組網(wǎng)探測(cè)是站點(diǎn)式、巡游式探測(cè)的有效補(bǔ)充，可以大大提高探測(cè)效率與覆蓋率，本文提出的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方案，經(jīng)仿真驗(yàn)證具有良好的效果，為月面探測(cè)提供了可借鑒的技術(shù)路線。面向未來(lái)的月面應(yīng)用，還需不斷關(guān)注高可靠、低功耗的探測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)以及彈性靈活抗毀的月面分布式組網(wǎng)技術(shù)研究，為后續(xù)工程實(shí)施奠定基礎(chǔ)。