無線傳感網絡中的信號分離提純模塊的設計與實現

曹玉梅+李建榮

摘 要： 在無線傳感網絡中，信號的類型多種多樣并相互混合，為無線傳感網絡的信號分離工作帶來了挑戰。因此，設計無線傳感網絡信號分離提純模塊，對無線傳感器網絡節點、信號分離平臺和信號提純平臺進行設計。無線傳感器網絡節點利用6700K處理器進行無線傳感網絡信號的采集和管理。信號分離平臺構建運動坐標系和BP神經網絡模型，將無線傳感網絡信號準確分離并傳輸到信號提純平臺。信號提純平臺將信號中多余參數和編碼除去，以縮減模塊能耗、提高模塊準確度。模塊實現部分給出了模塊的功能圖，以及信號提純平臺基站中BOA服務器的工作流程圖。經實驗證明，所構建的模塊擁有準確度高、能耗小的特點。

關鍵詞： 無線傳感網絡； 信號提純； 分離提純模塊； BOA服務器

中圖分類號： TN711?34； TN929.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0082?04

Design and implementation of signal separation and purification module

in wireless sensor network

CAO Yumei1， LI Jianrong2

（1. School of Electronic and Information Engineering， Shangqiu College， Shangqiu 476000， China；

2. Software College， Henan Institute of Animal Husbandry Economy， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： In wireless sensor networks， the type of signal is various and mixed each other， which brings about a challenge for signal separation of the wireless sensor network （WSN）. Therefore， the WSN signal separation purification module， WSN node， signals separation platform and purification platform were designed. The 6700K processor is used for the WSN node to collect and manage the WSN signals. A motion coordinate system and BP neural network model were established for the signal separation platform to separate the wireless sensor network signals accurately and transmit it to the signal purification platform. The signal purification platform gets rid of excess signal parameters and codes to reduce the module energy consumption and improve module accuracy. A module function diagram and the work flow chart of BOA server in signal purification platform base station are given in the module implementation paragraph. The experiment result proves that the module has the characteristics of high accuracy， low energy consumption.

Keywords： wireless sensor network； signal purification； separation and purification module； BOA server

0 引 言

在無線傳感網絡被廣泛應用的當今社會，各科研組織開始爭先挑戰無線傳感網絡信號的分離提純工作 [1?3]。在無線傳感網絡中，信號的類型多種多樣并相互混合，該何時、何地、用何種方式將其分離提純，是科研組織研究的重點內容[4?6]。曾研究出的無線傳感網絡信號分離提純模塊均不成熟，有價值的成果較少，這使得無線傳感網絡信號分離提純模塊的構建工作更為迫切。各科研組織曾研究出的無線傳感網絡信號分離提純模塊均具有一定的局限性。如文獻[7]構建基于H?J算法的無線傳感網絡信號分離提純模塊，該模塊選取反饋神經網絡進行無線傳感網絡信號的分離提純，并利用CMOS芯片的處理能力管控模塊工作。該模塊的準確度較高，但只適用于小型無線傳感網絡的信號分離提純，在大型無線傳感網絡中的應用效果不佳。文獻[8]構建獨立源信號的無線傳感網絡信號分離提純模塊，該模塊首先對無線傳感網絡中的源信號進行成分解析，根據信號成分的差異性將其分離提純。該模塊的準確度雖不高，但其所提出獨立分離理念，為科研組織對無線傳感網絡信號分離提純提供了研究方向。文獻[9] 構建基于快速定點算法的無線傳感網絡信號分離提純模塊，整個模塊的能耗非常少，且準確度和效率均不低，但其算法過于復雜，所需的科研人員較多，研究經費較為昂貴。文獻[10]構建基于JADE的無線傳感網絡信號分離提純模塊，該模塊利用聯合對角化算法（JADE），能夠對無線傳感網絡信號進行準確、高效的分離。但聯合對角化算法的求解范圍較小，故模塊無法在過于復雜的無線傳感網絡中應用。

為了解決以上無線傳感網絡信號分離提純模塊的局限性，構建準確度高、能耗小的無線傳感網絡信號分離提純模塊。經實驗證明，所構建的模塊擁有準確度高、能耗小的特點。

1 無線傳感網絡信號分離提純模塊設計

所設計的無線傳感網絡信號分離提純模塊依次對無線傳感器網絡節點、信號分離平臺和信號提純平臺進行了設計。利用較小的能耗，實現了模塊對無線傳感網絡信號的有效分離提純。無線傳感器網絡節點可進行無線傳感網絡信號的采集和管理。信號分離平臺則能夠將無線傳感網絡信號準確分離并傳輸到信號提純平臺。無線傳感網絡信號分離提純模塊利用信號提純平臺，除去信號中多余的參數和編碼，達到網絡信號提純目的。

1.1 無線傳感器網絡節點設計

無線傳感網絡節點作為信號采集和轉發的基礎操作平臺，其各元件間應完美兼容，以保證無線傳感網絡信號的采集和轉發效率。無線傳感網絡節點主要由處理器、傳感器和電源組成，其各元件間的供求關系如圖1所示。

圖1中無線傳感器節點各元件間的供求關系是根據無線傳感網絡信號分離提純模塊預設的信號分離標準和能耗控制標準設計的。電源根據無線傳感網絡中處理器和傳感器差異性的工作性質，給予二者不同的電壓。為了避免無線傳感網絡中信號過多所導致的能耗非正常損失，在無線傳感網絡節點的設計過程中，應選擇運算能力較高的6700K處理器，有選擇性地將信號中多余信號刪除，最大限度地降低模塊能耗。

無線傳感網絡節點利用6700K處理器強大的運算能力，實現無線傳感網絡信號分離提純模塊的信號采集、指令管理、耗能監控、信號分離等功能。該處理器還給出了信號的通信協議，通信協議定義了信號的波信號頻率標準，其能夠調節不正常頻率，為信號的分離工作提供保障。6700K處理器通過運算，為無線傳感網絡中各類型信號選擇不同的傳輸通道，傳輸到傳感器中進行處理。無線傳感器網絡節點中有多種類型的傳感器，包括電子傳感器、溫濕度傳感器、氣象傳感器和速度傳感器等。這些傳感器中各類功能電路能夠實現無線傳感網絡信號的感應、放大和參數轉化。無線傳感器網絡節點利用傳感器連接信號分離平臺，將已處理的信號分類型傳輸。

1.2 信號分離平臺設計

信號分離平臺利用運動跟蹤技術和BP神經網絡模型相結合的方式，對無線傳感器網絡中的信號進行分離。運動跟蹤技術為傳感器網絡構建了多種類型信號的運動坐標系，傳感器網絡節點信號將傳遞至其相對應的運動坐標系進行實時測量，無線傳感網絡信號分離提純模塊可通過信號的測量值將其高效分離。運動跟蹤技術利用BP神經網絡模型將運動坐標系中的信號分離開。BP神經網絡模型如圖2所示。

由圖2可知，BP神經網絡模型實現運動坐標系信號分離的過程為：信號在運動坐標系中被大致分成線狀譜線、調制譜線和連續譜，這些譜線經由BP神經網絡被提取出特性向量。BP神經網絡模型利用特性向量進行訓練，訓練成功后，BP神經網絡便可對運動坐標系信號進行無量綱處理。經無量綱處理后的信號，都將在一定的范圍內波動，這提高了無線傳感網絡信號分離提純模塊的處理效率。經由對無量綱處理后的信號進行變形、解析，可獲取無線傳感網絡信號的分布概率。信號分離平臺根據各信號不同數值的分布概率，對不同類型的信號進行識別，并將分離結果輸出到信號提純平臺。

1.3 信號提純平臺設計

無線傳感網絡信號的使用時效非常短，應該對其進行提純操作，以幫助無線傳感網絡信號延長使用時效、提高無線傳感網絡信號分離提純模塊的準確度。

無線傳感網絡信號分離提純模塊利用GAINS3試驗箱創建信號提純平臺。信號提純平臺主要由傳感器、用戶接口和基站組成，如圖3所示。

圖3中設計的信號提純平臺的性能強勁，這得益于GAINS3試驗箱的高效性。傳感器將信號分離平臺傳輸來的信號分離結果按照固定信號和運動信號分流，其分流標準是兩種信號的存儲量（固定信號的存儲量要比運動信號的存儲量低很多），模塊對存儲量低的信號的分析能力更強，傳輸過程中數據丟失量也更少。固定信號為運動信號提供定位參數，運動數據在通過用戶接口傳輸到基站前，只保留其自身的定位參數和重要編碼，這種方式可在縮減無線傳感網絡信號分離提純模塊耗能的同時，節省模塊存儲空間，進而延長信號的使用時效，提高無線傳感網絡信號分離提純模塊的準確度。

信號提純平臺的基站能夠對所接收的信號進行模糊推理、信號顯示和軌跡顯示。信號提純平臺經由模糊推理構建拓撲樹，進而將無線傳感網絡信號提純出來。用戶在基站中可實時查看無線傳感網絡信號的信息（包括信號位置、分離和提純的處理流程和實時變化曲線等）和運行軌跡。

2 無線傳感網絡信號分離提純模塊實現

2.1 模塊功能設計

為更好地進行無線傳感網絡信號的分離和提純，無線傳感網絡信號分離提純模塊利用理論和算法相結合的控制手段，設計了對無線傳感網絡進行實時管控、信號管理、運算控制、存儲控制和進程休眠控制的功能見圖4。

由圖4可知，無線傳感網絡信號分離提純模塊為信號分離平臺提供了信號管理和運算控制的功能，為信號提出平臺提供了存儲控制和進程休眠控制的功能。無線傳感網絡實時管控功能對整個模塊進行管理和控制，主要進行無線傳感網絡節點的全方位實時監控，并對各平臺的錯誤進程進行修正；信號管理功能進行信號分離平臺拓撲結構的建立和后期修復；運算控制功能對信號分離平臺的運算過程進行控制，防止不必要的運算誤差出現；存儲控制功能進行信號提純平臺傳感器電路中緩沖器和存儲器的飽和管理；進程休眠控制功能可阻止信號提純平臺中BP神經網絡的超前操作。

2.2 基站服務器流程設計

信號提純平臺基站用戶服務器的選擇，應首先考慮其對無線傳感網絡信號的顯示性能。基站服務器的優點在于：它的源代碼是全面透明的，且擁有單進程處理能力。當用戶打開某一無線傳感網絡信號時，基站服務器僅利用單進程對其進行顯示，這大大提高了顯示效率，避免了多進程服務器造成的基站崩潰問題。圖5為基站服務器工作流程圖。

由圖5可知，基站服務器在基站啟動之初便開始工作，其首先創建無線傳感網絡信號的顯示進程，設置好顯示參數后，基站服務器開始監視用戶接口。用戶接口一旦出現信號傳輸請求，基站服務器便對該請求進行解析，查詢請求中是否存在非法數據。若不存在，則讀取請求以進行無線傳感網絡信號的接收下載；若存在，則對該請求進行解碼，并關閉基站中的下載接口，防止非法數據流入基站。非法請求解析成功后應對其進行存儲操作，防止同類非法請求的再次侵入。

3 實 驗

為驗證所構建的無線傳感網絡信號分離提純模塊擁有準確度高、能耗小的特點，利用本文模塊和基于JADE的無線傳感網絡信號分離提純模塊，對實驗車輛無線傳感網絡中的行駛信號進行分離提純。

對于無線傳感網絡信號分離提純模塊的準確度，實驗將兩個模塊的誤差輸出曲線進行對比。誤差能夠直觀地反映出無線傳感網絡信號分離提純模塊的準確度，誤差值越小、曲線波動越穩定，模塊的準確度就越大。圖6是基于JADE的無線傳感網絡信號分離提純模塊誤差輸出曲線。

由圖6可知，基于JADE的無線傳感網絡信號分離提純模塊的誤差輸出曲線在0值上下波動，較為穩定。其最大誤差為0.27，最小誤差為0（圖6中的正負值僅代表信號經由BP神經網絡被提取出的特性向量的方向，與數值大小無關），誤差較小。現給出本文模塊誤差輸出曲線與其對比，如圖7所示。

由圖7易知，本文模塊的誤差輸出曲線波動更為穩定，其最大、最小誤差分別為0.18和0，比基于JADE的無線傳感網絡信號分離提純模塊誤差低0.09。由此可知，本文系統的準確度較高。無線傳感網絡信號分離提純模塊準確度驗證實驗結束后，將基于JADE的無線傳感網絡信號分離提純模塊，和本文模塊的實時能耗曲線輸出并對比。實驗對無線傳感網絡信號分離提純模塊能耗的記錄周期是10 s，即對每個模塊采集了400個能耗數據，兩模塊實時能耗曲線對比圖如圖8所示。由圖8可知，基于JADE的無線傳感網絡信號分離提純模塊實時能耗曲線的大部分均在本文模塊實時能耗曲線的上方，僅在時間區間[3 500 s，3 800 s]內結果反向。由以上結果能夠推斷出，本文模塊的整體耗能水平較低。

4 結 論

本文設計無線傳感網絡信號分離提純模塊，對無線傳感器網絡節點、信號分離平臺和信號提純平臺進行設計。無線傳感器網絡節點利用6700K處理器進行無線傳感網絡信號的采集和管理。信號分離平臺構建運動坐標系和BP神經網絡模型，將無線傳感網絡信號準確分離并傳輸到信號提純平臺。信號提純平臺將信號中多余參數和編碼除去，以縮減模塊能耗、提高模塊準確度。模塊實現部分給出了模塊的功能圖，以及信號提純平臺基站中BOA服務器的工作流程圖。經實驗證明，所構建的模塊擁有準確度高、能耗小的特點。

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