基于仿生網絡交互的無線傳感組網技術研究

［謝志偉］

1 引言

近年來無線傳感網技術經歷從傳感器到無線傳感器再到無線傳感網的演進，形成多跳自組織的分布式傳感網絡。它具有很強的適應性和靈活性，無需依賴外部條件，便可以在短時間內快速形成網絡。在環境較惡劣地段或偏遠地區，無線傳感網被廣泛應用。無線傳感網由眾多無線傳感器組成，體積小數量多且結構復雜，加上工作環境影響，在管理和維護上十分不便。因此，對無線傳感網進行自診斷與自修復十分必要。

2 無線傳感網分析

2.1 無線傳感網的概述

無線傳感網末梢以感知傳感器來實現信息采集和信息處理。濾除無關信號干擾，可以減少傳輸無效信息造成的能量損耗，提升無線傳感網的運行速度。分布式傳感器網具有網絡規模大、節點分布密度高、適應性強、功耗大、節點易損、網絡拓撲結構變化頻繁等新特點。

2.2 無線傳感網結構

2.2.1 無線傳感網的物理結構

無線傳感網系統包括：傳感節點、匯聚節點、基礎互聯網和用戶節點。傳感節點用于數據采集、存儲和管理，完成模擬信號向數字信號轉換的動作；匯聚節點用于匯聚傳感器節點的信號，完成協議間的轉換，把數據發送到外部網絡上；用戶節點接收基礎互聯網的采集數據，向傳感網絡傳輸任務管理的相關命令，通過用戶指令進而實現對傳感器網絡的控制。無線傳感網系統物理結構如圖1 所示。

圖1 無線傳感網系統的物理結構

2.2.2 無線傳感網的組網方式

組網技術包括以太網組網和交換局域網組網技術。無線傳感網組網方式可以分為4 種。

（1）網狀網組網模式

網狀網組網以感知傳感器為節點，每個節點至少連接其他兩個節點，所有節點之間形成一個錯綜復雜的網絡。該組網模式在小范圍組網有優勢，但在范圍較大時部署成本很高。

（2）移動匯聚組網模式

移動匯聚組網收集的目標區域的數據后由匯聚交換機統一發送到后端服務器，可以提高網絡容量，但傳遞延遲和失真是該模式的一大缺陷。

（3）基于分簇的層次型組網模式

分簇層次型組網是對網絡進行分層匯聚，將采集后的數據匯聚到分簇，再由分簇匯聚到總簇，形成多層次組網模式[1]。該模式對簇頭使用過度，不適合在偏遠地段部署。

（4）扁平組網模式

扁平組網將所有的節點設置為相同的角色，不區分優先級，不考慮匯聚問題，通過節點間完成信息交互。該組網模式簡單、維護便捷，設置方便。

2.2.3 無線傳感網的通信方式

無線傳感網的通信分為5 個層次，包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層。物理層通過節點傳感器采集有效的數據信息；數據鏈路層完成采集信號的數據成幀、幀同步以及對首發順序的控制；網絡層完成選址、路由選擇構建，與數據鏈路層共同協作；傳輸層負責通信傳輸，通過衛星、互聯網、通信網將數據發送到應用層；應用層面向網絡系統提供應用服務，提供用戶分析判斷的依據，控制節點傳感器的工作狀態[2]。

2.3 無線傳感網的不足

無線傳感網在重要性日益增長的同時，缺陷也十分突出：（1）容易受地勢地貌、極端氣候、地理磁場等不可抗力干擾造成通信信號中斷；（2）傳感節點長時間工作，因電量不足導致采集失敗；（3）部署無人看守的區域，安全性較差，可能受入侵者的物理攻擊和網絡攻擊。這些缺陷造成管理和維護的不便。基于仿生網絡交互的無線傳感網模仿生物的交流特性，對傳感節點自動檢測與判斷，實現自修復和重構，保證無線傳感網良好運行。

3 仿生交互的無線傳感網組網技術研究

3.1 仿生交互的無線傳感網組網的設計要求

實際應用中，無線傳感網常部署于無人區域或惡劣環境下，因此要多方面考慮。需進一步研究無線傳感網的節點設計要求，應在節點可擴展性、安全性、體積等方面上考慮。

3.2 仿生交互的無線傳感網組網的系統設計

傳統的無線傳感網采用冗余模塊組網，由冗余模塊、診斷模塊、工作模塊、電源模塊和微處理器組成。當工作模塊出現故障時，工作模塊切換為冗余模塊工作。這種傳統的組網模式需要大量的冗余傳感器，硬件開銷和功耗很大。

基于仿生交互的無線傳感網與傳統無線傳感網相比增加了可編程門陣列（FPAA），采用可編程門陣列中功能單元替換無線傳感網絡中的故障單元。工作狀態下的微處理器向診斷模塊發出動作，由診斷電路向診斷單元發出診斷測試信號并接收故障反饋。若發現故障，微處理器向故障單元輸出自動修復信號，I/O 模塊切斷故障單元與無線傳感網的連接并將可編程陣列的功能模塊接入無線傳感網中代替原有的故障單元。工作原理如圖2 所示。

圖2 基于仿生交互的無線傳感網系統設計圖

4 仿生交互的無線傳感網的實現

基于仿生交互的無線傳感網采用“模塊獨立、分層設計”以及節點軟件平臺設計來實現。

4.1 硬件模塊的實現

傳感器采集模塊負責信號采集和信號傳遞，包含傳感器、運放電路和濾波電路。傳感器輔助電路根據應用需求設定。

控制模塊是系統的控制核心，負責終端控制、任務分配和數據整合，指令各單元模塊完成自診斷和自修復。

動態重構模塊通過仿生交互的方式，進行自修復與重構，依賴可編程模擬陣列實現。將放大電路、比較電路等多種模擬電路模塊封裝在一塊芯片中，通過編程來設定各個模塊的功能。

通訊模塊以射頻單元進行信號傳遞，使用無線收發芯片在2.4 GHz 頻段上使用ZigBee 協議實現通信。電源模塊根據用電單元的需求而設定，根據芯片工作電壓的需求，選取電源模塊的工作電壓。

4.2 軟件模塊的實現

數據處理模塊主要是進行數據采集與處理，首先采集節點傳感器的數據，其次進行模擬向數字信號的轉換并存放于寄存器中，最后將數字信號與設定的判決閾值作比較。

在自修復模塊的硬件設計和部署基礎上，進行自修復模塊的軟件系統架構搭建。流程為：數據采集模塊采集的信號送入故障診斷模塊，故障診斷模塊將數字信號與設定閾值作比較。當診斷結果為異常時，微處理器會向FPAA 發出命令，驅動程序讀取貯存在外部存儲器的配置文件，然后對FPAA 進行配置，完成傳感及其冗余層信號鏈路的重構。

故障診斷模塊用于查找故障位置和分析故障原因。故障診斷程序設置節點的自診斷，通過查找故障位置和分析故障原因，模仿生物交互機能，完成自我修復。

以上模塊算法均為自組織的，能完美實現仿生網絡交互的傳感組網與原有傳感組網之間的兼容性需要。

5 仿生交互的無線傳感網的仿真測試與評估

5.1 功耗測試

自修復節點采用在無外界電源持續供電時，僅依賴紐扣電池進行供電，工作電壓值為3V，電池容量600 mAh。實驗分別對基于仿生交互的無線傳感網和一般的無線傳感網進行功耗測試，測試結果如表1 所示。

表1 功耗測試結果

根據測試結果，仿生網絡交互的傳感組網節點功耗比一般傳感組網節點功耗更低。仿生交互的傳感網節點具有自修復的作用，有效減少了因節點被破壞造成的電能的浪費。

5.2 采樣測試

自修復節點的采樣和傳輸速率取決于節點傳感器的采樣速率以及射頻芯片的傳輸速率。實驗中使用500 mV 的標準正弦信號作為測試信號，將模擬信號轉換為數字信號，通過射頻通信顯示在終端上。實驗針對500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz 三個頻率進行測試，測試結果如圖3 所示。

圖3 頻率測試結果

根據實驗結果：當采樣頻率為500 Hz 時，示波器接收波形失真度較低，正弦波最為平滑，模數轉換結果最準確。

5.3 傳輸距離測試圖

無線傳感網通信的傳輸距離與工作環境息息相關，實驗以500 Hz 的采樣頻率，直流電平為250 mV 的標準正弦電壓，在室內空曠、室內障礙、室外空曠3 種工作環境下進行測試。測試結果如表2 所示。

表2 工作環境測試結果

根據實驗結果：基于仿生交互的無線傳感網在傳輸時受障礙物的影響，在空曠的室外環境可以實現較遠距離傳輸，能滿足遠距離傳輸的要求。

5.4 性能測試分析

根據對功耗、頻率、傳輸距離等性能進行測試和評估。可以得出：基于仿生交互的無線傳感網可以實現對故障部分的自修復，精度能夠滿足要求，自修復功能和時間與期望值吻合，運行情況良好。

6 結論

基于仿生網絡交互的無線傳感組網采用“軟硬件結合”的方式，提升了系統的整體性能。在硬件部署的基礎上，通過可編程控制門陣列對無線傳感網組網的節點功能進行定義，即可使無線傳感網組網具有更強的可擴展性，解決了傳統的無線傳感網冗余較大、安全性不高的問題。該軟件算法是自組織的，只需在無線傳感組網中增加FPAA 即可，新型網絡與原無線傳感網絡能良好兼容。基于仿生網絡交互的無線傳感組網可為當今物聯網發展多樣性提供重要的支撐，也成為了物聯網技術走進各行各業、千家萬戶的一大推動力。