1 緒論

1.1 研究背景及意義
建設(shè)信息化軍隊(duì)，打贏信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，是時(shí)代賦予我軍的歷史使命。在信息化建設(shè)中，邊防部隊(duì)地位特殊。由于地緣政治和意識(shí)形態(tài)等諸多原因，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)周邊環(huán)境復(fù)雜多變，形勢(shì)嚴(yán)峻。邊防安全事關(guān)國(guó)家安危，利害攸關(guān)，因此邊防通信安全顯得非常重要。在邊防部隊(duì)通信指揮鏈路中，通信機(jī)房（站點(diǎn)）處于核心位置，起作樞紐和橋梁的作用，要求通信機(jī)房（站點(diǎn)）內(nèi)所有設(shè)備必須時(shí)時(shí)刻刻保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，一旦因?yàn)闇囟取穸�、水浸、雷擊等環(huán)境因素或人為破壞造成某臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)及系統(tǒng)運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅，影響部隊(duì)指揮系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。如果不能及時(shí)處理，有可能損壞硬件設(shè)備，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，若在戰(zhàn)時(shí)，更有可能造成不可估量的損失。因此，邊防部隊(duì)機(jī)房（站點(diǎn)）環(huán)境監(jiān)控顯得重要而迫切。但是從現(xiàn)階段情況來(lái)看，由于我國(guó)邊境線長(zhǎng)、環(huán)境復(fù)雜，邊防部隊(duì)中大多數(shù)的通信機(jī)房（站點(diǎn)）深處人跡罕至的高寒高海拔地區(qū)，環(huán)境監(jiān)控實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。即使條件稍好的站點(diǎn)，也主要采用人工監(jiān)控和有線監(jiān)控兩種傳統(tǒng)監(jiān)控方法。傳統(tǒng)的人工監(jiān)控方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且長(zhǎng)期值守在機(jī)房，尤其是在電臺(tái)發(fā)射功率較大的機(jī)房，會(huì)遭受很強(qiáng)的電磁輻射，影響身體健康；而有線監(jiān)控面臨著系統(tǒng)龐大、布線復(fù)雜、成本高昂、準(zhǔn)確性穩(wěn)定性較差、維護(hù)更新升級(jí)困難等問(wèn)題。此時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的誕生給它帶來(lái)了一場(chǎng)全新的革命。通過(guò)在邊防通信機(jī)房（站點(diǎn)）監(jiān)控區(qū)域內(nèi)有針對(duì)性地部署具備感知能力、計(jì)算能力和通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用無(wú)線方式發(fā)送到監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制，不僅能夠提供一個(gè)穩(wěn)定可靠、高效方便、舒適安全的機(jī)房環(huán)境，為邊防部隊(duì)通信指揮系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保證，而且大大節(jié)約了人力和物力。
………….

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下主要特點(diǎn)[3-5]：
① 自組織：網(wǎng)絡(luò)的建立與節(jié)點(diǎn)間通信通過(guò)分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)、自動(dòng)調(diào)整，以適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的加入、退出、移動(dòng)、電量剩余和無(wú)線傳輸范圍的變化等。
② 高冗余：網(wǎng)絡(luò)可能包含成千上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，，通常具有較高的節(jié)點(diǎn)冗余、網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余和采集數(shù)據(jù)冗余。因此，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，通常要求中間節(jié)點(diǎn)能將來(lái)自多個(gè)傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，再傳送給處理中心。
③ 節(jié)點(diǎn)能力有限：由于傳感器節(jié)點(diǎn)體積小、低成本、低能耗、野外部署等要求，其在供電、計(jì)算、存儲(chǔ)、通信等方面的能力受限。
④ 拓?fù)湟鬃兓河捎谑Ｓ嚯娏肯陆怠⒐β士刂埔约皯?yīng)用需要等因素，使有些節(jié)點(diǎn)可能進(jìn)入休眠狀態(tài)，引起網(wǎng)絡(luò)工作節(jié)點(diǎn)在數(shù)目和分布上的變化，導(dǎo)致拓?fù)涓淖儭?br /> ⑤ 流量不均衡：傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)流向處理中心并在處理中心集中，會(huì)出現(xiàn)離處理中心越近，節(jié)點(diǎn)負(fù)載越重的現(xiàn)象，導(dǎo)致流向處理中心的數(shù)據(jù)量往往遠(yuǎn)大于反方向的數(shù)據(jù)量。
⑥ 空間位置尋址：節(jié)點(diǎn)不必具有全球惟一的標(biāo)識(shí)，不必采用 Internet 的 IP 尋址。用戶只關(guān)心數(shù)據(jù)所屬的空間位置而不關(guān)心數(shù)據(jù)采集于哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此可采取空間位置尋址方式。
……….

2 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)融合技術(shù)概念
數(shù)據(jù)融合技術(shù)又被常稱為多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)或信息融合技術(shù)，其主要原理是運(yùn)用計(jì)算機(jī)依據(jù)特定的融合準(zhǔn)則，對(duì)按時(shí)序獲得的若干觀測(cè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動(dòng)分析和綜合整理，用以完成所需決策和評(píng)估任務(wù)的信息處理。數(shù)據(jù)融合技術(shù)以多傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以多源信息為處理對(duì)象，以多傳感器協(xié)調(diào)優(yōu)化和多源信息融合處理為核心[23]。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用能有效地提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率，并能有效實(shí)現(xiàn)降低能耗和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期，不具備數(shù)據(jù)融合功能和具有數(shù)據(jù)融合功能的 WSN 數(shù)據(jù)傳輸原理如圖 2.1 和 2.2 所示。數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用最早便起源的軍事技術(shù)的發(fā)展。在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中布置大量傳感器，這些傳感器采集了大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，如何對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析、過(guò)濾和綜合等多方面處理，從而輔助人們對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境做出及時(shí)、完整而又科學(xué)的態(tài)勢(shì)評(píng)估顯得尤為重要。數(shù)據(jù)融合能有效的解決以上難題，這對(duì)于高精度獲取戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)和威脅實(shí)時(shí)評(píng)估，制并戰(zhàn)術(shù)布置，完成戰(zhàn)略輔助決策和對(duì)作戰(zhàn)不對(duì)的有效指揮控制具有重要作用[24]。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)融合技術(shù)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)用也得到了迅速發(fā)展。無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)中，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)由中間節(jié)點(diǎn)對(duì)將來(lái)自多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，然后將融合后的數(shù)據(jù)信息傳送于匯聚節(jié)點(diǎn)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)鎖消耗的能量遠(yuǎn)小于無(wú)限通信所消耗的能量[25]，因此雖然數(shù)據(jù)融合技術(shù)增加了中間節(jié)點(diǎn)的計(jì)算量，但同時(shí)也通過(guò)除去數(shù)據(jù)冗余降低無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。
………

2.2 數(shù)據(jù)融合技術(shù)的意義和作用
數(shù)據(jù)融合技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中用以減少能耗的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)據(jù)融合能有效去除節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的冗余，從而減少網(wǎng)絡(luò)通信量，提高能源的利用效率。實(shí)驗(yàn)研究表明，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)用于信息傳輸所消耗的能量明顯高于執(zhí)行命令所需的能量，可以近似量化為 1Bytes 數(shù)據(jù)傳輸一百米距離消耗的能量近似等于執(zhí)行 4000 此計(jì)算所消耗的能量[26]。故在滿足實(shí)際需求的前提下最大限度地減小信息的傳輸量，減少冗余信息，對(duì)于減少無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期有著重要的作用。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)高度分布和節(jié)點(diǎn)間協(xié)作感知等特性導(dǎo)致相鄰節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)信息具有顯著的相似性，此外在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，用戶通常只需要網(wǎng)絡(luò)感知結(jié)果，并沒(méi)有大量原始數(shù)據(jù)的接收或保留需求。因此在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，人們常將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，刪除相似數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)傳輸量，使網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)簡(jiǎn)潔且準(zhǔn)確，這種數(shù)據(jù)信息處理方式即為數(shù)據(jù)融合。
……

3 基于數(shù)據(jù)融合樹的路由協(xié)議 ........19
3.1 引言 ........19
3.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)收集與路由協(xié)議........19
3.3 基于數(shù)據(jù)融合樹的路由協(xié)議 ........24
3.3.1 定義 ........25
3.3.2 傳統(tǒng)的基于融合樹的數(shù)據(jù)融合路由協(xié)議 ........26
3.3.3 改進(jìn)的基于數(shù)據(jù)融合樹的路由協(xié)議 ........28
3.4 算法性能分析........32
3.5 本章小結(jié) ........35
4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ........37
4.1 總體設(shè)計(jì)方案........37
4.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) ........ 40
4.3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì) ........43
4.4 CAN 總線設(shè)計(jì)........46
4.5 本章小結(jié) ........48
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ........49
5.1 監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì) ........49
5.2 監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn) ........50
5.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析 ........ 54
5.4 本章小結(jié) ........58

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

5.1 監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)
本網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)的給用戶提供網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錉顟B(tài)信息以及傳感數(shù)據(jù)信息，便于用戶更好地監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，及時(shí)的獲取感知數(shù)據(jù)。這一平臺(tái)具體包含以下六個(gè)功能模塊：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D繪制模塊、網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點(diǎn)參數(shù)重構(gòu)模塊、可定制化節(jié)點(diǎn)參數(shù)信息顯示模塊、數(shù)據(jù)日志存儲(chǔ)模塊、控制臺(tái)模塊以及傳感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線圖繪制模塊，如圖 5.1 所示。包含上述六大功能模塊的監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖 5.2 所示，它主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)端和服務(wù)器端。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)端又包括匯聚節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，它們主要負(fù)責(zé)信息的采集與發(fā)送，另外，它們還需對(duì)服務(wù)器端發(fā)送過(guò)來(lái)的配置請(qǐng)求信息加以處理。而服務(wù)器端是本系統(tǒng)提供給用戶的服務(wù)前臺(tái)，它給用戶提供的復(fù)雜可視化接口主要實(shí)現(xiàn)以下四個(gè)功能：① 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膶?shí)時(shí)顯示；② 實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)曲線圖的繪制；③ 讀入數(shù)據(jù)的日志存儲(chǔ)；④ 向節(jié)點(diǎn)發(fā)送配置命令。

總結(jié)

本文主要針對(duì)邊防通信機(jī)房（站點(diǎn)）現(xiàn)實(shí)環(huán)境監(jiān)控中存在的諸多問(wèn)題，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，綜合分析了數(shù)據(jù)融合算法，提出采用一種基于數(shù)據(jù)融合樹的路由協(xié)議方法來(lái)有效解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系中存在的能量和效率弊端。最后在此理論基礎(chǔ)上，對(duì)基于數(shù)據(jù)融合算法的通信機(jī)房無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，并通過(guò)模擬仿真、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、數(shù)據(jù)分析等方法，驗(yàn)證了提出采用的算法切實(shí)可行有效。主要工作如下：
① 對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)的概念、特征、體系結(jié)構(gòu)及基本理論進(jìn)行了詳細(xì)闡述。
② 對(duì)基于數(shù)據(jù)融合樹的路由協(xié)議進(jìn)行了研究。借助聯(lián)合博弈的思想，詳細(xì)分析了基于數(shù)據(jù)融合樹的能量感知生成樹路由協(xié)議算法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)模型分析和仿真測(cè)試表明優(yōu)化后的算法有可接受的誤差范圍，能較好地減少能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。
③ 設(shè)計(jì)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的邊防通信機(jī)房（站點(diǎn)）環(huán)境監(jiān)控軟硬件系統(tǒng)。根據(jù)邊防通信機(jī)房（站點(diǎn)）環(huán)境監(jiān)控需求，設(shè)計(jì)構(gòu)建了由 30 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度的感知采集，通過(guò) CAN 總線連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。底層TI 星型網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)嵌入式網(wǎng)關(guān)功能，對(duì)采集的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查詢與展示。
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參考文獻(xiàn)（略）