CN101060648A - 面向危险环境监测的主动式传感器网络***及移动节点装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向危险环境监测的主动式传感器网络***，由客户端计算机、基站和若干移动节点构成，基站在移动节点和客户端计算机之间起到一个网关的作用；各移动节点之间以及基站和移动节点之间采用无线通信，通过多跳自组织的方式形成网状网络；移动节点将采集的环境数据传送给基站，基站将信息分类，并重新打包，传送给客户端计算机；客户端根据监测要求发送命令给基站，再由基站将命令分解，单跳或多跳路由给不同的移动节点执行相应任务。该***采用无线传感器网络与移动机器人技术结合，利用移动节点可控机动的优势，可以完成人不可达的危险现场的环境监测任务，为实现危险现场的环境监测提供了有力的保障。

Description

面向危险环境监测的主动式传感器网络***及移动节点装置

技术领域

本发明涉及危险环境监测、无线通信及分布式机器人控制领域，特别涉及一种面向危险环境监测的主动式传感器网络***及移动节点装置。

背景技术

目前，无线传感器网络作为一种全新的信息获取与处理技术，开始在军事、环境、健康、家庭等领域得到越来越广泛的应用。对于各种长期或短期的环境监测应用，传统的有线测控***由于布线困难、结构复杂等原因，往往难以胜任。无线传感器网络作为有线测控***的一个重要扩展与补充，很好地解决了这一问题。

而对于一些危险紧急场合，比如建筑物失火或有害化学品泄漏等，人和大型设备往往难以接近或进入现场。此时，传统的无线传感器网络节点由于无法投放部署到现场进行组网，环境信息采集的任务难以完成。某些现场环境虽然不具有危险性，但由于地形和空间等限制，人和大型设备也难以进入其中投放部署无线节点，现场环境状况很难获知。

目前传统无线传感器网络的研究还面临许多理论与技术难题，比如节点能耗、分布式标定、时空不规则性、动态网络重配置等问题。尽管从网络拓扑的层面来说，无线传感器网络是动态的，但目前大部分的无线传感器节点是静态的，也就是说，一旦传感器节点被布置好以后，它们是静止不动的。而且作为数据汇聚点的基站也往往是固定的。这种静态的传感器节点和基站缺乏一定的灵活性，无法根据被监测对象的变化来动态地调整节点的地域分布以保证一定的测量精度。另外，仅依赖于网络层的动态配置，仍不足以大幅度提高网络的寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术存在的技术缺陷和不足，提供一种面向危险环境监测的主动式传感器网络***及移动节点装置。

本发明面向危险环境监测的主动式传感器网络***，由客户端计算机、基站和若干移动节点构成，其特征是：基站在移动节点和客户端计算机之间起到一个网关的作用，一方面负责收集移动节点的数据上传给客户端计算机，另一方面负责发送客户终端的命令到移动节点；各移动节点之间以及基站和移动节点之间采用无线通信，通过多跳自组织的方式(采用Xmesh协议)形成网状网络；移动节点将采集的环境数据通过Xmesh方式单跳或多跳传送给基站，基站将信息分类，并重新打包，通过Internet等骨干网络传送给客户端计算机；客户端根据监测要求发送命令给基站，再由基站将命令分解，单跳或多跳路由给不同的移动节点执行相应任务。

本发明面向危险环境监测的主动式传感器网络***的移动节点装置，由传感器单元、执行机构单元、通信处理单元以及电源模块构成；传感器单元的各传感器采集环境数据，通过接口传送给通信处理单元，由主MCU进行处理并加以存储；执行机构单元由协MCU、编码盘、测距定位设备和电压检测模块以及整体动作机构组成，协MCU控制整体动作机构动作；通信处理单元由无线收发模块、主微控制器(MCU)和存储器组成。

所述整体动作机构采用后端主动轮加前端万向轮差分结构；万向轮固定于底板上；主动轮通过联轴器连接在带减速机的大扭矩电机上。

本发明面向危险环境监测的主动式传感器网络***，采用将传统无线传感器网络与移动机器人技术相互结合的方法，利用移动节点可控机动能力的优势，可以完成建筑物失火、有害化学品泄漏等人不可达的危险现场的环境监测任务，有利于公共安全监控和灾害事故抢救工作。利用远程客户端进行移动节点的控制、查询、数据采集和反馈，解决了危险环境中传统无线传感器网络部署、环境监测、节点能耗和自主修复难以实现等弊端，为实现危险现场的环境监测提供有力的保障。

附图说明

图1是本发明的***结构示意图。

图2是本发明的基站结构示意图。

图3是本发明的移动节点装置结构示意图。

图4是本发明的***控制程序框图。

图5是本发明的移动节点装置控制程序框图。

图6是本发明的移动节点装置控制***框图。

图7是本发明的cmd组件程序框图。

图8是本发明的移动节点行为框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例：本发明***装置主要由移动节点、基站、客户端计算机和相应的软件***组成。***结构附图1所示。带有执行器模块(Actuator)的移动节点是这个平台的主要组成部分，也是此平台设计的重点，而基站则采用商业现成组件。软件的设计则包括移动节点、汇聚节点以及PC机三个部分。

移动节点的通信单元采用Xmesh协议组成网状网。网状网的最大特点就是支持多跳通信，当节点与基站距离较远或者因为电磁屏蔽不能直接通信时，节点消息包能够通过其他节点多跳路由至基站，从而实现与基站的多跳通信。多跳通信的优点在于大大提高了网络的覆盖区域。即使移动节点之间无线通信能力较弱，如矿井、隧道等环境中，也能保证监测数据包的可靠传输。

移动节点整体动作机构采用后端主动轮+前端万向轮差分结构。万向轮通过螺栓固定于底板上；带减速机的大扭矩电机通过结构铜柱固定于底板和有机玻璃板之间；主动轮通过联轴器连接在电机上。此种结构简单可靠，安装方便，加工难度小，成本低，非常适合本发明的实际应用场合。

控制***如图6所示，通过通信接口和无线通讯单元连接，根据无线通讯单元传来的命令，结合数字罗盘、红外编码、测距等传感器的信号，实现对电机的控制。控制***电路板通过螺栓固定在底板上4角的结构铜柱上，安装和拆卸非常简单，便于***的调试和维护。

移动节点执行机构具有SMA结构，SMA即Sensor、Mote和Actuator的英文缩写。其中，Sensor是移动节点的传感单元，负责采集环境的数据。Mote是移动节点的通信处理单元，用来完成组网和通信的任务。Actuator是移动节点的执行机构，包括自行设计的底座与控制***两个部分。

移动节点软件包括处理器/通信***(Mote)以及执行机构***(Actuator)两部分。Mote与Actuator之间通过UART口连接。

Mote模块采用基于事件驱动的嵌入式操作***TinyOS作为其软件平台，TinyOS具有丰富的组件和应用接口，我们直接利用现有库中的组件来构建Mote的软件***，程序员不必直接面向硬件编程，大大提高了软件开发的效率。

Mote模块的主要作用是收发无线数据包并进行数据处理。当接收到的无线数据包中包含控制协议包时，提取出协议包并调用TinyOS的UARTM组件将它通过51针连接器发送给Actuator。这里，我们构建了一个Cmd的组件实现了控制协议包的传送。图7为Cmd组件的具体程序框图，其中圆圈代表configuration(配件)，方框代表module(模块)，配件与模块通过接口实现调用。CmdC作为顶层配件，定义了各个组件的连接关系。CmdM模块是CmdC的具体实现，调用已有组件GenericComm来实现无线数据的收发，调用自行设计的RobotC组件来实现协议包的发送，RobotM是RobotC的具体实现。每个字节的发送又要调用下一层的PACKETM模块，进而完成与Actuator的通信任务。

执行机构***的软件采用基于行为的编程方式。机器人行为可以理解为一系列动作的集合。基本行为由触发器和控制单元组成，控制单元能使机器人按照特定的方式运行，而触发器则决定了机器人应该何时进行那个相关操作。为了避免多个行为同时触发，需要对行为进行优先级仲裁。

如图8所示的是移动节点的行为框图。其中，各个传感器输入作为行为的触发器，充电行为的优先级最高，巡航行为的优先级最低。为了能够让多个移动节点协同行为，来自通信接口的数据也能作为触发器。

每个行为被封装在各个行为函数中以供调用，程序运行以后，传感器刷新任务Task_Update_Sensor()每100ms被执行一次同时触发各个行为的请求标志，该任务最后调用函数Behavior_Arbitration()进行仲裁并调用相关的行为函数来驱动电机按照预定的行为方式进行运动。

行为描述：

充电行为：电池电压传感器负责采集电池电压，若电池电压不足，则执行充电行为。充电行为这里简单的设置移动节点归航，即回到起始点。

逃离行为：当移动节点与障碍物碰撞或由于其它原因导致电机堵转时，防堵转传感器将触发逃离行为，设法使移动节点离开堵转现场。

导航行为：通过VFF导航算法让移动节点做点对点的导航。导航是需要的参数来自数字罗盘、编码器、测距传感器以及通信接口传来的数据。

沿墙走行为：根据移动节点左右两个红外线接近传感器来对墙面跟踪，使移动节点沿左墙或者右墙行走。

巡航行为：巡航行为的优先级最低，是当没有其它行为产生时移动节点的运动状态，这个运动状态为开环运动。巡航行为可以由根据任务需要进行设定，当然也可以设定为静止。

上位机用户管理软件的开发基于VC++6.0。顶棚摄像头与PC机通过USB相连，用于监控整个移动节点所在的工作区域。画面被显示在软件界面的Video栏，并可随时截图以BMP格式保存。各移动节点的运动情况以及数据等以文本的形式显示在软件界面的Details栏，以供分析。在Select nodes栏中选择好节点号后，就可以通过Set direction和Set speed栏中的按钮对这个节点进行平面运动控制。PC机通过RS232与汇聚节点进行通信。因此，PC机与汇聚节点间的串口协议是本软件的核心。

工作原理及工作过程：

如图1所示为本发明的***结构图，移动节点1进入现场环境后通过2.4GHz频段自组网状网络，采集相应环境5数据后，通过Xmesh方式单跳或多跳传送给基站2，基站将信息分类，并重新打包，通过Internet等骨干网络3传送给客户端计算机PC或PDA4。客户端收到环境数据后，根据不同监测要求发送命令给基站2，再由基站将命令分解，单跳或多跳路由给不同的移动节点执行相应任务。该***由于将移动机器人技术融入无线传感器网络中，用较少的成本解决传统无线传感器网络自部署、自修复等难题。

本发明***中基站结构如图2所示，它包括了电源模块、通信处理单元和上位机接口。其中电源模块采用+5V直流和两节AA电池供电；通信处理单元由无线收发模块、微控制器(MCU)和存储器组成；51针连接器用于基站与上位机之间的连接。当移动节点的传感器采集到数据并传送给基站时，无线收发模块将数据包解包，由MCU分析后存储，并根据不同要求发送给上位机。当客户端发送命令给基站时，MCU对不同命令分类，并要求给无线收发模块发送相关命令给移动节点。该基站结构简单、成本低、节能性好，可以长时间稳定运行于危险环境。

图3为无线移动节点结构图。该节点由电源模块、传感器单元、通信处理单元和执行机构单元组成。传感器单元包括了温度、光照和加速度等传感器元件，用于采集现场环境数据。该数据通过接口传送给通信处理单元，由主MCU进行处理并加以存储。根据基站传送的命令，主MCU可以将采集的数据传送回基站，同时也可以要求协MCU执行相应任务。执行机构由协MCU，电机、编码盘、数字罗盘、红外测距和电压检测模块组成。协MCU仅负责底层操作，根据不同命令调用前进、后退、转弯、测距、位姿校正等操作。为了***电路稳定，电源模块分为两部分，一部分给通信处理单元供电，另一部分给执行机构单元供电。该机构结构清晰、层次分明、维护方便，可以胜任不同环境监测场合。

执行机构单元各部分说明：

协MCU：采用Atmel公司的ATmega16L作为协MCU。

数字罗盘：数字罗盘采用中鸣数码的BE-2610，通过I2C接口与ATmega16L连接。

电机驱动：驱动芯片采用ST公司的L293，单片机通过改变L293使能脚的占空比来控制电机的转速。

红外线测距：采用SHARP公司的GP2D12红外线测距传感器，其模拟量输出直接连接到单片机上由内部10位AD采集。

编码盘检测：自行设计，用红外线反射的方式进行码盘检测，轮子每转动一圈将产生36个脉冲输入给单片机，定位精度为0.5cm。

电压检测：将电池电压调理后连接到单片机内部10位AD。

通信接口：通信处理单元与执行机构单元通过51针连接器连接，用UART方式进行通信。

另外附上电机和轮子的参数：

低惯性强力减速电机，输出轴50转/分钟，车轮直径60mm，车轮边筐扭力1.5公斤/6V

图4为本发明的***方法流程图，其具体步骤如下：

步骤1，将用户终端4，通过传输介质3连接到基站2。

步骤2，启动用户终端4、基站2和移动节点1，用户终端4通过传输介质3向基站2发送初始化命令，完成基站2的初始化。基站2通过无线方式向移动节点1广播初始化命令，进而完成***的初始化。

步骤3，基站2与移动节点1组成网状网5，用户终端4显示组网情况和各移动节点的健康状况。

步骤4，用户根据各节点的健康状况选择一部分执行能力较强的移动节点。

步骤5，用户通过用户终端4向移动节点广播部署命令。如果是自主方式，用户须等待移动节点部署完毕；如果是非自主方式，用户必须指定各移动节点的目标位置。

步骤6，移动节点4完成部署任务，返回当前坐标供用户观察，如果要修改部署情况，可以返回步骤5，直到部署完成。

步骤7，用户通过用户终端4观察各移动节点传感器采集到的数据，如果要改变某个移动节点的位置，可以利用非自主方式改变改节点的位置。

图5为移动节点方法流程图，其具体步骤如下：

步骤1，启动移动节点，设置移动节点初始位置并完成初始化。

步骤2，加入到网状网5中，完成组网后该移动节点就可以直接与基站进行多跳通信。

步骤3，移动节点接收到基站2发来的部署命令包。

步骤4，如果是自主方式，主MCU通过通信接口将自部署命令和相关参数转发给协MCU，由协MCU来执行完成自部署任务；如果是导航方式，主MCU通过通信接口将导航目标地址和相关参数转发给协MCU，由协MCU来执行完成导航任务。

步骤5，当部署命令完成后，协MCU返回节点的当前坐标给主MCU，主MCU再将坐标再发送给基站。

数据路由：

如果在步骤3，移动节点接收到路由数据包，则转发该数据包到其指定的地址。

健康状况测试：

如果在步骤3，移动节点接收到健康测试命令，则发送本节点的健康状况给基站，健康状况包括电池电量以及无线电通信质量。

步骤6：如果在步骤3没有接收到数据包，或者以上步骤已经完成，移动节点采集所携带传感器的数据并通过网状网5发送给基站。

步骤7：重复步骤3。

Claims (3)

1、一种面向危险环境监测的主动式传感器网络***，由客户端计算机、基站和若干移动节点构成，其特征是：基站在移动节点和客户端计算机之间起到一个网关的作用，一方面负责收集移动节点的数据上传给客户端计算机，另一方面负责发送客户终端的命令到移动节点；各移动节点之间以及基站和移动节点之间采用无线通信，通过多跳自组织的方式形成网状网络；移动节点将采集的环境数据通过Xmesh方式单跳或多跳传送给基站，基站将信息分类，并重新打包，通过Internet等骨干网络传送给客户端计算机；客户端根据监测要求发送命令给基站，再由基站将命令分解，单跳或多跳路由给不同的移动节点执行相应任务。

2、一种面向危险环境监测的主动式传感器网络***的移动节点装置，由传感器单元、执行机构单元、通信处理单元以及电源模块构成；其特征是：传感器单元的各传感器采集环境数据，通过接口传送给通信处理单元，由主MCU进行处理并加以存储；执行机构单元由协MCU、编码盘、测距定位设备和电压检测模块以及整体动作机构组成，协MCU控制整体动作机构动作；通信处理单元由无线收发模块、主微控制器MCU和存储器组成。

3、根据权利要求2所述面向危险环境监测的主动式传感器网络***的移动节点装置，其特征是：所述整体动作机构采用后端主动轮加前端万向轮差分结构；万向轮固定于底板上；主动轮通过联轴器连接在带减速机的大扭矩电机上。

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