王苗苗，王 玲

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能地雷系統(tǒng)設(shè)計

王苗苗，王 玲

(沈陽理工大學(xué) 兵器科學(xué)技術(shù)研究中心，沈陽110159)

信息技術(shù)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中扮演著越來越重要的角色，正推動著一場新的軍事變革，而智能地雷正是這一變革中的產(chǎn)物，其關(guān)鍵技術(shù)是傳感器采集及組網(wǎng)通信技術(shù)。闡述了雷場的工作流程，結(jié)合微控制器和無線通信芯片完成了硬件設(shè)計和物理實現(xiàn)，通過 C++語言設(shè)計了圖形化控制界面，簡單介紹了系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有小型化、硬件模塊化、低功耗、組網(wǎng)通信一體化設(shè)計、集成度高、工程實現(xiàn)簡單，適用于長期工作的彈藥系統(tǒng)。

智能地雷;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);組網(wǎng)通信

智能化的地雷系統(tǒng)通常建立在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種特殊的無線自組織網(wǎng)絡(luò)[1]，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通常擁有相同的硬件結(jié)構(gòu)。

軍事應(yīng)用中對智能地雷的尺寸有嚴格的要求，故傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)難以滿足軍事需求。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件資源有限、電源容量有限、節(jié)點數(shù)量大、無中心和自組織網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種新型的智能地雷系統(tǒng)。利用S3C2416芯片的低功耗特性，設(shè)計了功耗較小的功能電路[2]；利用C++、數(shù)據(jù)庫、串口通信等技術(shù)建立實時動態(tài)的監(jiān)控界面；利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù),通過建立各終端節(jié)點網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系，構(gòu)建了終端節(jié)點自組織網(wǎng)絡(luò)；通過多傳感器采集終端節(jié)點數(shù)據(jù)和分析完成目標判斷,得到目標的精準信息,為引爆目標提供精確的指令[3]。

1 終端設(shè)備的工作流程

終端設(shè)備工作流程如下:在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)人工布置終端設(shè)備，連通終端設(shè)備；首先判斷監(jiān)控中心是否正常工作；如果監(jiān)控中心正常工作，終端節(jié)點快速組織形成無線網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備處于備戰(zhàn)狀態(tài)；若監(jiān)控中心不能正常工作，終端節(jié)點之間進行比較，選擇出最優(yōu)的監(jiān)控中心，并迅速組成無線網(wǎng)絡(luò)；由傳感器采集監(jiān)控區(qū)域的探測參數(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至各終端設(shè)備的監(jiān)控中心，同時將數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控中心；監(jiān)控中心通過網(wǎng)關(guān)傳回處理數(shù)據(jù)建立設(shè)備拓撲結(jié)構(gòu)，并監(jiān)視設(shè)備的工作狀態(tài)；威脅參數(shù)達到閾值時，監(jiān)控中心可以通過控制中心向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送命令，控制地雷節(jié)點完成自毀、失效、失能等操作[3]，其工作流程如圖 1 所示。

圖1 終端設(shè)備工作流程

2 硬件電路設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件電路是整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，地雷監(jiān)控系統(tǒng)功能的實現(xiàn)都必須通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)。Adhoc網(wǎng)絡(luò)在40MHz頻段設(shè)計無線通信，設(shè)計高頻電路時與設(shè)計低頻電路時需要考慮的因素不同，前者考慮重點是有效而無損地實現(xiàn)信號的無線傳輸，其關(guān)鍵是電路之間的阻抗匹配。微控制器采用Samsung公司的高性能、低功耗微控制芯片S3C2416，獨立的16KB指令和16KB數(shù)據(jù)高速緩存，進行虛擬內(nèi)存管理的MMU，LCD控制器，NAND閃存啟動加載器，系統(tǒng)管理器。無線網(wǎng)卡選用六和萬通公司的LHWT-WT6104芯片，LHWT-WT6104芯片完整實現(xiàn)了IEEE標準所規(guī)定的802.11a/b/g基帶信號處理，協(xié)議處理以及各種附加增強功能模塊。支持802.11b和802.11a所要求的各種調(diào)制方式，能夠提供協(xié)議規(guī)定的1Mpbs到54MPbs的全部傳輸速率。該芯片能夠完成媒體接入層(MAC)所規(guī)定的所有協(xié)議，并針對語音通信的要求，加入了對802.11e協(xié)議的支持。除此之外，該芯片提供了大量的安全和加密算法，并能有效融合802.11i標準和標準。萬通四號針對組網(wǎng)通信的特點，從體系結(jié)構(gòu)到最終實現(xiàn)，都充分考慮了功耗控制，能夠提供多種工作模式[4]。該芯片支持802.11a/bg的WLAN芯片，有效降低功耗，并為板級設(shè)計提供了良好的EMC特性。硬件電路實物圖如圖2所示。

圖2 硬件電路實物圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)軟件主要分為兩大部分:終端設(shè)備軟件和遠程監(jiān)控中心軟件。終端設(shè)備軟件主要是普通傳感器節(jié)點和通信節(jié)點，主要包括數(shù)據(jù)的采集，發(fā)送，接收和處理等。遠程監(jiān)控中心則主要由用戶界面、數(shù)據(jù)處理部分(歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù))、控制部分組成。下面對這兩部分加以介紹。

終端設(shè)備軟件中傳感器節(jié)點主要負責(zé)采集監(jiān)控數(shù)據(jù)，實時讀取傳感器的探測信息，并周期性地將采集信息發(fā)送給通信節(jié)點，通信節(jié)點主要負責(zé)從監(jiān)控模塊接收遠程控制中心命令(數(shù)據(jù)采集命令和控制命令)，并將命令傳送給控制節(jié)點。控制節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)傳回通信節(jié)點，通信節(jié)點將數(shù)據(jù)傳回遠程控制中心。在系統(tǒng)應(yīng)用之前，通信節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器具有組建網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)[5]。

在本系統(tǒng)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)最終要遠程傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，釆用無線通信技術(shù)來滿足遠程傳輸?shù)囊?。實際應(yīng)用過程中，通信射頻模塊和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過串口連接。通信射頻模塊起到了橋梁的作用，傳感器采集數(shù)據(jù)通過通信射頻模塊發(fā)送給遠程計算機中心，同時，遠程計算機中心的命令也通過通信模塊通過串口傳給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制中心，完成遠程計算機監(jiān)控中心與終端節(jié)點之間的信息交互。監(jiān)控中心是系統(tǒng)的監(jiān)控指揮中心，主要包括兩大方面的功能。一個是對系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)進行監(jiān)測，同時對系統(tǒng)出現(xiàn)異常時進行引爆，對威脅參數(shù)超出標準時，啟動控制設(shè)備，對系統(tǒng)進行控制引爆。軟件設(shè)計的開發(fā)平臺為Linux，開發(fā)工具是C++，數(shù)據(jù)庫采用SQL 2008，存儲敵方設(shè)備的即時狀態(tài)，如敵物的速度，距離，進攻角度，加速度等。監(jiān)控中心的界面設(shè)計圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)控界面設(shè)計圖

設(shè)置按鈕中的通信參數(shù)設(shè)計界面如圖4所示。

圖4 設(shè)置按鈕界面設(shè)計圖

4 WSN的結(jié)構(gòu)和實驗測試

ZigBee技術(shù)是一種面向自動化和無線控制的低速率、低功耗、低價格的無線網(wǎng)絡(luò)方案。在這種網(wǎng)絡(luò)中，有兩種設(shè)備類型，一種是功能簡化型設(shè)備(RducedFunction Device,RFD),另一種是功能完備設(shè)備(Full Function Device,FFD)。在網(wǎng)絡(luò)中，F(xiàn)FD與RFD分工不同，F(xiàn)FD可以充當網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，也可以是路由器或者終端設(shè)備，它可以同時和多個RFD或者多個FFD通信；RFD只能作為終端設(shè)備，與FFD通信。RFD應(yīng)用簡單、且容易實現(xiàn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層支持3種拓撲結(jié)構(gòu):星形(Star)結(jié)構(gòu)，簇樹形(Cluster Tree)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀(Mesh)結(jié)構(gòu)[6]。該項目選用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所有的節(jié)點都與一個中心節(jié)點進行通信。中心節(jié)點負責(zé)監(jiān)聽所有節(jié)點的數(shù)據(jù)報文并轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的目的節(jié)點。為驗證系統(tǒng)的性能，進行了通信性能測試。使用5個終端節(jié)點組成無線網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點通過傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過控制中心信息處理后，通過通信射頻模塊發(fā)送至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心掌握終端節(jié)點即時狀態(tài)，并在威脅參數(shù)達到標準完成自毀、失效、失能等指令功能。實驗過程:實驗采用 PC 機作為監(jiān)控中心正常工作，PC 機安裝通信控制界面，并以串口方式與遠程通信模塊相連，通信參數(shù)為:波特率115200bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶效驗位。實驗監(jiān)測時，打開各節(jié)點電源開關(guān)，觀察其5個終端節(jié)點組網(wǎng)通信狀態(tài)，通信節(jié)點是否發(fā)送全部信息，上位機是否接收數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)處理;上位機是否發(fā)送單節(jié)點引爆命令、多節(jié)點引爆命令、單節(jié)點失效命令、多節(jié)點失效命令，觀察各節(jié)點是否完成相應(yīng)操作；PC 機不能作為監(jiān)控中心時，終端節(jié)點比較選擇最優(yōu)監(jiān)控中心，控制終端節(jié)點完成引爆，失效工作。圖5為2個終端設(shè)備的組網(wǎng)過程，表1為通信狀態(tài)、PC機正常工作，指令完成狀態(tài)、PC異常指令完成狀態(tài)實驗測試結(jié)果。

圖5 終端設(shè)備組網(wǎng)過程

節(jié)點1節(jié)點2節(jié)點3節(jié)點4節(jié)點5通信狀態(tài)正常正常正常正常正常正常狀態(tài)完成完成完成完成完成異常狀態(tài)完成完成完成完成完成

5 結(jié)術(shù)語

在人工布設(shè)的智能地雷系統(tǒng)中,監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的各個終端設(shè)備應(yīng)具有自組網(wǎng)的能力。本文利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù),通過建立各終端節(jié)點網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系，構(gòu)建了終端節(jié)點自組織網(wǎng)絡(luò)；通過多傳感器采集終端節(jié)點數(shù)據(jù),分析多傳感器采集到的數(shù)據(jù),完成目標判斷,得到目標的精準信息,為引爆目標提供精確的指令。

[1]楊寧.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)研究[J].無線電工程,2006,36(2):11-13.

[2]繆迪.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計及應(yīng)用[D].杭州:浙江大學(xué)，2010.

[3]高昆.智能雷場的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究[J].無線電工程,2008,38(4):2-4.

[4]何勝強，張安.飛機航空電子綜合火控系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境仿真[J].火力與指揮控制，2008，33(2):41-45.

[5]謝俊杰.毫米波探測技術(shù)在智能地雷中的應(yīng)用[J].制導(dǎo)與引信,2006,27(2):56-60.

[6]穆磊,姜春蘭,李明.基于 TDMA 的戰(zhàn)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點低功耗通信協(xié)議實現(xiàn)[J].科技導(dǎo)報，2010,28(18):75-79.

(責(zé)任編輯:馬金發(fā))

Mine System Design of Sensor Networks

WANG Miaomiao,WANG Ling

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Information technology plays increasingly important role in modern warfare,which drives a new revolution in military affairs.Smart mine systems is the product of this transformation,and the key technology is the sensor to collect and group network communication technology.Workflow minefields are described,which combine microcontrollers and wireless communication chip to complete hardware design and physical implementation,graphical control interface through C++language designs,and introduce briefly the system software.Experimental results show that the system has miniaturized,modular hardware,low-power,integrated set of network communication design,high integration,and simple project,which is suitable for long-term work of ammunition systems.

intelligent mines;wireless sensor networks;networking communication

2015-11-25

王苗苗(1990—)，女，碩士研究生；通訊作者:王玲(1960—),男，教授，研究方向:嵌入式計算機應(yīng)用及非線性控制系統(tǒng)。

1003-1251(2017)01-0107-04

TN927

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