曹玉梅+李建榮

摘 要： 在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，信號(hào)的類型多種多樣并相互混合，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)分離工作帶來了挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計(jì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、信號(hào)分離平臺(tái)和信號(hào)提純平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)利用6700K處理器進(jìn)行無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的采集和管理。信號(hào)分離平臺(tái)構(gòu)建運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)準(zhǔn)確分離并傳輸?shù)叫盘?hào)提純平臺(tái)。信號(hào)提純平臺(tái)將信號(hào)中多余參數(shù)和編碼除去，以縮減模塊能耗、提高模塊準(zhǔn)確度。模塊實(shí)現(xiàn)部分給出了模塊的功能圖，以及信號(hào)提純平臺(tái)基站中BOA服務(wù)器的工作流程圖。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，所構(gòu)建的模塊擁有準(zhǔn)確度高、能耗小的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 無線傳感網(wǎng)絡(luò)； 信號(hào)提純； 分離提純模塊； BOA服務(wù)器

中圖分類號(hào)： TN711?34； TN929.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用的當(dāng)今社會(huì)，各科研組織開始爭(zhēng)先挑戰(zhàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的分離提純工作 [1?3]。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，信號(hào)的類型多種多樣并相互混合，該何時(shí)、何地、用何種方式將其分離提純，是科研組織研究的重點(diǎn)內(nèi)容[4?6]。曾研究出的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊均不成熟，有價(jià)值的成果較少，這使得無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊的構(gòu)建工作更為迫切。各科研組織曾研究出的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊均具有一定的局限性。如文獻(xiàn)[7]構(gòu)建基于H?J算法的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊，該模塊選取反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)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(zhǔn)確度較高，但只適用于小型無線傳感網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)分離提純，在大型無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用效果不佳。文獻(xiàn)[8]構(gòu)建獨(dú)立源信號(hào)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊，該模塊首先對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的源信號(hào)進(jìn)行成分解析，根據(jù)信號(hào)成分的差異性將其分離提純。該模塊的準(zhǔn)確度雖不高，但其所提出獨(dú)立分離理念，為科研組織對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純提供了研究方向。文獻(xiàn)[9] 構(gòu)建基于快速定點(diǎn)算法的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊，整個(gè)模塊的能耗非常少，且準(zhǔn)確度和效率均不低，但其算法過于復(fù)雜，所需的科研人員較多，研究經(jīng)費(fèi)較為昂貴。文獻(xiàn)[10]構(gòu)建基于JADE的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊，該模塊利用聯(lián)合對(duì)角化算法（JADE），能夠?qū)o線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的分離。但聯(lián)合對(duì)角化算法的求解范圍較小，故模塊無法在過于復(fù)雜的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

為了解決以上無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊的局限性，構(gòu)建準(zhǔn)確度高、能耗小的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，所構(gòu)建的模塊擁有準(zhǔn)確度高、能耗小的特點(diǎn)。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊依次對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、信號(hào)分離平臺(tái)和信號(hào)提純平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。利用較小的能耗，實(shí)現(xiàn)了模塊對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的有效分離提純。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的采集和管理。信號(hào)分離平臺(tái)則能夠?qū)o線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)準(zhǔn)確分離并傳輸?shù)叫盘?hào)提純平臺(tái)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊利用信號(hào)提純平臺(tái)，除去信號(hào)中多余的參數(shù)和編碼，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)信號(hào)提純目的。

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為信號(hào)采集和轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)操作平臺(tái)，其各元件間應(yīng)完美兼容，以保證無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)發(fā)效率。無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由處理器、傳感器和電源組成，其各元件間的供求關(guān)系如圖1所示。

圖1中無線傳感器節(jié)點(diǎn)各元件間的供求關(guān)系是根據(jù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊預(yù)設(shè)的信號(hào)分離標(biāo)準(zhǔn)和能耗控制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。電源根據(jù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中處理器和傳感器差異性的工作性質(zhì)，給予二者不同的電壓。為了避免無線傳感網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)過多所導(dǎo)致的能耗非正常損失，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)選擇運(yùn)算能力較高的6700K處理器，有選擇性地將信號(hào)中多余信號(hào)刪除，最大限度地降低模塊能耗。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)利用6700K處理器強(qiáng)大的運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊的信號(hào)采集、指令管理、耗能監(jiān)控、信號(hào)分離等功能。該處理器還給出了信號(hào)的通信協(xié)議，通信協(xié)議定義了信號(hào)的波信號(hào)頻率標(biāo)準(zhǔn)，其能夠調(diào)節(jié)不正常頻率，為信號(hào)的分離工作提供保障。6700K處理器通過運(yùn)算，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)中各類型信號(hào)選擇不同的傳輸通道，傳輸?shù)絺鞲衅髦羞M(jìn)行處理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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?qū)崿F(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的感應(yīng)、放大和參數(shù)轉(zhuǎn)化。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)利用傳感器連接信號(hào)分離平臺(tái)，將已處理的信號(hào)分類型傳輸。

1.2 信號(hào)分離平臺(tái)設(shè)計(jì)

信號(hào)分離平臺(tái)利用運(yùn)動(dòng)跟蹤技術(shù)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合的方式，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)進(jìn)行分離。運(yùn)動(dòng)跟蹤技術(shù)為傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了多種類型信號(hào)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信號(hào)將傳遞至其相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊可通過信號(hào)的測(cè)量值將其高效分離。運(yùn)動(dòng)跟蹤技術(shù)利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型將運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中的信號(hào)分離開。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。

由圖2可知，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系信號(hào)分離的過程為：信號(hào)在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中被大致分成線狀譜線、調(diào)制譜線和連續(xù)譜，這些譜線經(jīng)由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被提取出特性向量。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型利用特性向量進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練成功后，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)便可對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系信號(hào)進(jìn)行無量綱處理。經(jīng)無量綱處理后的信號(hào)，都將在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，這提高了無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊的處理效率。經(jīng)由對(duì)無量綱處理后的信號(hào)進(jìn)行變形、解析，可獲取無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的分布概率。信號(hào)分離平臺(tái)根據(jù)各信號(hào)不同數(shù)值的分布概率，對(duì)不同類型的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，并將分離結(jié)果輸出到信號(hào)提純平臺(tái)。

1.3 信號(hào)提純平臺(tái)設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的使用時(shí)效非常短，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行提純操作，以幫助無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)延長(zhǎng)使用時(shí)效、提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊的準(zhǔn)確度。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊利用GAINS3試驗(yàn)箱創(chuàng)建信號(hào)提純平臺(tái)。信號(hào)提純平臺(tái)主要由傳感器、用戶接口和基站組成，如圖3所示。

圖3中設(shè)計(jì)的信號(hào)提純平臺(tái)的性能強(qiáng)勁，這得益于GAINS3試驗(yàn)箱的高效性。傳感器將信號(hào)分離平臺(tái)傳輸來的信號(hào)分離結(jié)果按照固定信號(hào)和運(yùn)動(dòng)信號(hào)分流，其分流標(biāo)準(zhǔn)是兩種信號(hào)的存儲(chǔ)量（固定信號(hào)的存儲(chǔ)量要比運(yùn)動(dòng)信號(hào)的存儲(chǔ)量低很多），模塊對(duì)存儲(chǔ)量低的信號(hào)的分析能力更強(qiáng)，傳輸過程中數(shù)據(jù)丟失量也更少。固定信號(hào)為運(yùn)動(dòng)信號(hào)提供定位參數(shù)，運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)在通過用戶接口傳輸?shù)交厩埃槐Ａ羝渥陨淼亩ㄎ粎?shù)和重要編碼，這種方式可在縮減無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊耗能的同時(shí)，節(jié)省模塊存儲(chǔ)空間，進(jìn)而延長(zhǎng)信號(hào)的使用時(shí)效，提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊的準(zhǔn)確度。

信號(hào)提純平臺(tái)的基站能夠?qū)λ邮盏男盘?hào)進(jìn)行模糊推理、信號(hào)顯示和軌跡顯示。信號(hào)提純平臺(tái)經(jīng)由模糊推理構(gòu)建拓?fù)錁?，進(jìn)而將無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)提純出來。用戶在基站中可實(shí)時(shí)查看無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的信息（包括信號(hào)位置、分離和提純的處理流程和實(shí)時(shí)變化曲線等）和運(yùn)行軌跡。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊實(shí)現(xiàn)

2.1 模塊功能設(shè)計(jì)

為更好地進(jìn)行無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的分離和提純，無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊利用理論和算法相結(jié)合的控制手段，設(shè)計(jì)了對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)管控、信號(hào)管理、運(yùn)算控制、存儲(chǔ)控制和進(jìn)程休眠控制的功能見圖4。

由圖4可知，無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊為信號(hào)分離平臺(tái)提供了信號(hào)管理和運(yùn)算控制的功能，為信號(hào)提出平臺(tái)提供了存儲(chǔ)控制和進(jìn)程休眠控制的功能。無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)管控功能對(duì)整個(gè)模塊進(jìn)行管理和控制，主要進(jìn)行無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)各平臺(tái)的錯(cuò)誤進(jìn)程進(jìn)行修正；信號(hào)管理功能進(jìn)行信號(hào)分離平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和后期修復(fù)；運(yùn)算控制功能對(duì)信號(hào)分離平臺(tái)的運(yùn)算過程進(jìn)行控制，防止不必要的運(yùn)算誤差出現(xiàn)；存儲(chǔ)控制功能進(jìn)行信號(hào)提純平臺(tái)傳感器電路中緩沖器和存儲(chǔ)器的飽和管理；進(jìn)程休眠控制功能可阻止信號(hào)提純平臺(tái)中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的超前操作。

2.2 基站服務(wù)器流程設(shè)計(jì)

信號(hào)提純平臺(tái)基站用戶服務(wù)器的選擇，應(yīng)首先考慮其對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的顯示性能?；痉?wù)器的優(yōu)點(diǎn)在于：它的源代碼是全面透明的，且擁有單進(jìn)程處理能力。當(dāng)用戶打開某一無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)時(shí)，基站服務(wù)器僅利用單進(jìn)程對(duì)其進(jìn)行顯示，這大大提高了顯示效率，避免了多進(jìn)程服務(wù)器造成的基站崩潰問題。圖5為基站服務(wù)器工作流程圖。

由圖5可知，基站服務(wù)器在基站啟動(dòng)之初便開始工作，其首先創(chuàng)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的顯示進(jìn)程，設(shè)置好顯示參數(shù)后，基站服務(wù)器開始監(jiān)視用戶接口。用戶接口一旦出現(xiàn)信號(hào)傳輸請(qǐng)求，基站服務(wù)器便對(duì)該請(qǐng)求進(jìn)行解析，查詢請(qǐng)求中是否存在非法數(shù)據(jù)。若不存在，則讀取請(qǐng)求以進(jìn)行無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的接收下載；若存在，則對(duì)該請(qǐng)求進(jìn)行解碼，并關(guān)閉基站中的下載接口，防止非法數(shù)據(jù)流入基站。非法請(qǐng)求解析成功后應(yīng)對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)操作，防止同類非法請(qǐng)求的再次侵入。

3 實(shí) 驗(yàn)

為驗(yàn)證所構(gòu)建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊擁有準(zhǔn)確度高、能耗小的特點(diǎn)，利用本文模塊和基于JADE的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊，對(duì)實(shí)驗(yàn)車輛無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的行駛信號(hào)進(jìn)行分離提純。

對(duì)于無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊的準(zhǔn)確度，實(shí)驗(yàn)將兩個(gè)模塊的誤差輸出曲線進(jìn)行對(duì)比。誤差能夠直觀地反映出無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊的準(zhǔn)確度，誤差值越小、曲線波動(dòng)越穩(wěn)定，模塊的準(zhǔn)確度就越大。圖6是基于JADE的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)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(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊的誤差輸出曲線在0值上下波動(dòng)，較為穩(wěn)定。其最大誤差為0.27，最小誤差為0（圖6中的正負(fù)值僅代表信號(hào)經(jīng)由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被提取出的特性向量的方向，與數(shù)值大小無關(guān)），誤差較小?，F(xiàn)給出本文模塊誤差輸出曲線與其對(duì)比，如圖7所示。

由圖7易知，本文模塊的誤差輸出曲線波動(dòng)更為穩(wěn)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(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊誤差低0.09。由此可知，本文系統(tǒng)的準(zhǔn)確度較高。無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊準(zhǔn)確度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將基于JADE的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊，和本文模塊的實(shí)時(shí)能耗曲線輸出并對(duì)比。實(shí)驗(yàn)對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊能耗的記錄周期是10 s，即對(duì)每個(gè)模塊采集了400個(gè)能耗數(shù)據(jù)，兩模塊實(shí)時(shí)能耗曲線對(duì)比圖如圖8所示。由圖8可知，基于JADE的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊實(shí)時(shí)能耗曲線的大部分均在本文模塊實(shí)時(shí)能耗曲線的上方，僅在時(shí)間區(qū)間[3 500 s，3 800 s]內(nèi)結(jié)果反向。由以上結(jié)果能夠推斷出，本文模塊的整體耗能水平較低。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分離提純模塊，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、信號(hào)分離平臺(tái)和信號(hào)提純平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)利用6700K處理器進(jìn)行無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的采集和管理。信號(hào)分離平臺(tái)構(gòu)建運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)準(zhǔn)確分離并傳輸?shù)叫盘?hào)提純平臺(tái)。信號(hào)提純平臺(tái)將信號(hào)中多余參數(shù)和編碼除去，以縮減模塊能耗、提高模塊準(zhǔn)確度。模塊實(shí)現(xiàn)部分給出了模塊的功能圖，以及信號(hào)提純平臺(tái)基站中BOA服務(wù)器的工作流程圖。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，所構(gòu)建的模塊擁有準(zhǔn)確度高、能耗小的特點(diǎn)。

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