基于无线传感器网络的团队探险辅助通信和管理方法

文档序号:7867641阅读:217来源:国知局
专利名称:基于无线传感器网络的团队探险辅助通信和管理方法
基于无线传感器网络的团队探险辅助通信和管理方法技术领域
本发明是基于无线传感器网络(Wireless Sensor Networks :WSN)技术在团队探险方面的应用方案,该方案为解决团队探险中存在的即时通信难以保障问题提供了一种重要的解决手段,属于物联网技术领域。
背景技术
团队探险往往面对来自各种极端环境的挑战,因此保障团队探险中通信顺畅和管理可靠具有重要意义。但由于在各种极端环境下传统通信方案无法保障其可靠性乃至可用性,故无法降低外部环境恶劣所带来的风险。经由调研发现现有团队探险通信方案主要存在以下几个问题(1)过度依赖全球定位系统(GlobalPositioning System :GPS)进行定位识别,在暴雨、大雾、大雪等极端气候条件或雨林、溶洞、地下等恶劣自然环境下陷入瘫痪或半瘫痪状态;(2)由于对全球移动通讯系统(GlobalSystem for Mobile Communications GSM)的依赖,在GSM网络无法覆盖的范围无法进行有效通信;(3)由于使用单跳的对讲技术,团队间通信距离受限明显,如遇到溶洞等极端环境通信距离会进一步减少;(4)现存方案中使用的GSM、GPS等技术能耗较高,在无法获取交流电的情况下,系统的生存时间十分有限;(5)现存方案将GPS安装到所有终端设备上,如遇战时等GPS无法使用的情况则无法正常工作,无法简单的切换到替代方案,同时大量GPS芯片的使用也导致系统的成本大幅提升;(6)现存系统无法有效实现由团队领队向团队成员发送广播信息这类一对多的通信方式;本方案拟采用无线传感器网络技术与GPS技术结合进行通信及定位管理。其中, WSN结构通常包括普通型成员节点、增强型成员节点、锚节点和中继节点。WSN技术的使用能有效的避免气候变化(诸如暴雨、大雾、大雪等极端天气的限制)、能耗问题以及单跳传输距离所带来的限制,网络本身能够通过自组织方式构成动态网络,具有较强的健壮性。由于只在锚节点上使用GPS技术,成员携带的节点尺寸及重量将比现有方案大大减小,更易部署、维护。各节点共有结构包括芯片处理及无线通信模块和能量供应模块,语音输入输出模块负责语音信息的采集、信息形式转换和信号放大;处理器模块负责整个节点的操作,存储、处理数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集消息;能量供应模块为传感器运行提供所需要的能量,通常采用锂电池,可辅以太阳能电池。方案使用IEEE 802. 15. 4协议,即Zigbee,这是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术,低功耗、低成本、低速率、短时延,工作在2.4G&,方案中的无线通信模块的通信频段为2.4G/fe ~ 2.4835G/&,最大的组网能力为65000个节点,并且低能耗。针对本方案设计的节点可以使节点生存时间显著提高,进而最大化网络寿命,充分满足团队探险的相关需求。发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种基于无线传感器网络的团队探险辅助通信和管理方法,用来解决团队探险中存在的一些实际问题,通过本方案对团队探险中可能涉及的通信和管理需求进行统筹优化,在资源有限(电池电量、单跳通信距离等)的情况下实现可靠通信网络的组建,并尽可能延长系统的可用通信时间。同时,系统的成本得到降低,而且进一步降低了气候变化等自然环境对装置性能的影响。
技术方案本发明是用来解决团队探险中存在的一些问题,通过引入WSN相关技术,对现存系统的不足进行有效改善,一方面借由WSN技术的多跳自组网技术保障在恶劣气候和环境下的可靠通信;另一方面借由WSN技术低功耗的特性大大延长通信系统的生存周期。从而提供一套可靠、高效的团队探险辅助通信和管理方法。本方案基于无线传感器网络技术,通过ZigBee无线通信技术进行团队语音短信通信及定位信息通信,监控团队成员位置信息,预防可能发生的风险。系统组成见图I。
首先给出几个定义语音短信单条60秒以内的语音信息,用于异步通信。与连续语音通话以及文字短信信息不同,语音短信可以在较低的资源使用率下实现信息的有效快速传递。
普通型成员节点普通型成员节点包括以下几个模块电源模块、语音输入输出模块、芯片处理及无线通信模块。ZigBee网络本身能够通过自组织方式构成网络,并且本方案的通信芯片处理能力强,功耗低,易于人机交互。团队间通信由成员节点间的多跳通信实现,不需要借助外部基站设备。这是本发明和现有系统的区别之一。普通型成员节点结构见图2。
增强型成员节点增强型成员节点与普通型成员节点在硬件上结构相同(见图 2),但具有广播信息的权限,由团队领队持有。
锚节点主要包括无线射频通信模块、导航模块、电压转换模块及电源模块,可以使用锂电池、太阳能电池或有源电源供电。无线通信模块中设定发送信息的周期,以及接收信息的具体工作模式,锚节点放置在可以接收GPS信号的空旷区域获取定位基点信息。通过无线射频通信模块向成员节点和中继节点广播定位基点信息。锚节点结构见图3。
中继节点其主要功能是收集、存储、转发由成员节点及锚节点所发送的信息,延长通信的有效距离。
方法流程基于无线传感器网络的团队探险辅助通信和管理方法将WSN技术运用于团队探险通信,提供了功能强大且可靠的通信方案,该方案具体过程如下步骤I)将锚节点设置在可以接收GPS信号的空旷区域,打开锚节点电源使其处在工作模式;向所有团队成员发放已编号的普通型成员节点,确认节点工作正常;团队领队持有增强型成员节点,确认节点工作正常,使用路由选择算法生成网络的初始化路由,成员节点准备接收锚节点所发送的定位基点信息;当能够接收到北斗导航系统信号时,即处于东经470° -140°,北纬5° -55°这一范围内时,锚节点通过北斗导航系统进行定位,以获取更为精确的定位基点信息;若无法接收北斗导航系统信号时,锚节点自动切换为使用GPS技术获取定位基点信息,锚节点获得定位基点信息后开始向整个网络广播这一信息;步骤2)进入GSM及GPS盲区范围后,在锚节点到团队位置之间的路径上沿途布设中继节点,每布设一个中继节点后确认中继节点工作正常,保证成员节点和锚节点之间的通信顺畅,设置一些冗余中继节点以保证到锚节点有一条以上路由可用;步骤3)当持有普通型节点的团队成员需要与领队或团队其他成员联系时,该成员即发送方使用其成员节点录制一段60秒以内的语音短信通过以节点编号为标识发送到接收方,当接收方不在发送方单跳通信范围内时通过WSN技术的多跳路由技术,经由多个成员节点或中继节点将语音短信送达接收方;送达后接收方成员节点自动向发送方发送包含接收方节点编号的信息成功发送反馈信息;步骤4)当持有增强型节点的团队领队需要向团队其他成员发送广播信息时可使用其成员节点录制一段60秒以内的语音短信向整个网络广播,当存在处在增强型成员节点单跳通信范围以外的成员节点时,借助WSN技术的多跳路由技术,经由多个成员节点或中继节点将语音短信广播至整个网络;当广播语音信息送达一个成员节点即接收方后,该节点自动向增强型节点发送包含接收方节点编号的信息成功发送反馈信息;步骤5)网络路由信息在团队运动中即时更新,根据各节点间的路由跳数和信号强弱这两类相对位置信息配合锚节点提供的定位基点信息这一绝对位置信息,得到每个成员节点较为精确的绝对位置定位信息,团队成员使用节点编号查看特点成员的当前位置以及其与自己间的相对位置关系,团队领队通过增强型成员节点查看整个团队各成员位置信息,从而避免掉队现象的发生,并在必要的情况下用广播信息对团队成员予以引导,规避可能发生的风险。
有益效果本发明提出了一种基于无线传感器网络技术的团队探险辅助通信和管理方法,该方案相比于现有系统具有如下优势(I)目前国内还没有针对团队探险辅助通信和管理方面的低成本、易实现的高技术方案,本方案填补了这一空白,实实在在的解决了在团队探险中碰到的一些令人头疼的问题,具有一定实践意义。
(2)本方案的体系结构简单明了,各模块分工明确,硬件为模块化设计,有益于设备维护和功能扩展。
(3)本系统采用的无线传感器网络技术具有如下几点好处第一,相对于GSM或单跳对讲系统,无线传感网络部署方便,设备设计制造成本、运作成本和维护成本都很低; 第二,自组织形成网络结构,有利于提高网络的健壮性,保证通信的可靠性;第三,采用 Zigbee通信协议,具有低功耗、短时延的特点,保证了较长的通信时间。


图I是网络拓扑结构图,主要由锚节点、中继节点、增强型成员节点和普通型成员节点等四部分组成。
图2是普通型成员节点结构的方框图,主要包括电源模块、语音输入输出模块、芯片处理及无线通信模块。5
图3是锚节点结构的方框图,主要包括无线射频通信模块、导航模块、电压转换模块及电源模块。
图4是锚节点获取定位基点信息的方法流程图。
图5是WSN多跳路由技术的语音短信传送的流程图。
具体实施方式
该团队探险辅助通信和管理方法的完整实施过程具体描述如下步骤I)将锚节点设置在可以接收GPS信号的空旷区域,打开锚节点电源使其处在工作模式;向所有团队成员发放已编号的普通型成员节点,确认节点工作正常;团队领队持有增强型成员节点,确认节点工作正常。使用路由选择算法生成网络的初始化路由。成员节点准备接收锚节点所发送的定位基点信息。当能够接收到北斗导航系统信号时(即处于东经约70° -140°,北纬5° -55°这一范围内时)锚节点通过北斗导航系统进行定位,以获取更为精确的定位基点信息;若无法接收北斗导航系统信号时,锚节点自动切换为使用 GPS技术获取定位基点信息。锚节点获得定位基点信息后开始向整个网络广播这一信息,见图4。
步骤2)进入GSM及GPS盲区范围(如雨林、溶洞、地下等恶劣自然环境)后,在锚节点到团队位置之间的路径上沿途布设中继节点,每布设一个中继节点后确认中继节点工作正常,保证成员节点和锚节点之间的通信顺畅。设置一些冗余中继节点以保证到锚节点有一条以上路由可用。
步骤3)当持有普通型节点的团队成员需要与领队或团队其他成员联系时,该成员 (发送方)可使用其成员节点录制一段60秒以内的语音短信通过以节点编号为标识发送到接收方,当接收方不在发送方单跳通信范围内时通过WSN技术的多跳路由技术,经由多个成员节点或中继节点将语音短信送达接收方。送达后接收方成员节点自动向发送方发送包含接收方节点编号的信息成功发送反馈信息,见图5。
步骤4)当持有增强型节点的团队领队需要向团队其他成员发送广播信息时可使用其成员节点录制一段60秒以内的语音短信向整个网络广播,当存在处在增强型成员节点单跳通信范围以外的成员节点时,借助WSN技术的多跳路由技术,经由多个成员节点或中继节点将语音短信广播至整个网络。当广播语音信息送达一个成员节点(接收方)后,该节点自动向增强型节点发送包含接收方节点编号的信息成功发送反馈信息。
步骤5)网络路由信息在团队运动中即时更新,根据各节点间的路由跳数和信号强弱这两类相对位置信息配合锚节点提供的定位基点信息这一绝对位置信息,可以得到每个成员节点较为精确的绝对位置定位信息。团队成员可以使用节点编号查看特定成员的当前位置以及其与自己间的相对位置关系。团队领队可通过增强型成员节点查看整个团队各成员位置信息,从而避免掉队现象的发生,并在必要的情况下用广播信息对团队成员予以引导,避免可能发生的风险。
以实际场景为例,把以上的系统具体运用到一次溶洞团队探险当中,涉及地点溶洞(GSM及GPS盲区);涉及人物团队领队,普通成员1,普通成员2,普通成员3。涉及节点 锚节点,中继节点A,中继节点B,增强型成员节点,普通型成员节点I,普通型成员节点2,普通型成员节点3。见图I。具体步骤如下步骤I)将锚节点设置在溶洞外可以接收GPS信号的空旷区域,打开锚节点电源使其处在工作模式;向所有团队成员(普通成员1,普通成员2,普通成员3)发放已编号的普通型成员节点,确认节点工作正常;团队领队持有增强型成员节点,确认节点工作正常。成员节点准备接收锚节点所发送的定位基点信息。团队所在地能够接收到北斗导航系统信号,锚节点通过北斗导航系统进行定位,成功获取定位基点信息,向整个网络广播这一信息。
步骤2)团队进入溶洞后,行进期间沿途布设中继节点A和中继节点B,每布设一个中继节点后确认中继节点工作正常,保证成员各节点和锚节点之间的通信顺畅,能够获取基点定位信息。
步骤3)普通成员I需向普通成员3发送一条语音短信,使用其成员节点录制一段 60秒以内的语音短信后普通成员I通过以节点编号为标识将信息发送给普通成员3,由于普通成员3不在普通成员I单跳通信范围内,通过WSN技术的多跳路由技术,信息经由普通成员2将语音短信送达普通成员3。送达后普通成员3的成员节点自动向普通成员I发送包含其节点编号的信息成功发送反馈信息,故普通成员I可确认信息发送成功。
步骤4)溶洞前方发现阻碍,持有增强型节点的团队领队需要向团队其他成员发送广播信息提醒大家注意安全,普通型成员节点2和普通型成员节点3处在增强型成员节点单跳通信范围以内,信息可直接送达;增强型成员节点单跳通信范围以外的普通型成员节点I借助WSN技术的多跳路由技术,经由普通型成员节点2获得广播信息。广播语音信息成功送达各成员,各节点自动向增强型节点发送包含其节点编号的信息成功发送反馈信息,故团队领队可确认信息发送成功。
步骤5)团队向溶洞前方深入途中网络路由信息即时更新,根据各节点间的路由跳数和信号强弱这两类相对位置信息配合锚节点提供的定位基点信息这一绝对位置信息,增强型成员节点将团队成员的当前位置反馈给团队领队。团队领队发现现在的队形过于松散存在潜在风险,向团队其他成员发送广播信息提醒大家聚拢,规避可能发生的风险。
权利要求
1.一种基于无线传感器网络的团队探险辅助通信和管理方法,其特征是将WSN技术运用于团队探险通信,提供了功能强大且可靠的通信方案,该方案具体过程如下 步骤I)将锚节点设置在可以接收GPS信号的空旷区域,打开锚节点电源使其处在工作模式;向所有团队成员发放已编号的普通型成员节点,确认节点工作正常;团队领队持有增强型成员节点,确认节点工作正常,使用路由选择算法生成网络的初始化路由,成员节点准备接收锚节点所发送的定位基点信息;当能够接收到北斗导航系统信号时,即处于东经70° -140°,北纬5° -55°这一范围内时,锚节点通过北斗导航系统进行定位,以获取更为精确的定位基点信息;若无法接收北斗导航系统信号时,锚节点自动切换为使用GPS技术获取定位基点信息,锚节点获得定位基点信息后开始向整个网络广播这一信息; 步骤2)进入GSM及GPS盲区范围后,在锚节点到团队位置之间的路径上沿途布设中继节点,每布设一个中继节点后确认中继节点工作正常,保证成员节点和锚节点之间的通信顺畅,设置一些冗余中继节点以保证到锚节点有一条以上路由可用; 步骤3)当持有普通型节点的团队成员需要与领队或团队其他成员联系时,该成员即发送方使用其成员节点录制一段60秒以内的语音短信通过以节点编号为标识发送到接收方,当接收方不在发送方单跳通信范围内时通过WSN技术的多跳路由技术,经由多个成员节点或中继节点将语音短信送达接收方;送达后接收方成员节点自动向发送方发送包含接收方节点编号的信息成功发送反馈信息; 步骤4)当持有增强型节点的团队领队需要向团队其他成员发送广播信息时可使用其成员节点录制一段60秒以内的语音短信向整个网络广播,当存在处在增强型成员节点单跳通信范围以外的成员节点时,借助WSN技术的多跳路由技术,经由多个成员节点或中继节点将语音短信广播至整个网络;当广播语音信息送达一个成员节点即接收方后,该节点自动向增强型节点发送包含接收方节点编号的信息成功发送反馈信息; 步骤5)网络路由信息在团队运动中即时更新,根据各节点间的路由跳数和信号强弱这两类相对位置信息配合锚节点提供的定位基点信息这一绝对位置信息,得到每个成员节点较为精确的绝对位置定位信息,团队成员使用节点编号查看特点成员的当前位置以及其与自己间的相对位置关系,团队领队通过增强型成员节点查看整个团队各成员位置信息,从而避免掉队现象的发生,并在必要的情况下用广播信息对团队成员予以引导,规避可能发生的风险。
全文摘要
本发明是一种基于无线传感器网络的团队探险辅助通信和管理方法,团队探险中不可避免的会遭遇各种极端气候及恶劣自然环境,造成个人、团队乃至整个社会诸多难以预料的损失。本发明是探索解决团队探险中通信和管理的一种可行性方案。本发明基于WSN技术,运用ZigBee网络实现团队中语音短信的传输,通过对普通型成员节点、增强型成员节点及团队领队用节点间相对位置信息的分析辅以锚节点提供的GPS定位信息,综合处理后提供高效节能的定位服务。在各种现有系统无法有效工作的极端环境下,本方法可降低风险,规避可能发生的事故,提高处理异常事故的成功率。
文档编号H04W4/02GK102984657SQ20121051856
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月6日 优先权日2012年12月6日
发明者孙力娟, 张志博, 肖甫, 郭剑, 王汝传, 韩崇, 杜晓玉 申请人:南京邮电大学
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