用于搜救被困人员的无线传感网络系统及方法

摘要

本发明公开了一种用于搜救被困人员的无线传感网络系统及方法，由体征数据采集传感器节点、基于RSSI值的无线定位设备、Sink节点和终端显示设备四个部分组成。体征数据采集传感器节点将采集的体征数据进行处理后通过多跳路由传输发送至Sink节点，Sink节点再将数据通过其它基础支撑网络发送至系统终端，与此同时无线定位系统根据其参考定位节点的位置计算出待定位节点的相对位置，将相对位置的坐标信息通过无线协调器传送到Sink节点。Sink节点将此相对坐标结合参考定位节点的绝对位置计算出移动节点的绝对位置并传送到救援人员的移动终端，救援人员可以准确快捷的确定被掩埋生命的具体位置。

说明书

技术领域

本发明属于嵌入式系统和无线通信技术的交叉领域，具体是一种用于搜救被困人员的无线传感网络系统及方法。

背景技术

无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，具有快速展开、部署方便、抗毁性强等特点，它综合了计算技术、通信技术及传感器技术，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境信息或被监测对象的信息，将数据信息通过汇聚节点(Sink)，以自组多跳的无线传输方式最终呈现在用户终端。因此，这样的一种网络技术非常适合于地震或者坍塌等抗震救灾场景。

然而，在抗震救灾的现场，往往存在以下问题需要解决：

如何迅速得知谁还有生命特征：一般情况下在多震地区，居民需要随身携带可穿戴或者便携式的体征数据采集传感器，这些能够探测体征信息的微型传感设备可能嵌入到手机、手表甚至是衣服鞋帽等物品中；一旦周围迅速搭建起临时组建的无线传感器网络，这些体征信息便能通过多跳路由的无线信道传送出去；救援人员通过无线传感网定位技术能够获取到尚有体征信息的受灾人员的位置，开展“先救活人”的有效救援策略。

通信路径屏蔽或者节点失效：一旦用于抗震救灾的无线网络配置完成，根据当时的射频环境以及可用节点集，设备之间的无线通信路径就被确定。这些路径可能会被坍塌物等金属设备屏蔽，甚至设备自身的一些细微的改变或者节点本身的失效也会造成通信路径的屏蔽，这样的网络环境同样不利于“救人如救火”的救援工作开展，因此需要建立一个在经常出现通信路径屏蔽或者节点失效场景下能有效运作的可扩展无线传感器网络。这就要求临时搭建的传感网具有抗干扰性好的节点及其网关设备，以及健壮的路由机制，在出现节点失效的情况下能够绕过失效节点，重新选择路由。

发明内容

本发明的目的是解决目前重大灾害如地震或者山体滑坡对掩埋生命的抢救困难的难题，提出一种用于搜救被困人员的无线传感网络系统及实现方法。

本发明用于搜救被困人员的无线传感网络系统包括体征数据采集传感器节点、基于RSSI(Received Signal Strength Index,接收信号强度指示)值的无线定位设备、Sink节点和终端显示设备，其中基于RSSI值的无线定位设备包括无线定位协调器、测量节点、参考定位节点和待定位节点；

体征数据采集传感器节点将采集的体征数据通过多跳路由发送至Sink节点，同时基于RSSI值的无线定位设备计算出待定位人员相对参考定位节点的位置，将相对位置的坐标信息传送到Sink节点，Sink节点计算待定位人员的绝对位置并传送到救援人员的终端显示设备。

所述体征数据采集传感器包括主控模块、传感器模块和通信模块，所述传感模块由生命体征传感器及其外围电路组成，所述通信模块由远距离射频收发芯片及其外围电路组成。

所述生命体征传感器为体温传感器、血压传感器、脉搏传感器中的至少一种。

利用无线传感网络系统搜救被困人员的方法，包括以下步骤：

A1、所有节点在指定频率上进行监听以发现邻居节点，监听的过程中，向网络广播本节点的位置信息；发现邻居节点后建立邻居节点列表；

A2、体征数据采集传感器节点建立完邻居列表后建立多条传输路径并选择有效路由；

A3、Sink节点判定哪些体征数据采集传感器节点的携带者仍有生命体征，则广播这些节点成为待定位节点，其附近的参考定位节点对其进行定位；

A4、根据参考定位节点接收到的待定位节点的信号强度，采用最小二乘法进行计算，完成对待定位节点的定位；

A5、Sink节点从无线定位系统协调器获得待定位节点的实时相对位置，将该相对位置转换为绝对位置并通过无线局域网、Internet或移动通信网络发送到救援人员的终端显示设备。

A2中建立多条传输路径并选择有效路由的具体过程为：

a2-1、建立转发模型；节点i的拥塞度定义为其中Cache(i)_init和Cache(i)_used分别为节点i的初始缓存量和已使用缓存大小，CD(i)越小，说明节点转发数据的能力越强，反之则越弱；另外，节点的转发选择因子定义为其中，E(i)_init和E(i)_rest分别为节点i的初始与剩余能量，Hop(i)为节点i距离Sink节点的跳数；

a2-2、体征数据采集传感器节点根据其邻居节点的转发选择因子FD(i)进行递减排序，选择FD(i)值最大的节点作为下一跳节点进行体征数据传输；

a2-3、体征数据采集传感器节点发送完数据后进入接收模式等待接收ACK信号，若其下一跳节点成功接收到数据，将向体征数据采集传感器节点发送ACK信号，其中，等待时间设为T_wait，若在T_wait时间内收到ACK信号，则表示此次转发成功，下一跳节点也执行a2-2和a2-3的操作直至数据传输至Sink节点后执行a2-4；否则，在通信路径被屏蔽或者网络拥塞的情况下，体征数据采集传感器节点在T_wait时间内无法收到ACK信号，则在指定的下一个发送时隙T_slot(T_slot＞T_wait)后，根据邻居节点的转发选择因子FD(i)选择次大的节点进行数据传输，重复执行a2-3；

a2-4、经过多跳传输之后，Sink节点若收到完整数据，该路由有效；否则，在受到射频干扰、数据包传输出错的情况下，Sink节点将无法收到完整数据，此时，Sink节点向体征数据采集传感器节点发送一个NACK信号，体征数据采集传感器节点在接收到NACK信号后，在指定的下一个发送时隙T_slot按照原路由重新发送数据，若多次出现ACK信号丢失或多次收到NACK信号，体征数据采集传感器节点将该路由标记为无效路由。

A4对体征数据采集传感器节点定位的具体过程为：

a4-1、参考定位节点至少有3个节点不在同一条直线上，但在同一平面上；每一参考定位节点周边放置一个位置固定的测量节点，获取DH(l₀)值，表示当前参考定位节点接收到的其周边测量节点的信号强度，l₀表示当前参考定位节点和该测量节点之间的距离，为一固定值；

a4-2、建立损耗模型：待定位节点接收来自n(n>＝3)个参考定位节点的信号强度值接收信号强度DH(l)与发送距离l之间的关系如下

$>\mathrm{DH}\left(l\right)=\mathrm{DH}\left(l_0\right)-10\alpha 1g\left(\frac{l}{l_0}\right)+Z_{\mathrm{dB}}$>

其中Z_dB服从高斯分布N(0,σ_dB)，σ_dB表示阴影模型偏差，α为路径损耗因子；

a4-3、取l₀＝1m，得到

DH(l)＝-(10α1gl+W)

其中，W＝-(DH(l₀)+Z_dB)。

a4-4、计算所有参考定位节点的DH(l)，采用最小二乘法计算并最终确定待定位节点的坐标值。

本发明模块间的协调工作实现了对被救人员的体征数据的采集、传输和人员位置定位，实现高效和自适应能力强的基于无线传感器网络的抗震救灾系统。

硬件系统根据监测需要自动切换功耗模式以此来最大限度降低功耗。当干扰源较多时通过增强型天线来加大发射功率；多网融合的设计极大便捷了灾后不同网络之间的通信。

附图说明

图1为本发明系统结构图；

图2为传感器模块电路图；

图3为通信模块电路图；

图4为主控模块电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

系统的结构如图1所示，主要由体征数据采集传感器节点、基于RSSI值的无线定位设备、多网融合Sink节点组成，其中基于RSSI值的无线定位设备包括无线定位协调器、待定位节点和若干个参考定位节点。体征数据采集传感器将采集的体征数据通过多跳路由发送至Sink节点，同时无线定位设备计算出待定位人员相对参考定位节点的位置，将相对位置的坐标信息传送到Sink节点，Sink节点计算待定位人员的绝对位置并通过移动通信网、Internet等传送到救援人员的终端显示设备。

传感器模块采用华科电子研发的医用传感器HK-2000B+脉搏传感器。该电路集成了信号放大、信号处理、幅度调整、基线调整等电路，输出可直接连接A/D转换电路。具体如图2所示。

通信模块采用TI公司推出的基于ZigBee通信协议的远距离射频收发芯片CC2430。考虑到具体环境的强干扰性，应适当增加外置天线模块来增加发射功率。具体如图3所示。

主控模块采用AVR公司的低功耗控制器ATMEGA8L-8AU，该芯片的工作电压为2.7V～5.5V，能实现读写同步，并提供了五种低功耗模式，可最大限度的减少能耗。具体如图4所示。

利用上述系统搜救被困人员的步骤是：

A1、所有节点在指定频率上进行监听以发现邻居节点，监听的过程中，向网络广播本节点的位置信息；发现邻居节点后建立邻居节点列表；

A2、被困人员体征数据采集传感器节点的邻居列表包括了参考定位节点A、B、C和D，如图1所示，

a2-1、建立转发模型，这四个参考定位节点的相关参数如表1所示，

表1参考定位节点A、B、C和D的相关参数

节点编号Cache(i)_initCache(i)_usedCD(i)E(i)_initE(i)_restHop(i)FD(i)A4096kb1024kb0.251J0.5J23/16B4096kb2048kb0.51J0.25J11/8C4096kb1024kb0.251J0.6J19/20D4096kb3072kb0.751J0.25J21/32

a2-2、体征数据采集传感器节点根据其邻居节点的转发选择因子FD(i)进行递减排序，选择FD(i)值最大的节点作为下一跳节点进行体征数据传输，此时应该选择节点C；

a2-3、体征数据采集传感器节点在发送完数据给节点C之后进入接收模式等待接收节点C的ACK信号，然而此时出现了通信路径屏蔽，体征数据采集传感器节点在T_wait时间内无法收到ACK信号，只好在指定的下一个发送时隙T_slot(T_slot＞T_wait)后，根据邻居节点的转发选择因子FD(i)选择次大的节点进行数据传输，此时选择的是节点A；节点A成功接收到数据，它在T_wait时间内向体征数据采集传感器节点发送了ACK信号，此次转发成功，节点A也执行a2-2和a2-3的相应操作并成功通过节点B将体征数据传输至Sink节点；

a2-4、经过两跳传输之后，Sink节点收到了完整数据，该路由“A-B-Sink”有效；其后，体征数据采集传感器节点发现多次不能接收到节点C的ACK信号，将该路由“C-Sink”标记为无效路由。

A3、如图1所示，假设图中的体征数据采集传感器节点的携带者尚有生命体征，则需对其进行实时定位，采用的算法基于参考定位节点从待定位节点接收到的信号强度(RSSI值)，通过距离计算后采用最小二乘法求解，最终完成对待定位节点的定位，

a3-1、4个参考定位节点A、B、C和D中的任意3个不在同一条直线上，且在同一平面上；测量节点对A、B、C和D依次测算之后，4个参考定位节点的DH(l₀)值如表2所示，

表2参考定位节点A、B、C和D的相关参数

a3-2、建立损耗模型：采用阴影模型作为参考，待定位节点将接收来自4个参考定位节点的RSSI值；对于当前某一参考定位节点，接收信号强度DH(l)与发送距离l(当前参考定位节点与待定位节点之间的距离)之间的关系如公式(1)所示：

$>\mathrm{DH}\left(l\right)=\mathrm{DH}\left(l_0\right)-10\alpha 1g\left(\frac{l}{l_0}\right)+Z_{\mathrm{dB}}---\left(1\right)$>

DH(l)是根据当前参考定位节点的DH(l₀)值计算获得，Z_dB服从高斯分布N(0,σ_dB)，其中σ_dB称为阴影模型偏差，可通过实际测量得到；α为路径损耗因子，通常是根据实际部署环境来进行测验；

a3-3、为了快速定位并解救被困人员，取l₀＝1m，公式(1)可转换为：

DH(l)＝-(10α1gl+W)    (2)

W＝-(DH(l₀)+Z_dB)，

根据公式(2)可计算出待定位节点与当前参考定位节点A、B、C、和D之间各自的距离，具体计算结果见表2中的l_i列；

a3-4、根据表2，采用最小二乘法计算并最终确定待定位节点的坐标值；根据表2中测出的一系列的参数值，计算第i(i＝A,B,C,D)个参考定位节点到待定位节点的距离l_i，其中(x_i,y_i,z_i)分别为第i个参考定位节点的位置坐标。假设待定位节点的位置坐标为(x,y,z)，则计算公式如下：

$>\left(\begin{array}{c}{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2+{(z-z_A)}^2=l_A^2\\ {(x-x_B)}^2+{(y-y_B)}^2+{(z-z_B)}^2=l_B^2\\ {(x-x_C)}^2+{(y-y_C)}^2+{(z-z_C)}^2=l_C^2\\ {(x-x_D)}^2+{(y-y_D)}^2+{(z-z_D)}^2=l_D^2\end{array}\right)---\left(3\right)$>

将上述方程组变化，获得QX＝S的形式，其中Q和S矩阵中均为常数

$>Q=2\times \left(\begin{array}{ccc}(x_D-x_A)& (y_D-y_A)& (z_D-z_A)\\ (x_D-x_B)& (y_D-y_B)& (z_D-z_B)\\ (x_D-x_C)& (y_D-y_C)& (z_D-z_C)\end{array}\right),S=\left(\begin{array}{c}{x}_D^2-x_A^2+y_D^2-y_A^2+z_D^2-z_A^2+l_A^2-l_D^2\\ x_D^2-x_B^2+y_D^2-y_B^2+z_D^2-z_B^2+l_B^2-l_D^2\\ x_D^2-x_C^2+y_D^2-y_C^2+z_D^2-z_C^2+l_C^2-l_D^2\end{array}\right)$>

$>X=\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right),$>

通过最小二乘法得出待定位节点的坐标估计值为

$>\bar{X}={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}B---\left(4\right)$>

该坐标位置将通过无线定位系统协调器传输给Sink节点；

A3、Sink节点从无线定位系统协调器获得待定位节点的实时相对位置，将该相对位置转换为绝对位置并通过无线局域网、Internet或移动通信网络发送到救援人员的终端显示设备。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。