面向地震災(zāi)害的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方法
【專利摘要】一種面向地震災(zāi)害的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，該系統(tǒng)由多功能傳感節(jié)點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、系統(tǒng)軟件和終端軟件四部分構(gòu)成，多功能傳感節(jié)點通過血氧探頭、脈搏探頭、體溫探頭等多種探頭采集人體的血氧、脈搏、體溫等具體信息和相對地理位置信息，然后通過無線傳感模塊將數(shù)據(jù)傳輸給無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)與以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)的無縫切換，將具體數(shù)據(jù)通過基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)傳到終端設(shè)備上，監(jiān)控中心能夠便捷的使用相關(guān)移動設(shè)備，如PDA、智能手機監(jiān)測被困人員的生命體征和地理位置信息。該系統(tǒng)能夠?qū)嶋H地應(yīng)用在地震災(zāi)害環(huán)境下，可以在人力、財力、物力等各方面減少由于地震災(zāi)害帶來的人的生命、財產(chǎn)的損失，為面向地震災(zāi)害的處理，突發(fā)環(huán)境的監(jiān)測提供了一個實時的監(jiān)測平臺。
【專利說明】面向地震災(zāi)害的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方案，以及該系統(tǒng)在電腦和移動終端設(shè)備上的軟件實現(xiàn)，兩者有機結(jié)合構(gòu)成面向地震災(zāi)害的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信系統(tǒng)，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，嵌入式系統(tǒng)和無線通信的交叉領(lǐng)域。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)是一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，以實現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強等特點，有著廣闊的應(yīng)用前景。
[0005]正如因特網(wǎng)使得計算機能夠訪問各種數(shù)字信息而可以不管其保存在什么地方，傳感器網(wǎng)絡(luò)將擴展人們與現(xiàn)實世界進行遠程交互的能力。由于它具有可到處散布的特點以及集體分析能力，因此它甚至被稱為一種全新類型的計算機系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有眾多類型的傳感器節(jié)點，可用來探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象。美國商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評論在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的報告中，分別將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀最有影響的21項技術(shù)之一和改變世界的十大技術(shù)之一。傳感器網(wǎng)絡(luò)、塑料電子學和仿生人體器官又被稱為全球未來的三大高科技產(chǎn)業(yè)。
[0006]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個由大量廉價的傳感器節(jié)點組成的無線自組織網(wǎng)絡(luò)。每個傳感器節(jié)點由傳感單元、處理 單元、無線通信單元和能量供應(yīng)單元等構(gòu)成。一種普遍被接受的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義為:大規(guī)模、無線、自組織、多跳、無基礎(chǔ)設(shè)施支持的網(wǎng)絡(luò)，其中節(jié)點是同構(gòu)的，成本較低、體積較小，大部分節(jié)點不移動，被隨意地散布在監(jiān)測區(qū)域，要求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有盡可能長的工作時間。
[0007]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是利用傳感器節(jié)點來監(jiān)測節(jié)點周圍的環(huán)境，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過無線收發(fā)裝置采用多跳路由的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點，再通過匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送到用戶端，從而達到對目標區(qū)域的監(jiān)測。它綜合了計算技術(shù)、通信技術(shù)以及傳感器技術(shù)，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境信息或被監(jiān)測對象的信息，這些信息以無線方式傳送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實現(xiàn)物理世界、計算機世界以及人類社會三元世界的連通。
[0008]作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的硬件載體，無線傳感器節(jié)點的設(shè)計需要遵循微型化，低功耗，擴展性強，穩(wěn)定性高，安全性好，成本低等眾多因素。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件系統(tǒng)主要包括多功能傳感器、高性能嵌入式處理器和高頻無線通信模塊三個部分。需要集成傳感器、微處理器和無線收發(fā)器等多種嵌入式芯片。擁有信息采集、信號處理、數(shù)據(jù)傳輸和實時監(jiān)控等多種功能。實用性強，應(yīng)用范圍廣泛。節(jié)點通過外圍的傳感模塊感知需要觀察的信息量，并自動傳入內(nèi)部的主控模塊，進行信號分析和處理，并將處理后的信息送至無線發(fā)送模塊。射頻模塊在一定的頻段內(nèi)，按照預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)傳輸率和編碼方式，進行信息的傳遞，并能夠?qū)鞲行畔⒂跀?shù)據(jù)終端實時顯示，從而實現(xiàn)傳感信號的無線通信。
[0009]本專利將從應(yīng)用角度出發(fā)，設(shè)計并實現(xiàn)適用于地震災(zāi)害環(huán)境下生命特征探測的輕量級、高穩(wěn)定性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點(傳感節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點)，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各層次下的完善的協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)，同時，在其上構(gòu)筑功能豐富、安全可信的系統(tǒng)軟件平臺，最終實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地震災(zāi)害環(huán)境中的高可靠性應(yīng)用。
[0010]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]技術(shù)問題:本發(fā)明是針對地震災(zāi)害中傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)遭到破壞的情況，提供一種面向地震災(zāi)害的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。該方法構(gòu)建一種高性能低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件載體，節(jié)點的設(shè)計和實現(xiàn)需要在功能上滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的一般的數(shù)據(jù)傳輸，狀態(tài)控制，實時監(jiān)控，自主定位等一系列功能，同時，必須具備較好的系統(tǒng)集成度，較高的系統(tǒng)可靠性以及擁有更多的智能化。配備的網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)備將實現(xiàn)對其所在的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域管理、任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)聚合、狀態(tài)監(jiān)控與維護等一系列功能，利用網(wǎng)關(guān)節(jié)點，將災(zāi)難環(huán)境中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其有效傳感信息與無線網(wǎng)絡(luò)進行有效銜接，以實現(xiàn)多類型網(wǎng)絡(luò)的無縫融合，鞏固與加強無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地震災(zāi)害下的應(yīng)急通信的可靠性與穩(wěn)定性。最終將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點(傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點)以及地震災(zāi)害現(xiàn)場的無線設(shè)備集成在一起，采集生命特征監(jiān)測(如脈搏、體溫、血氧等)和定位信息，一并傳送給網(wǎng)關(guān)，然后網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換選擇合適的網(wǎng)絡(luò)傳給服務(wù)中心。
[0012]技術(shù)方案:
本發(fā)明所提出的一種面向地震災(zāi)害的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，由傳感器節(jié)點采集人體體征信息及定位信息，通過無線傳感網(wǎng)傳輸給無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)與以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)的無縫切換，將數(shù)據(jù)通過基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)傳到終端設(shè)備上，并結(jié)合相應(yīng)的終端軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了整個應(yīng)急通信系統(tǒng)。
[0013]本發(fā)明的系統(tǒng)包含了多功能傳感器節(jié)點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、系統(tǒng)軟件和終端軟件四部分:
1、多功能傳感器節(jié)點的功能是采集人體體征信息和定位信息，并通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)通過無線傳感網(wǎng)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)設(shè)備。本發(fā)明在面板上封裝了體溫、脈搏與血氧三種不同用途的接口，以實現(xiàn)同一塊面板上集成上述三項功能，并統(tǒng)一采用同一接線方式，方便實際使用中的更換。同時利用定位算法將節(jié)點地理位置信息
2、本發(fā)明提供的無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)備的功能是從無線傳感網(wǎng)接收來自傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鱾€接收終端。本發(fā)明的網(wǎng)關(guān)設(shè)備提供以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)等多種方式接入基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)相比在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和設(shè)備性價比上都有優(yōu)勢，并克服了硬件設(shè)備布置的局限性，大大擴展了網(wǎng)關(guān)設(shè)備的應(yīng)用范圍。
[0014]3、系統(tǒng)軟件包括多功能傳感節(jié)點上基于TingOS操作系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件和網(wǎng)關(guān)設(shè)備上基于Linux操作系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件。多功能傳感節(jié)點上的系統(tǒng)軟件采集用戶生命體征信息和定位信息，并通過ZigBee通訊模塊進行傳輸；網(wǎng)關(guān)設(shè)備上的系統(tǒng)軟件綜合調(diào)度網(wǎng)關(guān)上的各個硬件模塊，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)與無線局域網(wǎng)、有線局域網(wǎng)之間的無縫切換。
[0015]4、本發(fā)明的終端軟件采用了 B/S(瀏覽器/服務(wù)器)與C/S(客戶端/服務(wù)器)兩種
模式相結(jié)合的方式。對于需要獲取實時數(shù)據(jù)的服務(wù)，采用C/S模式，監(jiān)控中心工作人員可以通過終端軟件，獲取地震災(zāi)害中被困人員的實時生命體征和位置數(shù)據(jù)；對于需要歷史數(shù)據(jù)查詢的服務(wù)，采用B/S模式，通過應(yīng)用服務(wù)器像客戶端提供Web Service服務(wù)，利用WebService，屏蔽了客戶端軟件的平臺異構(gòu)性，監(jiān)護者只需通過任何一種瀏覽器，即可獲得該Web Service所提供的數(shù)據(jù)服務(wù)，而無需考慮具體在哪個操作系統(tǒng)平臺。
[0016]本發(fā)明的實現(xiàn)步驟如下:
該系統(tǒng)由多功能傳感節(jié)點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、系統(tǒng)軟件和終端軟件四部分構(gòu)成；多功能傳感節(jié)點通過采集被困人員的生理體征信息，然后通過無線傳感模塊將數(shù)據(jù)傳輸給無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)與以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)及GSM網(wǎng)絡(luò)的無縫切換，將采集到的數(shù)據(jù)通過基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)傳到終端設(shè)備上，監(jiān)控中心能夠便捷的使用相關(guān)移動設(shè)備監(jiān)測被困人員的實時情況。
[0017]該方法的具體實現(xiàn)方法如下:
步驟I)多功能傳感節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn):無線多功能傳感器節(jié)點包括以下基本組成部
分:
a)多類型數(shù)據(jù)采集傳感部件:有高頻脈沖式脈搏傳感部件、高精度快速響應(yīng)式體溫傳感部件、接觸式高分辨率血氧傳感部件，這些傳感部件以USB接口的形式同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點直接相連；其中，體溫傳感部件通過一線接口連接、脈搏傳感部件通過通用I/O 口連接、血氧傳感部件通過模數(shù)轉(zhuǎn)換接口連接；
b)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點:以8位RISC微處理器為核心，擁有128KB的Flash 及512KB的SRAM，其主頻為8MHZ，滿足較大數(shù)據(jù)量的處理需求；
c)ZigBee無線通信模塊:以CC2420無線通信模塊為核心,擁有最大250Kbps的傳輸速率，足以滿足多類型數(shù)據(jù)的傳感需求；
步驟2)規(guī)劃網(wǎng)關(guān)所需完成的總體功能和基本性能指標:網(wǎng)關(guān)需完成實時數(shù)據(jù)接接收、實時數(shù)據(jù)傳輸、實時監(jiān)控、信號處理多種功能，要求具有高系統(tǒng)可靠性和高集成度，實時分析與處理能力，數(shù)據(jù)傳輸精確性；
步驟3)確定網(wǎng)關(guān)的輸入輸出:網(wǎng)關(guān)將從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)作為輸入，并通過以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)輸出數(shù)據(jù)；
步驟4)進行網(wǎng)關(guān)的基本構(gòu)架設(shè)計:網(wǎng)關(guān)基本構(gòu)架由四個層面組成，自下而上分別是:功能部件層、設(shè)備驅(qū)動層、嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核、應(yīng)用系統(tǒng)層；
步驟5)設(shè)計網(wǎng)關(guān)硬件電路的總體結(jié)構(gòu)圖:網(wǎng)關(guān)應(yīng)包括如下幾個模塊:核心控制模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、802.15.4無線通信模塊、JTAG編程與調(diào)試模塊、外部存儲模塊、基礎(chǔ)服務(wù)與管理模塊、能量供應(yīng)模塊、外部網(wǎng)絡(luò)控制與接入模塊；
步驟6)設(shè)計網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊:網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過802.15.4無線通信模塊獲 取來自無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的具體采集信息，并逐漸通過自下而上各協(xié)議層次的規(guī)范化數(shù)據(jù)解析；網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件與支撐軟件根據(jù)其接入網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)對象的業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)需求，并根據(jù)傳感數(shù)據(jù)的自身特性，開展處理、分析、融合與提取，得到滿足條件的多類型傳感信息，并提供給建立于系統(tǒng)軟件之上的TCP/IP和802.11協(xié)議體系，作為其初始業(yè)務(wù)源；網(wǎng)關(guān)節(jié)點將按照該協(xié)議的規(guī)范與標準，完成業(yè)務(wù)類型確定、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)幀封裝等一系列操作，由無線網(wǎng)卡模塊實現(xiàn)最終的接入功能；嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件部分由三個模塊組成:利用Z-Stack協(xié)議棧實現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器功能的模塊，實現(xiàn)精簡嵌入式TCP/IP和802.11協(xié)議的功能模塊，ZigBee報文轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)報文模塊；在分析控制系統(tǒng)、Z-Stack以及TCP/IP、802.11協(xié)議實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與IEEE802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與Internet網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次的應(yīng)用模型；
步驟7)外部網(wǎng)絡(luò)控制與接入模塊:該模塊的作用是將網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入到外部基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，使得由無線傳感網(wǎng)傳輸來的數(shù)據(jù)得以通過基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)傳送給終端設(shè)備，無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備提供了以太網(wǎng)，無線局域網(wǎng)等多種外部網(wǎng)絡(luò)接入方式，用DM9000AEP網(wǎng)絡(luò)芯片接入以太網(wǎng)，用USB接口無線網(wǎng)卡接入無線局域網(wǎng)；
步驟8)網(wǎng)關(guān)外圍器件的選取:根據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備自身特點和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自身要求，網(wǎng)關(guān)設(shè)備的外圍器件，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，這些器件包括用于程序燒錄及在線仿真的JTAG下載口、可數(shù)字化I/O器件、外部存儲器件、外部晶振系統(tǒng)、USB接口、以太網(wǎng)接口、RS232串行接口 ；
步驟9)網(wǎng)關(guān)的電路設(shè)計與實現(xiàn):網(wǎng)關(guān)電路采用數(shù)字化標準設(shè)計，元件均采用0805型的貼片式封裝，網(wǎng)關(guān)與PC串口的連接之間實現(xiàn)了 TTL信號和RS-232信號之間的轉(zhuǎn)換；網(wǎng)關(guān)設(shè)備建立了高速信號和低速信號之間的緩沖，采用兩層板布線的策略，通過手動布線和自動布線相結(jié)合的方式進行；
步驟10)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的功耗管理設(shè)計:設(shè)備的功耗管理主要包括了系統(tǒng)級功耗 布線優(yōu)化；
步驟11)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的可擴展性設(shè)計:網(wǎng)關(guān)在設(shè)計過程中，預(yù)留了充分的接口，
包括超過30個主控模塊輸入輸出接口，以便今后的調(diào)用和擴展；
步驟12)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的系統(tǒng)軟件設(shè)計:網(wǎng)關(guān)設(shè)備的系統(tǒng)軟件控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運行，系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)要求，進行資源管理，消息處理，任務(wù)調(diào)度，異常處理，并分配優(yōu)先級，系統(tǒng)根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級，進行動態(tài)切換和調(diào)度；
步驟13)瀏覽器/服務(wù)器模式下終端軟件設(shè)計:利用Web服務(wù)技術(shù)，將被困人員的生理特征數(shù)據(jù)封裝成Web服務(wù)發(fā)布于Web服務(wù)器上，進行跨平臺的信息數(shù)據(jù)獲取，通過終端瀏覽器訪問該Web服務(wù)器的Web服務(wù)，即可獲得所需數(shù)據(jù)；
步驟14)客戶端-服務(wù)器模式下的終端軟件設(shè)計:利用局域網(wǎng)間的Socket通信，獲取網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)膶崟r被困人員的生理特征數(shù)據(jù)；
步驟15)短信報警功能設(shè)計:當被困人員的生理特征數(shù)據(jù)異常時，軟件將調(diào)用串口短信貓通過GSM網(wǎng)自動發(fā)送短信到監(jiān)控中心的手機上，實現(xiàn)報警功能。
[0018]有益效果:本發(fā)明提出的面向地震災(zāi)害的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信系統(tǒng)有如 下幾大優(yōu)勢:
(I)本發(fā)明的多功能傳感節(jié)點針對傳統(tǒng)節(jié)點設(shè)備功能單一的確定，集成了多種應(yīng)用的生命體征采集傳感部件，并將傳感器定位技術(shù)與數(shù)據(jù)采集技術(shù)有機結(jié)合，實現(xiàn)定位于生命體征采集的功能集成。在硬件上封裝了體溫、脈搏與血氧三種不同用途的接口，以實現(xiàn)同一塊面板上集成上述三項功能，并統(tǒng)一采用同一接線方式，方便實際使用中的更換。
[0019](2)面向地震災(zāi)害應(yīng)急通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點(傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點)和軟件集成技術(shù)的研究可以解決由于地震災(zāi)害引起的基礎(chǔ)設(shè)施布設(shè)困難，通信設(shè)施中斷等問題，通過面向地震災(zāi)害應(yīng)急通信的無線傳感器傳感器節(jié)點體系結(jié)構(gòu)、地震災(zāi)害環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)及地震災(zāi)害環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位與硬件基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)，可以在人力、財力、物力等各方面減少由于地震災(zāi)害帶來的人的生命、財產(chǎn)的損失。而面向地震災(zāi)害應(yīng)急通信的上層軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為面向地震災(zāi)害的處理，突發(fā)環(huán)境的監(jiān)測提供了一個實時的監(jiān)測平臺。地震災(zāi)害應(yīng)急通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成技術(shù)，可以充分利用傳感器節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點的功能，實行在災(zāi)難環(huán)境中達到環(huán)境監(jiān)測、人員定位、生命特征監(jiān)測等災(zāi)后監(jiān)測、定位與尋救等一系列應(yīng)急通信功能，并從多個角度實現(xiàn)多類型傳感器網(wǎng)絡(luò)與通信的無縫銜接。
[0020](3)本發(fā)明在終端軟件利用Web Service技術(shù)，實現(xiàn)了軟件系統(tǒng)的跨平臺
性，監(jiān)控中心無需安裝任何軟件，只需瀏覽器即可對有關(guān)的相關(guān)數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，并且，通過將Web Service發(fā)布到因特網(wǎng)上，使得監(jiān)控中心可以在在已接入到基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備終端上，進行遠程監(jiān)控。
[0021]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是面向地震災(zāi)害的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖，顯示了本發(fā)明的體系結(jié)構(gòu)。
[0023]圖2是無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件總體結(jié)構(gòu)圖，顯示了網(wǎng)關(guān)部分各個模塊的構(gòu)成。
[0024]圖3是無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)協(xié)議模型，顯示了網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議的層次體系結(jié)構(gòu)。
[0025]
【具體實施方式】
[0026]本發(fā)明所提出的一種面向地震災(zāi)害的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信系統(tǒng)，由多功能傳感器節(jié)點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、系統(tǒng)軟件和終端軟件四部分構(gòu)成。多功能傳感節(jié)點通過血氧探頭、脈搏探頭、體溫探頭等多種探頭采集人體的血氧、脈搏、體溫等具體信息，通過軟件實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)定位，然后由CC2420的無線傳感模塊將數(shù)據(jù)傳輸給無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)與以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)的無縫切換，將數(shù)據(jù)通過基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)傳到服務(wù)端，再由服務(wù)端傳輸至各個終端設(shè)備上，監(jiān)控中心能夠便捷的使用相關(guān)移動設(shè)備，如PDA、智能手機監(jiān)測受困者的生命體征及地理位置信息。最終實現(xiàn)一種面向地震災(zāi)害的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信系統(tǒng)。
[0027]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細描述。應(yīng)當明確，以下內(nèi)容僅僅用來描述本發(fā)明而不作為對本發(fā)明的限制。
[0028]步驟I)多功能傳感節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)。本發(fā)明中的無線多功能傳感器節(jié)點包括以下基本組成部分:
a)多類型傳感部件:主要有高頻脈沖式脈搏傳感部件、高精度快速響應(yīng)式體溫傳感部件、接觸式高分辨率血氧傳感部件。這些傳感部件以USB接口的形式同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點直接相連。其中，體溫傳感部件通過一線接口連接、脈搏傳感部件通過通用I/O 口連接、血氧傳感部件通過模數(shù)轉(zhuǎn)換接口連接；
b)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點:以8位RISC微處理器為核心，擁有128KB的Flash 及512KB的SRAM。其主頻高達8MHZ，可以滿足較大數(shù)據(jù)量的處理需求；
c)ZigBee無線通信模塊:以CC2420無線通信模塊為核心,擁有最大250Kbps的傳輸速率，足以滿足多類型數(shù)據(jù)的傳感需求；
步驟2)規(guī)劃網(wǎng)關(guān)所需完成的總體功能和基本性能指標。網(wǎng)關(guān)需完成實時數(shù)據(jù)接接收、實時數(shù)據(jù)傳輸、實時監(jiān)控、信號處理多種功能，要求具有高系統(tǒng)可靠性和高集成度，較好的實時分析與處理能力，數(shù)據(jù)傳輸精確性。
[0029]步驟3)確定網(wǎng)關(guān)的輸入輸出。網(wǎng)關(guān)將通過CC2420無線傳感模塊接收到的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)作為輸入，并通過以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)或GSM網(wǎng)輸出數(shù)據(jù)至各種移動終端(如PDA、智能手機、PC等)。
[0030]步驟4)網(wǎng)關(guān)的基本構(gòu)架遵循了一般嵌入式產(chǎn)品的基本模式，同時，基于實際應(yīng)用的需要，在各個層面上都有所擴展。節(jié)點基本構(gòu)架由四個層面組成，自下而上分別是:功能部件層，設(shè)備驅(qū)動層，嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核，應(yīng)用系統(tǒng)層。
[0031]步驟5)設(shè)計網(wǎng)關(guān)硬件電路的總體結(jié)構(gòu)圖:網(wǎng)關(guān)應(yīng)包括如下幾個模塊:核心控制模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、802.15.4無線通信模塊、JTAG編程與調(diào)試模塊、外部存儲模塊、基礎(chǔ)服務(wù)與管理模塊、能量供應(yīng)模塊、外部網(wǎng)絡(luò)控制與接入模塊；
步驟6)設(shè)計網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊:網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過802.15.4無線通信模塊獲取來自無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的具體采集信息，并逐漸通過自下而上各協(xié)議層次的規(guī)范化數(shù)據(jù)解析；網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件與支撐軟件根據(jù)其接入網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)對象的業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)需求，并根據(jù)傳感數(shù)據(jù)的自身特性，開展處理、分析、融合與提取，得到滿足條件的多類型傳感信息，并提供給建立于系統(tǒng)軟件之上的TCP/IP和802.11協(xié)議體系，作為其初始業(yè)務(wù)源；網(wǎng)關(guān)節(jié)點將按照該協(xié)議的規(guī)范與標準，完成業(yè)務(wù)類型確定、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)幀封裝等一系列操作，由無線網(wǎng)卡模塊實現(xiàn)最終的接入功能；嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件部分由三個模塊組成:利用Z-Stack協(xié)議棧實現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器功能的模塊，實現(xiàn)精簡嵌入式TCP/IP和802.11協(xié)議的功能模塊，ZigBee報文轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)報文模塊；在分析控制系統(tǒng)、Z-Stack以及TCP/IP、802.11協(xié)議實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與IEEE802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與Internet網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次的應(yīng)用模型；
步驟7)外部網(wǎng)絡(luò)控制與接入模塊設(shè)計
該模塊的作用是將網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入到外部基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，使得由無線傳感網(wǎng)傳輸來的數(shù)據(jù)得以通過基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)傳送給終端設(shè)備。本發(fā)明中的無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)
設(shè)備提供了以太網(wǎng)，無線局域網(wǎng)等多種外部網(wǎng)絡(luò)接入方式。本發(fā)明用DM9000AEP網(wǎng)絡(luò)芯片接入以太網(wǎng)，用USB接口無線網(wǎng)卡接入無線局域網(wǎng)；
步驟8)網(wǎng)關(guān)外圍器件的選取。根據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備自身特點和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自身要求，網(wǎng)關(guān)設(shè)備的外圍器件，實現(xiàn)了不同網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，這些器件包括用于程序燒錄及在線仿真的JTAG下載口、可數(shù)字化I/O器件、外部存儲器件、
外部晶振系統(tǒng)、USB接口、以太網(wǎng)接口、RS232串行接口 ； 步驟9)網(wǎng)關(guān)的電路設(shè)計與實現(xiàn)。網(wǎng)關(guān)電路采用數(shù)字化標準設(shè)計，元件均采用0805型的貼片式封裝，網(wǎng)關(guān)與PC串口的連接之間實現(xiàn)了 TTL信號和RS-232信號之間的轉(zhuǎn)換；網(wǎng)關(guān)設(shè)備建立了高速信號和低速信號之間的緩沖，采用兩層板布線的策略，通過手動布線和自動布線相結(jié)合的方式進行；
步驟10)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的功耗管理設(shè)計。在實際使用中可以利用電流表等儀器測量得知網(wǎng)關(guān)設(shè)備的功耗主要集中在高集成度處理器與無線通信片上系統(tǒng)上。因此網(wǎng)關(guān)的功耗管理主要針對此嵌入式系統(tǒng)進行，其主要包括了系統(tǒng)級功耗管理，軟件代碼級優(yōu)化；
步驟11)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的可擴展性設(shè)計:網(wǎng)關(guān)在設(shè)計過程中，預(yù)留了充分的接口，包括超過30個主控模塊輸入輸出接口，以便今后的調(diào)用和擴展；
步驟12)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的系統(tǒng)軟件設(shè)計:網(wǎng)關(guān)設(shè)備的系統(tǒng)軟件控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運行，系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)要求，進行資源管理，消息處理，任務(wù)調(diào)度，異常處理，并分配優(yōu)先級，系統(tǒng)根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級，進行動態(tài)切換和調(diào)度；
步驟13)B/S模式下終端軟件設(shè)計:利用Web Service技術(shù)，將有關(guān)的具體傳感數(shù)據(jù)封裝成Web服務(wù)發(fā)布于Web服務(wù)器上，進行跨平臺的信息數(shù)據(jù)獲取，通過終端瀏覽器訪問該Web服務(wù)器的Web服務(wù)，即可獲得有關(guān)的具體數(shù)據(jù)。
[0032]步驟14) C/S模式下的終端軟件設(shè)計:利用局域網(wǎng)間的Socket通信，獲取網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)膶崟r有關(guān)具體數(shù)據(jù)。
【權(quán)利要求】
1.一種面向地震災(zāi)害的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于該系統(tǒng)由多功能傳感節(jié)點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、系統(tǒng)軟件和終端軟件四部分構(gòu)成；多功能傳感節(jié)點通過采集被困人員的生理體征信息，然后通過無線傳感模塊將數(shù)據(jù)傳輸給無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)與以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)及GSM網(wǎng)絡(luò)的無縫切換，將采集到的數(shù)據(jù)通過基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)傳到終端設(shè)備上，監(jiān)控中心能夠便捷的使用相關(guān)移動設(shè)備監(jiān)測被困人員的實時情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向地震災(zāi)害的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于該方法的具體實現(xiàn)方法如下: 步驟I)多功能傳感節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn):無線多功能傳感器節(jié)點包括以下基本組成部分: a)多類型數(shù)據(jù)采集傳感部件:有高頻脈沖式脈搏傳感部件、高精度快速響應(yīng)式體溫傳感部件、接觸式高分辨率血氧傳感部件，這些傳感部件以USB接口的形式同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點直接相連；其中，體溫傳感部件通過一線接口連接、脈搏傳感部件通過通用I/O 口連接、血氧傳感部件通過模數(shù)轉(zhuǎn)換接口連接； b)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點:以8位RISC微處理器為核心，擁有128KB的Flash 及512KB的SRAM，其主頻為8MHZ，滿足較大數(shù)據(jù)量的處理需求； c)ZigBee無線通信模塊:以CC2420無線通信模塊為核心,擁有最大250Kbps的傳輸速率，足以滿足多類型數(shù)據(jù)的傳感需求； 步驟2)規(guī)劃網(wǎng)關(guān)所需完成的總體功能和基本性能指標:網(wǎng)關(guān)需完成實時數(shù)據(jù)接接收、實時數(shù)據(jù)傳輸、實時監(jiān)控、信號處理多種功能，要求具有高系統(tǒng)可靠性和高集成度，實時分析與處理能力，數(shù)據(jù)傳輸精確性； 步驟3)確定網(wǎng)關(guān)的輸入輸出`:網(wǎng)關(guān)將從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)作為輸入，并通過以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)輸出數(shù)據(jù)； 步驟4)進行網(wǎng)關(guān)的基本構(gòu)架設(shè)計:網(wǎng)關(guān)基本構(gòu)架由四個層面組成，自下而上分別是:功能部件層、設(shè)備驅(qū)動層、嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核、應(yīng)用系統(tǒng)層； 步驟5)設(shè)計網(wǎng)關(guān)硬件電路的總體結(jié)構(gòu)圖:網(wǎng)關(guān)應(yīng)包括如下幾個模塊:核心控制模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、802.15.4無線通信模塊、JTAG編程與調(diào)試模塊、外部存儲模塊、基礎(chǔ)服務(wù)與管理模塊、能量供應(yīng)模塊、外部網(wǎng)絡(luò)控制與接入模塊； 步驟6)設(shè)計網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊:網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過802.15.4無線通信模塊獲取來自無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的具體采集信息，并逐漸通過自下而上各協(xié)議層次的規(guī)范化數(shù)據(jù)解析；網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件與支撐軟件根據(jù)其接入網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)對象的業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)需求，并根據(jù)傳感數(shù)據(jù)的自身特性，開展處理、分析、融合與提取，得到滿足條件的多類型傳感信息，并提供給建立于系統(tǒng)軟件之上的TCP/IP和802.11協(xié)議體系，作為其初始業(yè)務(wù)源；網(wǎng)關(guān)節(jié)點將按照該協(xié)議的規(guī)范與標準，完成業(yè)務(wù)類型確定、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)幀封裝等一系列操作，由無線網(wǎng)卡模塊實現(xiàn)最終的接入功能；嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件部分由三個模塊組成:利用Z-Stack協(xié)議棧實現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器功能的模塊，實現(xiàn)精簡嵌入式TCP/IP和802.11協(xié)議的功能模塊，ZigBee報文轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)報文模塊；在分析控制系統(tǒng)、Z-Stack以及TCP/IP、802.11協(xié)議實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與IEEE802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與Internet網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次的應(yīng)用模型；步驟7)外部網(wǎng)絡(luò)控制與接入模塊:該模塊的作用是將網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入到外部基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，使得由無線傳感網(wǎng)傳輸來的數(shù)據(jù)得以通過基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)傳送給終端設(shè)備，無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備提供了以太網(wǎng)，無線局域網(wǎng)等多種外部網(wǎng)絡(luò)接入方式，用DM9000AEP網(wǎng)絡(luò)芯片接入以太網(wǎng)，用USB接口無線網(wǎng)卡接入無線局域網(wǎng)； 步驟8)網(wǎng)關(guān)外圍器件的選取:根據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備自身特點和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自身要求，網(wǎng)關(guān)設(shè)備的外圍器件，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽@些器件包括用于程序燒錄及在線仿真的JTAG下載口、可數(shù)字化I/O器件、外部存儲器件、外部晶振系統(tǒng)、USB接口、以太網(wǎng)接口、RS232串行接口 ； 步驟9)網(wǎng)關(guān)的電路設(shè)計與實現(xiàn):網(wǎng)關(guān)電路采用數(shù)字化標準設(shè)計，元件均采用0805型的貼片式封裝，網(wǎng)關(guān)與PC串口的連接之間實現(xiàn)了 TTL信號和RS-232信號之間的轉(zhuǎn)換；網(wǎng)關(guān)設(shè)備建立了高速信號和低速信號之間的緩沖，采用兩層板布線的策略，通過手動布線和自動布線相結(jié)合的方式進行； 步驟10)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的功耗管理設(shè)計:設(shè)備的功耗管理主要包括了系統(tǒng)級功耗 布線優(yōu)化； 步驟11)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的可擴展性設(shè)計:網(wǎng)關(guān)在設(shè)計過程中，預(yù)留了充分的接口， 包括超過30個主控模塊輸入輸出接口，以便今后的調(diào)用和擴展； 步驟12)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的系統(tǒng)軟件設(shè)計:網(wǎng)關(guān)設(shè)備的系統(tǒng)軟件控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運行，系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)要求，進行資源管理，消息處理，任務(wù)調(diào)度，異常處理，并分配優(yōu)先級，系統(tǒng)根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級，進行動態(tài)切換和調(diào)度； 步驟13)瀏覽器/服務(wù)器模式下終端軟件設(shè)計:利用Web服務(wù)技術(shù)，將被困人員的生理特征數(shù)據(jù)封裝成Web服務(wù)發(fā)布于Web服務(wù)器上，進行跨平臺的信息數(shù)據(jù)獲取，通過終端瀏覽器訪問該Web服務(wù)器的Web服務(wù).，即可獲得所需數(shù)據(jù)； 步驟14)客戶端-服務(wù)器模式下的終端軟件設(shè)計:利用局域網(wǎng)間的Socket通信，獲取網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)膶崟r被困人員的生理特征數(shù)據(jù)； 步驟15)短信報警功能設(shè)計:當被困人員的生理特征數(shù)據(jù)異常時，軟件將調(diào)用串口短信貓通過GSM網(wǎng)自動發(fā)送短信到監(jiān)控中心的手機上，實現(xiàn)報警功能。
【文檔編號】H04W84/18GK103442455SQ201310286134
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月9日
【發(fā)明者】黃俊杰, 王汝傳, 孫力娟, 黃海平 申請人:南京郵電大學