用于搜救被困人员的无线传感网络系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于嵌入式系统和无线通信技术的交叉领域，具体是一种用于捜救被困人 员的无线传感网络系统及方法。
【背景技术】
[0002] 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),W自组多跳的无线传输方式最终呈现在用户终端。因此，该样的一种网络技术非常 适合于地震或者巧塌等抗震救灾场景。
[0003] 然而，在抗震救灾的现场，往往存在W下问题需要解决：
[0004] 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，该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，该 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。
[0005] 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W及可用节点集，设备之间的无线通信路径就被确定。该些路径可能会被巧塌 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，该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。该就 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，W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】
[0006] 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，提出一种用于捜救被困人员的无线传感网络系统及实现方法。
[0007] 本发明用于捜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RSSUReceivedSi即alStrengthIndex,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；
[0008] 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。
[0009] 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巧片及其外围电路 组成。
[0010] 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。
[0011] 利用无线传感网络系统捜救被困人员的方法，包括W下步骤：
[0012] A1、所有节点在指定频率上进行监听W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；
[0013]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；
[0014]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 该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；
[0015]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；
[0016]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。
[0017]A2中建立多条传输路径并选择有效路由的具体过程为：
[001引a2-l、建立转发模型；节点i的拥塞度定义为
【主权项】
1. 用于搜救被困人员的无线传感网络系统，其特征在于，包括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，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 显不设备O
2. 按照权利要求1所述的无线传感网络系统，其特征在于，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。
3. 按照权利要求1所述的无线传感网络系统，其特征在于，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。
4. 一种利用无线传感网络系统搜救被困人员的方法，其特征在于， 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。
5. 按照权利要求4所述的利用无线传感网络系统搜救被困人员的方法，其特征在于， A2 中建立多条传输路径并选择有效路由的具体过程为： a2_l、建立转发模型；节点i的拥塞度定义>
其中Cache (i)init* Cache⑴used分别为节点i的初始缓存量和已使用缓存大小，CD⑴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
其中，E⑴_和E (i) Mst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Twait，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Twait时间内无法收到ACK信号，则在指定的下一个发 送时隙WT sl(rt> Twait)后，根据邻居节点的转发选择因子FD⑴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 sltrt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。
6.按照权利要求4所述的利用无线传感网络系统搜救被困人员的方法，其特征在于， A4对体征数据采集传感器节点定位的具体过程为： a4-l、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(Itl)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，、表示当前参考定位节点和该测量节点之间的距离； 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(I)与发送距离1之间的关系如下
其中Zde服从高斯分布N(0, 〇 dB)，〇dB表示阴影模型偏差，α为路径损耗因子； a4-3、取 1。= lm，得到 DH(I) = -(IOa lgl+ff) 其中，W = - (DH(ItlKZdB); a4-4、计算所有参考定位节点的DH(I)，采用最小二乘法计算并最终确定待定位节点的 坐标值。
【专利摘要】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。
【IPC分类】H04W84-18, A61B5-0205, H04W4-02
【公开号】CN104837112
【申请号】CN201510146306
【发明人】黄海平, 张永灿, 陈九天, 杨华, 王汝传, 陈磊, 伍一鸣, 沙超
【申请人】南京邮电大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年3月30日