CN108882194A - 一种地面战场无线传感器系统及无线传感器装备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地面战场无线传感器领域，是一种针对地面战场环境进行监测的无线传感器系统。本发明提供了一种地面战场无线传感器系统及无线传感器装备包括：主站传感器装备、子传感器装备、及它们构成的地面战场无线传感器网络模型。主站传感器装备用于建立无线传感器网络，并自动搜索主站传感器信号可达范围内的子传感器装备。不能直接接收到主站传感器信号的子传感器会自动建立子传感器等级，通过高级别子传感器接入相应主站传感器网络中，极大扩展了主站传感器网络的覆盖范围。当主站传感器或子传感器出现故障或被敌军发现并破坏，或新的子传感器装备出现在网络覆盖范围内时，提供了一种主站传感器和子传感器控制逻辑，能迅速完成网络重组。

Description

一种地面战场无线传感器系统及无线传感器装备

技术领域

本发明涉及地面战场无线传感器领域，是一种针对地面战场环境进行监测的无线传感器系统。

背景技术

地面战场无线传感器是一种用于地面战场侦察和监控的装备。随着未来作战系统的网络化、自动化发展，由多兵种混合的战斗系统、无人值守地面传感器、智能武器系统及无人飞行器等多个系统组成的集成作战系统越来越成为未来的发展方向。

地面战场无线传感器系统作为未来集成作战系统的一个子系统，其能够实时监测地面战场的声响、震动、红外、生化、核辐射等诸多战场情报，为作战指挥提供多种情报保障。地面战场传感器系统的传感器节点主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块、能量供应模块组成。随着近年来MEMS技术、高速处理器技术、分布式协同信息处理技术、无线网络传输技术的发展，地面战场无线传感器装备得到各国军工部门的极大关注。

在地面战场无线传感器的布设上目前有人工布设、飞机空投、火炮发射等方式随机密集布设在边境地段、敌方纵深地域及其可能通过的地段和要道上，以短距低速通信方式迅速组成分簇、网状、树型等多种网络拓扑，推举的簇头通过单跳或多跳路由与隐蔽的汇聚节点相连，并通过中继器、无人机或卫星接入战场数据链，对敌方武装人员、轮式车、履带车、超低空飞行器等目标实施无人值守、昼夜监视地进行检测、识别、分类、定位和跟踪，将感知信息传送到远端的情报指挥中心，形成战场传感侦察情报，根据战场态势做出反应决策，完成火力控制、精确制导、电子对抗、辅助决策等作战意图，为作战指挥提供情报保障。无线传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合在军事上应用。目前国际许多机构的课题都是以战场需求为背景展开的。

地面战场通常是大面积的区域空间，实战过程中并不需要监测战场每个角落，只要针对需要的区域进行侦察即可，这样也避免大量传感器的投入加重战争成本。同时，传感器与传感器间、传感器和主站传感器间组成的网络能够容许的最大无线传输距离要尽可能大。在投放到战场后子传感器和主站传感器间能够自动组网，若子传感器/主站传感器被敌军发现并破坏或故障后，主站传感器/子传感器能够及时发现并重组网络(如图2、3所示)。

发明内容

本发明实现了一种地面战场无线传感器系统及无线传感器装备，用于实现以一种可自组网的大面积地面战场无线传感器网络。

无线传感器系统，包括：

主站传感器装备(Main Sensor A/B/C)：其本身会携带功耗相对较大的传感器，用于获取其周围子传感器设备所监测对象的测量数据，并将获取的监测数据或通过监测数据判断得出的预警信息经加密传输至卫星端。主站传感器装备还要负责将其周围子传感器自动组网，还要定期发送与其网内子传感器的联系信号。若发现子传感器有失联情况发生，则自动将该传感器从网络中剔除(如图4所示，提供了主站传感器的组网逻辑。)。

子传感器装备(Sensor Axx/Bxx/Cxx)，用于被监测对象的相应监测数据，并将所监测的数据或通过监测数据判断得出的预警信息经加密传输至其上一级子传感器装备中，再经各上级子传感器装备传输至所属主站传感器，再经由主站传感器将数据信息整理统一传输至卫星端。在子传感器启动后，其会自动搜索附近的主站传感器网络，若不能直接搜寻到主站传感器网络信号，则搜寻已间接连接到某主站传感器上的子传感器发出的信号，该传感器会作为其下级子传感器。在连接到上一级子传感器后，其会自动寻找下一级子传感器，依次构建子传感器的级别，形成更大的传感器网络(如图5所示，提供了子传感器的组网逻辑。)。

如图2所示，其中Main Sensor A/B/C为三个主站传感器，它们分别在各自信号范围内组建了相应的无线传感器网络。网络内还包含许多子传感器装备(如Sensor A11)，其中子传感器的名称中Sensor XYZ， X代表主站传感器名称A/B/C，Y代表子传感器装备的等级(1/2/3...)， Z代表指定传感器装备等级中的子传感器编号(1/2/3...)。其中，在采用人工布设、飞机空投、火炮发射等方式随机布设后，主站传感器会首先建立传感器网络，并将其信号可达范围内的子传感器装备的等级设置为一级。然后，一级子传感器装备会自动开始在其信号可达范围内将搜寻到的未直接/间接连接其它主站传感器网络的子传感器设备加入网络，并将其等级设置为二级。之后，二级子传感器装备会自动开始在其信号可达范围内搜寻到的未直接/间接连接其它主站传感器网络的子传感器设备加入网络，并将其等级设置为三级。依次完成子传感器等级建立，此过程也是拓展主站无线传感网络覆盖范围的过程。

如图3所示，其中主站传感器Main Sensor A若出现故障或被敌军发现并破坏，其原网络内部的子传感器装备会自动组网至最近的主站传感器(Main Sensor C)网络上。其中子传感器Sensor B12和Sensor B13发生故障或被敌军发现，主站传感器Main Sensor B会自动将其剔除出网络。而之前通过Sensor B12和Sensor B13接入Main Sensor B网络的子传感器会自动搜寻其他子传感器，进而连接到附近主站传感器的网络中。

无线传感器装备，包括：

传感器模块，与处理器模块相连，在地面战场主要使用的传感器模块有声响、震动、磁敏、红外、温湿度、生化、核辐射、组合气象等多种传感器，在不同的战场要求下需选择配备哪些传感器。

能量供应模块，为其他模块供电。

处理器模块，与传感器模块和无线通信模块相连，用于处理传感器模块采集的信息，并控制传感器模块采集/传输相应信息。

无线通信模块，与处理器模块相连，用于接受/发送处理器模块处理的信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是地面战场无线传感器系统的传感器节点终端构成示意图；

图2是本发明的地面战场无线传感器系统投入战场时的拓扑结构示意图；

图3是本发明的Main seasor A和部分子传感器故障或被破坏后的拓扑结构示意图；

图4是本发明地面战场无线传感器系统中主站传感器和一级子传感器组网逻辑示意图；

图5是本发明地面战场无线传感器系统中子传感器组网逻辑示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明实施例提供的地面战场无线传感器系统中设置有主站传感器装备(MainSensor A/B/C)，该设备可以将其组建的网络内的一级子传感器装备传输来的监测数据或通过监测数据判断得出的预警信息经加密传输至卫星端，再经由卫星信号传输到后方指挥基地服务器中。要说明的是一级子传感器装备传输至主站传感器装备的监测数据信息不仅是一级子传感器装备本身监测的信息，还包括通过一级子传感器装备中继的二级(甚至三级、四级等更低级别)子传感器装备监测的信息。以这样的方式卫星只需和主站传感器装备通信即可获取主站传感器装备周围所链接的所有子传感器装备上传的监测信息。

如图2所示，在地面战场无线传感器系统中，包括：三个主站无线传感器装备MainSensor A/B/C、多个子传感器装备Sensor Axx/Bxx/Cxx。

如图4所示，为主站传感器装备(Main Sensor A)为例的组网逻辑。在投放到战场后其会建立无线局域网，而子传感器装备会开始搜索附近的主站传感器建立的无线局域网。距离主站传感器较近的子传感器装备会搜索到主站传感器网络从而组成一级网络，而与其直接相连的子传感器装备等级被设置为一级(如：Sensor A1x)，所有一级子传感器的标号会保存在主站传感器存储器的一级子传感器队列中。这时，主站传感器就可以和与之相连的一级子传感器通信，传递一级子传感器及通过一级子传感器中继的二级、三级等更低级子传感器采集的信息给卫星端。主站传感器设备为了节约能耗，同时也为了保持与各个一级子传感器的联系，主站传感器在每次通信完成后会加入一定的延时，定期进行通信。在每次通信结束后都会进行网络状态校验，在通信的同时主站传感器会对是否有一级子传感器失联的情况发生：若有失联发生，则将失联的一级子传感器从一级子传感器队列中剔除；若没有失联发生，则搜索附近是否有新的不属于其它无线网络子传感器出现。若有出现则将新发现的子传感器加入到一级子传感器队列中，开始与之通信；若没有出现则继续与之前探测到的一级子传感器通信。这样就在主站传感器和一级子传感器间形成了自动组网。

因为主站传感器组建的无线传感器局域网范围有限，距离主站传感器太远的子传感器无法直接连入其局域网内，所以在组网时会把子传感器自动根据预制编程逻辑划分几个等级。低级别的子传感器不会直接与主站传感器通信，只会与其链接的高一级的子站传感器通信，将其侦察到的信息传给高一级别的子传感器，然后高一级别的子传感器再将其下级子传感器和其本身传感器监测到的信息传送给更高级别的子传感器。这样一级级传输直至主站传感器接收、整理后上传至卫星端。比如，若采用的Zigbee作为无线网络通信协议，其传输距离最大可达500米，若只有主站传感器和一级子传感器组成网络，那么整个传感器系统探测半径只有500米；若采用N 级传感器系统，探测半径可达N*500米，极大拓展了单个主站传感器网络的覆盖范围。

如图5所示，为子传感器装备为例的组网逻辑。在子传感器投入战场使用时，每个子传感器是没有级别之分的，不同子传感器的级别是它们根据实际距主站传感器距离和网络状态自动建立的。

子传感器在启动后会先搜索附近有没有主站传感器建立的无线局域网络，若能直接搜索到则主站传感器会将此一级子传感器存入存储器数据结构中，同时子传感器会将自己标定为一级子传感器，此后开始与其主站传感器和下级子传感器通信。在每次通信完成后隔一段时间，一级子传感器都会判断是否有与主站传感器失联的情况发生，若有则将将失联的主站子传感器从存储器记录中剔除，重新搜索附近的主站传感器；若没有主站传感器失联情况发生则判断其下级子传感器有没有失联情况的发生。若有则将失联的下级子传感器从存储器记录中剔除，再搜索附近是否有新的不属于其它无线网络非一级子传感器出现；若没有则直接搜索附近是否有新的不属于其它无线网络非一级子传感器出现。

此时再判断若有新的不属于其它无线网络非一级子传感器出现，则与发现的不属于其它网络的非一级子传感器通信，将新发现的子传感器加入到其二级子传感器队列中，再开始与主站/下级传感器的通信。

子传感器在启动后会先搜索附近有没有主站传感器建立的无线局域网络，若不能直接搜索到则该子传感器会将开始搜索附近的子传感器信号，若搜索不到则间隔一段时间再次退回到搜索主站传感器网络的状态。若能够搜索到附近的子传感器则先判断搜索到的子传感器是否已经直接/间接链接在某主站传感器上，若它也没有链接在某主站传感器网络上则间隔一段时间再次退回到搜索主站传感器网络的状态。若搜索到的子传感器直接/间接链接在某主站传感器上，获取连接到的子传感器在网络中的等级n、其所属主站传感器信息和及同级子传感器，并将自己的等级设置为n+1，存入存储器数据结构中。

之后就可以与其上级/下级子传感器通信，通信完成间隔一段时间会开始判断若有与上级子传感器失联情况发生，则将失联的上级子传感器从存储器记录中剔除，同时还会剔除其所有下级子传感器，间隔一段时间后再次退回到搜索主站传感器网络的状态。若判断没有与上级子传感器失联情况发生，则开始判断，其是否有其若有与下级子传感器失联的情况发生。若有与下级子传感器失联的情况发生，则将失联的下级子传感器从存储器记录中剔除，搜索附近是否有新的不属于其它无线网络的子传感器出现；若没有与下级子传感器失联的情况发生，则直接搜索附近是否有新的不属于其它无线网络的子传感器出现。

若没有新的不属于其它无线网络的子传感器出现，则继续和上级 /下级子传感器通信，若有新的不属于其它无线网络的子传感器出现，则与发现的不属于其它网络的子传感器通信，将新发现的子传感器加入到其n+2级子传感器队列中，再和上级/下级子传感器通信。

本发明实施例的高级别子传感器可以作为低级别子传感器的中继，可将无法直接和主站传感器链接的子传感器获取的信息通过其链接的高级别子传感器中继至主站传感器，从而发送至卫星端。这种模式扩展了整个无线传感器网络的覆盖范围。

进一步，子传感器和主站传感器间的网络是自动建立(如图4所示)，且子传感器间的级别是自动判断获得的(如图5所示)。最主要的特征是此网络具有自组织、高容错的特性。当主站传感器被敌军发现并破坏或本身故障停止工作后，其原网络下的子传感器会自动重新搜索附近主站传感器网络，或通过其他子传感器间接与附近主站传感器通信。当子传感器被敌军发现并破坏或本身故障停止工作后，其原网络下的子传感器会自动重新搜索附近主站传感器网络，或通过其他子传感器间接与附近主站传感器通信。

本领域的技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序操控相关硬件完成。附图中所示的主站传感器/ 子传感器的组网逻辑是示意性的，每个具体步骤中还存在多种技术细节并未详细说明。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种地面战场无线传感器系统，其特征在于，包括：

子传感器装备，用于监测侦察目标的相关数据，在子传感器投入战场使用时，每个子传感器是没有级别之分的，不同子传感器的级别是它们根据实际距主站传感器距离和网络状态自动建立的。各级子传感器会将其侦测到的数据信息通过无线传感器网络传送至主站传感器，经主站传感器整理汇总后传输至卫星端。

一级子传感器装备，用于直接和主站传感器建立的局域网链接，同时还负责链接不能直接连接到主站传感器但处于一级传感器信号范围内的子传感器，并将其等级设定为二级子传感器加入到网络中。一级传感器将自身所侦测到的信息和通过其中继连接到网络中的二级子传感器侦测到的信息传输到主站传感器，经主站传感器整理汇总后传输至卫星端。

如上所述，网络中子传感器还会根据在地面战场上的分布情况，自动建立更多级别，其过程完全是自动组网并自动划定各自的等级。各级子传感器还具有网络诊断、自动调整网络链接的功能。

主站传感器装备，用于将其本身携带的传感器监测到的信息和所述一级子传感器及其下级子传感器侦测到的信息进行接受汇总，统一发送至卫星端。主站传感器还具有网络诊断、自动调整网络链接的功能。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述主站传感器装备还用于其数量远少于子传感器装备，这样就可以将能耗较大、所需数量不多的传感器安装在主站传感器上，而子传感器上可安装低功耗的传感器，这样有利于整个系统的低功耗的实现和续航能力提升。

所述的主站传感器装备还用于负责汇总周围各级子传感器侦测到的信息，处于网络的关键位置。因为其数量远少于子传感器装备的特性，可以着重对其进行外形伪装以防止被敌军发现并破坏，进而提升整个传感器系统的安全性。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述主站传感器设备还用于能够在其一级子传感器因故障或被敌军发现并破坏掉后，及时剔除原有的一级传子感器信息及其挂载的次级子传感器信息。在有新的传感器投放到其附近时，能及时发现新的子传感器并将该子传感器等级设置为一级加入网络中。如图4所示，提供了主站传感器与一级子传感器组网逻辑。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述的子传感器装备，用于在投入战场使用时，每个子传感器是没有级别之分的。不同子传感器的级别是它们根据实际距主站传感器距离和网络状态自动建立的，具有更好的灵活性和自主性。如图5所示，提供了子传感器的组网逻辑。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述的子传感器装备还用于在其所链接的主站传感器装备在因故障或被敌军发现并破坏后，能够自动诊断网络状态，自动搜索并直接/间接连接附近的其它主站传感器所建立的无线传感网络中，使系统具有自组织、高容错的特性。

6.一种地面战场无线传感器装备，其特征在于，

传感器模块，用于与处理器模块相连，在地面战场主要使用的传感器模块有声响、震动、磁敏、红外、温湿度、生化、核辐射、组合气象等多种传感器，在不同的战场要求下需选择配备所需传感器。

能量供应模块，用于为其他模块供电。

处理器模块，用于与传感器模块和无线通信模块相连，处理传感器模块采集的信息，并控制传感器模块采集/传输相应信息。

无线通信模块，用于与处理器模块相连，接受/发送处理器模块处理的信息。