基于WSN的穿戴式戶外探險監護系統

邱立靖++柯文德

摘要：針對智能穿戴設備對單一傳感器精準采集信息效果不理想等問題，提出基于無線采集、多傳感器信息融合的智能頭盔信息采集和通信的方法，采用最短路徑Dijkstra算法實現STM32主控頭盔的數據融合和無線分簇網絡傳輸。實驗驗證了該方法的有效性。

關鍵詞：穿戴式； 數據融合； 無線通信； STM32

中圖分類號： TP393

文獻標志碼A

文章編號： 2095-2163（2016）06-0040-05

0引言

時下，智能穿戴產品面臨著數據無線傳輸距離及傳輸速率問題，尤其是在復雜地形、干擾嚴重的非結構工作環境下，則需要執行實時監控、并完成信息傳輸的任務。為解決這些問題，學者們提出了WSN智能穿戴戶外探險監護設備，這種智能穿戴產品具有超遠程控制、功耗低、抗干擾、傳輸速率快的優勢，以及可以提供動態監測和實時顯示，機體輕巧簡約、連同攜帶方便等特點。多傳感器信息融合與無線信息通訊控制技術是智能科技產品研究領域的熱點課題[1-3]，該技術結合控制理論、人工智能、信號處理、概率統計的研究成果，同時利用了數據融合以獲得有序協調、提升傳輸效率，如此即可為各種復雜不確定、且干擾大的環境下作業的智能穿戴設備能夠實現有效采集并完全傳輸而設計給出了一種關鍵技術解決途徑[4-6]。

目前的智能穿戴大多在監測上要求更加智能和精確，較多依賴物聯網技術與單一傳感器以獲取數據，處理時間長、實時效果差。單一的傳感器（比如CO傳感器）信息采集能力有限，而若選用多個傳感器資源及其采集信息，使得信息能夠得到快速精準共享，進而改善了施救人員指揮、判斷、決策的效率與準確度，并于最終達到了智能化救援，而且還可更趨穩健地保障施救人員的生命安全[7-10]。

基于此，提出一種多傳感器數據融合和無線分簇網絡傳輸的最短路徑Dijkstra算法，并應用在智能頭盔的無線采集和通信上。其中，多種傳感器檢測可提高控制精度和集成度，而通過數據融合處理算法則可優化改進信息采集的準確度；另外，研究中引入的Dijkstra算法即是通過計算一個節點到其他所有節點的最短路徑實現信息傳輸的高效性。

[BT4]1系統硬件設計

[BT5]1.1系統結構

研究中，在將ESP8266WIFI模塊配置為STA模式后，智能穿戴即實現了與手機app間的有效信息交互。進一步地，智能穿戴還可通過Bluetooth向手機藍牙串口助手發送信息。在此，設計開發得到系統結構框圖和系統原理圖，分別如圖1、圖2所示。

參照圖1和圖2，針對系統原理架構，這里將給出其中重點組成的實現解析，可做如下概述。

1）控制板。基于STM32F1RCT6芯片的核心控制板，集成度高，滿足高性能、低功耗的設計需要，能夠進行實時檢測和傳輸數據。

2）RTC實時時鐘電池座與復位電路。提供內部實時時鐘源，而在二極管VD1和VD3之間焊接上另一個二極管VD2，就可以補配上充電電池來作為實時時鐘源使用。

3）電源模塊。核心控制板（標準輸入電壓：5 V）和GSM（輸入電壓要求范圍：5～24 V）分別由一個輸出為8.1 V的電池和另一個輸出為7.4 V的電池提供需求電壓。額定電壓為5 V的核心控制板接入8.1V的原因則在于CO濃度傳感器、煙霧濃度傳感器、溫度傳感器、GPS模塊和藍牙模塊都會對該輸入進行分壓，而將電壓值增加至8.1V即可保證核心控制板能夠有足夠的電壓維持正常工作。

4）[JP2]擴展板電源接口。5 V 直流電壓輸入，經過 LT1085-33 穩壓器可將輸入的直流電壓穩定在擴展板的工作電壓 3.3 V位置，并提供主控制器的工作電壓。內設的LED 燈則可顯示電源的接入狀態。[JP]

[BT5]1.2外圍設備

1.2.1Risym NRF24L01 2.4G無線接收通信模塊

[JP3]NRF24L01是由NORDIC生產的工作在ISM 頻段的2.4～2.5 GHz的的單片無線收發器芯片。無線收發器包括：頻率發生器、增強型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器，可通過一定設置合理降低功率和電流消耗。[JP]

1.2.2GPS模塊

可用于探險者的定位和提供海拔、經緯度、速度和時間等信息。模塊外圍電路簡單，天線易調試，已集成GPS專用濾波器和外圍電源，波特率可選，3.3 V COMS 通用串行接口，預留I2C接口，方便擴展DR功能。GPS模塊設計板面如圖3所示。

[PS邱立靖3.EPS；S*2；X*1，BP#]

1.2.3GSM模塊

將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統、GSM射頻處理、基帶處理設計，而且還提供有系列標準接口的功能模塊。ATK-SIM900A模塊支持 RS232 串口和 LVTTL 串口（即支持 3.3 V/5 V 系統），并附帶硬件流控制，同時配設有5～24 V 的超寬工作范圍，使得模塊可以與產品做到方便對接，從而給產品定制了包括語音、短信和 GPRS 數據傳輸等在內的各類功能。

擁有與外界手機進行雙方通話與發送信息的功能。旅行者在遭遇異常情況時可通過意見撥號功能，向指定號碼發出求救電話。

1.2.4藍牙模塊

智能信息頭盔系統通過藍牙，可將采集到的數據傳輸到手機上的藍牙串口助手設計得到直觀顯示，方便用戶查看當前環境信息。

1.2.5攝像頭模塊

采用智能攝像機1080p加強夜視版高清無線WIFI監控攝像頭，如此設計后則呈現有以下特點：

1）遠程監控功能。如果旅行者間距離遠于30米時，同伴可運用手機通過互聯網絡查看對方實時情況。

2）[JP3]直錄監控錄像功能。如果需要對環境實施遍歷拍攝和事后對環境展開研究，此時可以將內存卡直接插入攝像機，攝像頭即可將現場情況實時記錄在SD卡里，方便探險后進行查看。[JP]

與攝像頭連為一體的5.8G無線傳輸模塊，將攝像頭采集得到的視圖情景進行遠程實時傳輸。該過程的工作原理如圖4所示。

[PS邱立靖4.EPS；S*2；X*2，BP#]

[HT6H][ST6HZ][WT6HZ][JZ]圖4遠程攝像頭實時傳輸的工作

[JZ]Fig. 4Realtime transmission of remote camera work

[HT5”SS][ST5”BZ][WT5”BZ]1.2.6傳感器模塊

傳感器模塊在類別上有專門采集環境因素的，比如溫濕度、CO（一氧化碳）和煙霧濃度等，另外還有指定采集人體信息的，如血氧、心率、脈搏。在此，針對研究中涉及的3類傳感器可得如下設計解析：

1）DHT11溫度傳感器。單線接口方式，如此即可與微處理器進行雙向通信；檢測的溫度范圍-55～+125℃，固有測溫分辨率0.5℃。DS18B20 的通信I/O 口外接 S3C2440 的 GPB5 I/O 口。

2）CO濃度傳感器。主要芯片是LM393和MQ-7氣體感應探頭，能夠探測現場周圍環境的CO濃度信息。

3）XD-58C_pulsesensor脈搏心率傳感感應器。實現心率監測，并在電腦上顯示脈搏曲線和心率數值。傳感器采集脈搏的工作原理是基于人體在心臟搏動前后血液中氧含量的不同，進而導致指尖、耳垂等肢體尖端部位的透光性也隨即發生變化，再利用光傳感器轉換成電信號，從而測出脈搏心率的波動數值。研究中多會選定指尖和耳垂位置，原因在于其他部位的透光率變化遠沒有這些尖端部位表現得直觀、明顯。

[BT4]2基于Dijkstra算法的數據傳輸

[BT5]2.1Dijkstra算法

Dijkstra算法是典型的單源最短路徑算法，用于計算一個節點到其他所有節點的最短路徑，算法實現效果就是以起始點為中心向外層層擴展，直至擴展到終點為止。假設在無向圖 G=（V，E） 中，每條邊 E[i] 的長度可記為 w[i]，需要找到由頂點 V0 到其余各點的最短路徑（單源最短路徑）。實現過程可具體描述為：

設G=（V，E）是一個帶權有向圖，把圖中頂點集合V分成2組。第一組為已求出最短路徑的頂點集合，用S表示：初始時S中只有一個源點，以后每求得一條最短路徑，就將其加入到集合S中，直到全部頂點都加入到S中，算法結束；第二組為其余未確定最短路徑的頂點集合，用U表示，按最短路徑長度的遞增次序把第二組的頂點依次加入S中。在此過程中，始終保持從源點v到S中各頂點的最短路徑長度不大于從源點v到U中任何頂點的最短路徑長度。另外，每個頂點都將對應一個距離，S中的頂點的距離就是從v到此頂點的最短路徑長度，而U中的頂點的距離，就是從v到此頂點、只包括S中的頂點為中間頂點的當前最短路徑長度。