传感器无线互联（精选9篇）
传感器无线互联 篇1
1 传感器无线互联技术中存在的问题
1.1 功耗比较高、网络容量小
由于传感器的工作周期较长, 其在收发信息的时候都是一直处于工作状态, 所以其耗电量非常大, 尤其是对于那些需要使用电池的传感器, 由于其较大的功耗, 因而需要经常更换电池, 因而其使用非常的不方便。此外现行的传感器无线互联网络的网络通量非常的小, 其所能容纳的设备数量非常的有限, 这不能够满足传感器的使用要求, 难以到达传感器预期的作用。
1.2 数据传输的可靠性较低、时延比较大
由于现行的传感器无线网络的网络流通量很小, 因而大量传输数据时就会存在数据之间的竞争和冲突。加上不完全确认的数据传输机制, 在网络上发送的数据包传输的可靠性不是很高, 数据包传输错误和误传的现象普遍存在。此外现今的无线连接的传感器具有很强的延时敏感性, 其通信时延和休眠状态激活的时延都还比较长, 这对于传感器的工作性能有很大的影响。
1.3 兼容性和安全性不好, 成本较高
由于现行的传感器无线互联网络并不能与现有的控制网络实现标准的无缝集成, 因而不能通过网络协调器 (Coordinator) 自动建立网络, 其信息传递的可靠性并不高。此外由于现行的传感器无线互联技术还不具备数据的完整性检查功能和鉴权功能, 各个应用也不能灵活的确定其安全属性, 因而数据传输的安全不是很高。同时由于模块的制造技术还不是很成熟, 所以总的来说成本还是比较高, 这对于传感器无线互联技术的推广又恨的阻碍作用。
2 提高传感器无线互联的对策
2.1 传感器节点采用DSP处理器
DSP (digital signal processor) 是一种以数字信号来处理大量信息的微处理器, 他的工作原理是现将接收到的模拟信号转化为0或者1的数字信号, 在对数字信号进行删除、修改和强化, 并在其他的芯片中班数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它具有可编程性, 而且运行速度非常快, 具备强大的数据处理能力, 性能远远超过那些通用的微处理器。通过采用DSP微处理器就可以尽可能多的在传感器节点一级多做些数据处理工作, 从而可以极大地减少原始数据的发送量, 只将那些有用的信息发送过去。这样不仅可以降低传感器的功耗, 同时由于数据传输量的大量减少, 数据传输的可靠性也到了极大的提高。采用DSP微处理器的优势是非常明显的, 例如对于那些平稳状态的原始数据就可以不发送到上位机中, 而只需要将那些可疑状态前后的原始数据发送过去即可, 由于这一特点就可以极大地减少数据的通信量。同时DSP微处理器还具有对于元件值的容限不敏感以及受外界环境影响小、可共享处理器和随时复用以及线性相位、易于存储等诸多优点, 因而其对于传感器的无线互联有极其重要的意义。
2.2 采用802.15.4无线发射/接收机及网络
2000年12月, 由IEEE成立了致力定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术的研究小组。在他们的努力下802.15.4无线发射/接收机及网络终于问世。相对于传统的无线发射/接收机及网络, 802.15.4有很多的优势。802.15.4主要的运用领域是远程控制、工业控制和楼宇自动化, 然而传感器网络是其最主要的市场对象。如果将其与传感器组合就可以进行数据的收集、处理和分析, 就可以决定是不不是需要用户或者什么时间需要用户操作。同时802.15.4可以在非常恶劣的环境下正常的工作, 例如在危险的火灾或者富含各种化学物质的条件下维护和检测正在工作的机器。同时802.15.4网络还可以降低传感器网络的安装成本, 对于网络的扩充也起到了简化作用。此外802.15.4还可以提供一个成本很低的数据采集和传输的网状网络, 在这个网络上的各个监测点只要在一定的时间内发送很少的数据, 从而在对于数据流侧传输是异步的, 从而使得在数据传输过程中的时间限制非常小, 这样不仅可以提高工作的效率, 提高数据传输的可靠性, 同时也可以极大地延长电池的使用寿命。同时802.15.4的数据的无线收发是有无线通信模块负责的, 其主要包括基带和射频两个部分组成。其中基带主要是负责链路的数据分组和物理通道, 而射频主要是提供数据传输的空中接口。链路的管理和控制则由微控制器负责, 执行基带的通信协议和相关的一些处理过程, 这主要包括链接的建立、媒体接入控制、安全算法和选择频率等。传感器模拟信号经过调理以后在经过AD转化后存储于缓存存储器中, 再由无线通信模块发送到主控节点上, 在进行特征提取和信息融合等高层决策处理。整个系统中的节点课已通过外部电源 (直流) 或者电池提供电能。同时通过增加功率放大器还可增加通信的距离。由于802.15.4的这些优势, 如果在传感器的无线互联中使用802.15.4, 那么无线互联的资粮一定会得到极大的提高。
3 总结
虽然现今的传感器无线互联技术取得比较大的进步, 但是同时也还存在很多的缺陷。传感器无线互联技术作为一种短距离、低功耗和低速率的无线个域网网的新型技术, 其在未来有非常广阔的运用空间, 其对于各行各业的重要性不言而喻。本文只是做了相关方面的初探, 希望相关的人员能够在此基础上不断的开拓创新, 从而促进传感器无线互联技术的快速发展。
摘要：本文基于目前传感器互联技术的现状分析了其中所存在的一些问题, 并着重提出了传感器节点采用DSP处理器、采用802.15.4无线发射/接收机及网络等两种解决方案, 希望可以给与相关人员一些借鉴和思考。
关键词：传感器,无线互联,实现,问题,对策
传感器无线互联 篇2
一个下午的实验，或许比我这大学三年多所学的理论知识更加具有实用性。开头，老师用一个混凝土传送车的测量项目，从经济成本和技术手段等方面详细介绍了有线测量的缺点与无线测量的有缺点。印象最深刻的一点是：有线测量的线路布置相当麻烦，且成本高昂，易受外界干扰；无线测量安装方便，随着技术的进步，成本也较低，抗干扰性较好，将是未来科技发展的方向。接下来便是动手操作，其中有两点感触颇深：
第一、从基础做起很重要。
整个实验从学习测量软件开始，实验的相关参数都需要再软件中事先设置妥当。有的同学完全不管不顾就立即开始测量，使得实验数据牛头不对马嘴，直接导致测量失败。学习好测量软件，接下来便是看懂实验原理图，选择正确的传感器进行实验。一开始，我们无从下手，原因在于：无线传感器本身的结构不了解，无法有效的使用起来，输入接入了3
通道，在软件上采集时却使用1通道，一直采集不到
实验数据，或者本该接在同一个传感器的不同通道上的，却找两个传感器来测量。好在，经过摸索和同学
间的讨论，终于弄明白了这些问题，希望以后的同学
们能吸取教训。
第二、细节很重要。
记得千分表加载测应变的实验中，要求输入信号全桥
接入，共4根接入线，其中一对是电源与地线，一对
是中间节点线。刚开始，我们两个接线员一看电路图，想当然认为4个电阻一样大，4根线应该是一样的，变随机接线，导致最后无论怎么调试都没有输入信号，明显是将邻臂接入了电路，使得输入信号互相抵消了，正确的接法应该是采用对臂相加原则，将R1R3或者R2R4 接入，也就说电源线与地线必须正确对于。
无线传感器网络故障检测研究 篇3
关键词：无线传感器；资源受限；故障管理；故障检测
无线传感器网络是通过具备数据处理和无线通信能力的传感器节点通过自组织方式而形成的无线网络。无线传感技术与基站或路由器等基础通信设施不同，其是通过特定的分布式协议自组织起来的网络。基于无线传感技术，其能够对各种环境或检测对象的信息进行实时奸恶、感知和采集，并且能够对所收集的信息进行处理直接传送至用户端，能够为用户提供全面的、可靠性较高的详实可靠的信息。由于无线传感器网络能够被适用于大多数恶劣以及特殊的环境条件下，其已经被广泛的应用于国防军事、环境监测、箭筒管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。
随着无线传感器技术的不断发展，以及其应用范围的不断拓宽，其经常被应用于一些极端恶劣的环境条件下，以收集外部环境的数据。由于传感器节点的电源、存储和计算能力有限，并且应用环境恶劣，使得传感器节点比传统网络的节点更易于失效。在这些情况下维持高质量的服务，并尽可能地降低能源消耗是很有挑战性的，有效的故障管理对于达成这些目标是有极大帮助的。因此，对无线传感器网络故障进行管理是非常重要的。一般来说无线传感器网络故障的管理包括三个阶段：网络故障的检测、网络故障的诊断以及网络系统的恢复等。
本文由于篇幅以及研究经历有限，将重点研究无线床干起网络故障管理中的网络故障检测部分。无线传感器网络故障检测按照故障检测的执行主体所处位置的不同，可以将无线传感器网络故障检测方法分为集中式方法和分布式方法。
一、集中式的无线传感器网络故障检测方法
集中式方法是无线传感器网络故障诊断中较为常见的一种方法。一般来说，负责对网络进行监控、对失败或可疑节点进行追踪的店是处于物理上或逻辑上的中心位置节点。中心位置的节点在无线传感网络系统中所负责的事务较多。因此，无线传感器网络在运营过程中，通常是不让中间位置的节点不受到能量的限制。进而能够保证其执行大范围的故障管理任务。集中式方法的接受如集中式方法的结构如主要采用周期轮询的方式来对节点进行管理：中心节点通常采用周期性主动探测的方式发布一些探测包，来获取节点的状态信息，对获得的信息进行分析，从而确定节点是否失效。
采用集中式网络管理，所有的网络设备都由一个管理者进行管理。当信息流量不大的时候，集中式网络管理简单且有效，在失效节点定位方面具有高效和准确的优点，所以它非常适用十小型的局域网络。在集中式网络管理结构下，管理者作为“客户”要完成复杂的网络管理任务，同时还必须与多个作为“服务器”的代理交换信息。这种结构存在着较大的缺陷，主要表现为：
1）所有的分析和计算任务都集中在中心节点站，造成网络管理的瓶颈，中心节点负载过重。由于其余节点的信息收集后都是发往中心节点，因此中心节点很可能变成一个专门用于数据传输的节点以满足故障检测和管理的需要。随之而来的问题就是中心节点所在的区域会有大量的流量往来，导致该区域的节点能量消耗急剧增加，越是靠近中心节点的越是这样。
2）中心节点站一旦失效，整个网管系统就崩溃了，这样导致整个系统的可靠性偏低。
3）集中式结构导致大量的原始数据在网络上传输，带来了大量额外的通信量，占用大量的通信带宽，并导致网管系统工作效率降低。
4）用于监测网络并收集数据的代理是预先定义好且功能固定的，一旦要扩展新的功能时十分不便，这样会造成系统的可扩展性较差。
5）远端节点与管理中心之间的距离较远，且传感器网络中采用多跳通信，因此这两者之间的信息交互时延过长。
二、分布式方法
分布式方法支持局部决策的概念，能够平滑地将故障管理分散到网络中去。目标是让节点在与中心节点通信前，能够给出一定层次的决策。在这种思想下，传感器节点能做的决策越多，越少的信息将被传输给中心节点，从而减少通信量。其算法流程如右表1。分布式的方法通常分为以下几种：
1）节点自检测方法。节点自检测的方法依赖于节点自身所包含的功能进行故障检测，并将检测结果发送给管理节点。文献[4]中介绍了一种节点自检测的方法，通过软件和硬件的接口检测物理节点的失效。硬件接口包含了几个灵活的电路用于检测节点的方位和碰撞。软件接口包含了几个软件部件，用于采样传感器节点的读取行为。由于故障的检测由节点本身完成，这种方法的优点是不需要部署额外的软件或硬件节点用于故障检测。
2）邻居协作的方法。顾名思义，邻居协作的基本思想就是：在节点发出故障告警之前，将节点获得的故障信息与邻居（一跳通信范围内）获得的故障信息进行比较，得到确认的情况下才将故障信息发往管理节点。在大多数的情况下，中心节点并不知道网络中的任何失效信息，除非那些已经用节点协作方式确认的故障。这样的设计减少了网络的通信信息，从而保留了节点的能量。
3）基于分簇的方法。基于分簇的方法将整个网络分成不同的簇，从而将故障管理也分散到各自的区域内完成。簇内采用散播的方式来定位失败节点，簇头节点与一跳范围内的邻居以某种规则交换信息。通过分析收集到的信息，根据预先定义的失败检测规则可以最终确定失败节点。接着，如果发现了一个故障节点，该区域所在的节点将会把信息传播给所有的簇。
三、结束语
如今，无线传感器网络应用范围正在逐步扩大，而且多数学者认为，无线传感器网络是物联网平台实现的基础性架构。因此对于无线床干起网络的研究对实践工作具有一定的指导意义，本文主要针对无线传感器网络故障的方法进行了分类描述分析，对于指导无线传感器网络故障研究工作具有一定的指导意义。
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无线自组网和无线传感器网络研究 篇4
Ad Hoc网络是一种移动通信和计算机网络相结合的自组织网络, 网络中的节点由移动主机构成。Ad Ho网络最初应用于军事领域, 是20世纪70年代美国国防部高级研究计划局 (DARPA) 资助研究的采用分组无线网 (PRNET) 进行数据通信项目中产生的一种新型网络构架技术[1]。无线传感器网络是Ad Hoc网络应用在传感器技术中的一种具有动态拓扑结构的组织网络它是由大量散布在某区域的微小传感器节点组成, 这些节点可以通过飞机撒播、人工布置或者火箭弹射的方式完成。与蜂窝移动通信系统、蓝牙技术、无线局域网等无线通信网络相比, 无线传感器网络和传统Ad Hoc网络都没有基站设备支持, 所有节点分布式运行能够向相邻节点发送和接收数据, 具有发现和维护到其他节点路由的功能, 是自创造、自组织和自管理的多跳网络。
无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络, 其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息, 并报告给用户。它的英文是Wireles Sensor Network, 简称WSN。大量的传感器节点将探测数据, 通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能, 而这正对应着现代信息技术的三大基础技术, 即传感器技术、计算机技术和通信技术。
1、无线自组网
1.1 无线自组网概述
Ad hoc网是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络, 又称为多跳网 (Multi-hop Network) 、无基础设施网 (Infrastructure less Network) 或自组织网 (Self organizing Network) 。整个网络没有固定的基础设施, 每个节点都是移动的, 并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。在这种网络中, 由于终端无线覆盖取值范围的有限性, 两个无法直接进行通信的用户终端可以借助其它节点进行分组转发。每一个节点同时是一个路由器, 它们能完成发现以及维持到其它节点路由的功能。
Ad Hoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络, 网络中的节点均由移动主机构成。Ad Hoc网络最初应用于军事领域, 它的研究起源于战场环境下分组无线网数据通信项目, 该项目由DARPA资助, 其后, 又在1983年和1994年进行了抗毁可适应网络SURAN (Survivable Adaptive Network) 和全球移动信息系统Glo Mo (Global Information System) 项目的研究。由于无线通信和终端技术的不断发展, Ad Hoc网络在民用环境下也得到了发展, 如需要在没有有线基础设施的地区进行临时通信时, 可以很方便地通过搭建Ad Hoc网络实现。
1.2 无线自组网的特点
Ad Hoc网络作为一种新的组网方式, 具有以下特点:
1.2.1 网络的独立性
Ad Hoc网络相对常规通信网络而言, 最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持, 快速构建起一个移动通信网络。它的建立不依赖于现有的网络通信设施, 具有一定的独立性。Ad Hoc网络的这种特点很适合灾难救助、偏远地区通信等应用。
1.2.2 动态变化的网络拓扑结构
在Ad Hoc网络中, 移动主机可以在网中随意移动。主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失, 主机之间的关系不断发生变化。在自组网中, 主机可能同时还是路由器, 因此, 移动会使网络拓扑结构不断发生变化, 而且变化的方式和速度都是不可预测的。对于常规网络而言, 网络拓扑结构则相对较为稳定。
1.2.3 有限的无线通信带宽
在Ad Hoc网络中没有有线基础设施的支持, 因此, 主机之间的通信均通过无线传输来完成。由于无线信道本身的物理特性, 它提供的网络带宽相对有线信道要低得多。除此以外, 考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素, 移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值。
无线自组网络还具有有限的主机能源、网络的分布式特性、生存周期短、有限的物理安全等特点。
1.3 无线自组网应用领域
Ad Hoc网络的应用范围很广, 总体上来说, 它可以用于以下场合:a) 没有有线通信设施的地方, 如没有建立硬件通信设施或有线通信设施遭受破坏。b) 需要分布式特性的网络通信环境。c) 现有有线通信设施不足, 需要临时快速建立一个通信网络的环境。d) 作为生存性较强的后备网络。
Ad Hoc网络技术的研究最初是为了满足军事应用的需要, 军队通信系统需要具有抗毁性、自组性和机动性。具有较强的自组性, 很适合战场的恶劣通信环境。Ad Hoc网络建立简单、具有很高的机动性。目前, 一些发达国家为作战人员配备了尖端的个人通信系统, 在恶劣的战场环境中, 很难通过有线通信机制或移动IP机制来完成通信任务, 但可以通过Ad Hoc网络来实现。因此, 研究Ad Hoc网络对军队通信系统的发展具有重要的应用价值和长远意义。
Ad Hoc网络的研究在民用和商业领域也受到了重视。在民用领域, Ad Hoc网络可以用于灾难救助。在发生洪水、地震后, 有线通信设施很可能因遭受破坏而无法正常通信, 通过Ad Hoc网络可以快速地建立应急通信网络, 保证救援工作的顺利进行, 完成紧急通信需求任务。Ad Hoc网络可以用于偏远或不发达地区通信。
Ad Hoc网络在研究领域也很受关注, 近几年的网络国际会议基本都有Ad Hoc网络专题, 随着移动技术的不断发展和人们日益增长的自由通信需求, Ad Hoc网络会受到更多的关注, 得到更快速的发展和普及。
2、无线传感器网络
2.1 无线传感器网络的体系结构
典型的无线传感器网络系统主要由传感器节点、接收发送器、互联网或通信卫星、任务管理节点等组成。图1为一个无线传感器网络的体系结构图。
传感器节点是一种微型嵌入式设备, 由部署在感知对象附近大量的廉价微型传感器模块组成, 可以借助于节点中内置的各式传感器来测量所在周边环境中的各种信号, 从而探测其相关的各种物理量, 也可以通过人工放置、飞机撒播或炮弹发射等方式, 将传感器节点散布在监控区域内, 以采集检测区域内的相关信息, 并发送到汇聚节点。各模块通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统, 从而把传感器节点采集到的数据沿着其他节点逐跳传输到汇聚节点。
汇聚节点也称数据中心或基站, 它的处理能力、存储能力和通信能力相对较强, 通过连接传感器网络与互联网等外部网络, 可实现两种协议通信协议之间的转换, 同时发布管理节点的检测任务, 并将搜集到的数据转发到外部网络上。
管理节点通过对整个系统的配置和管理, 可实现对系统中各节点检测任务的发布和检测数据的收集与处理。管理节点也可以将数据传输给传感器节点, 实现网络的再配置以及重新发布检测任务。
2.2 无线传感器网络的特点
无线传感器网络除了具有Ad Hoc网络的移动性、断接性、电源能力局限性等共同特征以外, 还具有很多其他鲜明的特点。
2.2.1 大规模网络
为了获取精确信息, 在监测区域通常部署大量传感器节点, 传感器节点数量可能达到成千上万, 甚至更多。通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比;通过分布式处理大量采集的信息能够提高监测的精确度, 降低对单个节点传感器的精度要求;大量冗余节点的存在, 使得系统具有很强的容错性能;大量节点能够增大覆盖的监测区域, 减少洞穴或者盲区。
2.2.2 自组织网络
在无线传感器网络应用中, 通常情况下传感器节点被放置在没有基础设各的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定。节点之间的相互邻居关系也不能预先知道, 如通过飞机撒播大量传感器节点到面积广阔的原始森林中, 或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力, 能够自动进行配置和管理, 通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在无线传感器网络使用过程中, 部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效, 也有一些传感器节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中, 这样在无线传感器网络中的节点个数就动态的增加或减少, 从而使网络的拓扑结构随之动态变化。无线传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。
2.2.3 多跳路由
网络中节点通信距离有限, 一般在几十到几百米范围内, 节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信, 则需要通过中间节点进行路由。匿定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现, 而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的, 没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者, 也可以是信息的转发者。
2.2.4 动态性网络
无线传感器网络是一个动态的网络, 节点可以随处移动;一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障, 退出网络运行;一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。无线传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变: (1) 环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效。环境条件变化可能造成无线通信链路的带宽变化, 甚至时断时通。 (2) 无线传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性。 (3) 新节点的加入。 (4) 可靠的网络。
2.2.5 以数据为中心的网络
传感器网络是一个任务型的网络, 脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网络中的节点采用编号标识, 节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部署, 构成的传感器与节点编号之间的关系是完全动态的, 表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时, 直接将所关心的事件通告给网络, 而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或者传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器是一个以数据为中心的网络。
2.2.6 应用相关的网络
传感器用来感知客观物理世界, 获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多样, 不可穷尽。不同的传感器应用关心不同的物理量, 因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。
不同的应用背景对传感器网络的要求不同, 其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差异。所以传感器网络不能像Internet一样, 有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题, 但在开发传感器更高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术, 这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。
无线传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域, 传感器节点可能工作在露天环境中, 遭受太阳的暴晒或者风吹雨淋, 甚至遭到无关人员或动物的破坏。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数量巨大, 人工不能“照顾”每个传感器节点, 网络的维护十分困难甚至不可维护。无线传感器网络的通信保密性和安全性也十分必要, 要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测数据。因此, 无线传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。
3、无线自组网与无线传感器网络比较
无线传感器网络与传统无线自组网有着一些不同特点:1、无线传感器网络的节点数量较多, 并且分布密度较大;2、无线传感器网络中的节点与无线自组网中的节点相比更容易出错;3、无线传感器网络中节点的计算、存储能力和电力有限;4、传统无线自组网主要采用点对点通信, 而无线传感器网络节点主要采用广播方式通信;5;无线传感器网络中的节点数量非常大, 因此网中节点一般没有全球唯一的标识。
摘要：在目前的无线网络技术中, 最重要的研究是无线自组网 (ad hoc) , 最有发展前景的是无线传感器网络 (Wireless Sensor Network, WSN) 。无线自组网是一种自组织、对等式、多跳的无线移动网络, 在分组无线网的基础上发展起来。无线传感器网络将无线自组网技术与传感器技术相结合, 实现协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息并发送给观察者。
关键词：无线自组网,无线传感器
参考文献
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传感器无线互联 篇5
无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成的, 通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台, 能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息, 并将这些信息发送到网关节点, 以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪。
当前测控系统的数据传输主要为有线方式, 存在铺设线路复杂、维护困难、成本较高等缺点, 不易大规模实现。此外, 大型工业现场设备繁多、人工操作量大, 在恶劣环境中, 部分机器要求工作人员留守监控, 既耗费人力物力, 又对工作人员的人身安全造成威胁。无线传感器网络因其无需布线, 成本较低, 易于维护, 具有快速展开、抗毁性强等特点而得到越来越广泛的应用, 且它可以弥补当前测控系统存在的缺陷。因此, 本文在此基础上提出一种基于无线传感器网络的无线测控系统, 并介绍了其硬件和软件设计的实现。
1. 无线测控系统的体系结构
组建一个无线测控网络, 首先要考虑网络的构成方式。无线局域网的拓扑结构主要有无中心拓扑和有中心拓扑两类。本文采用有中心拓扑的网络结构, 网络示意图如图1所示, 该网络由上位机, 主节点及多个从节点构成。上位机是整个系统的大脑, 由工作人员进行控制。主节点通过以太网同上位机进行通信, 通过无线网络同从节点进行通信。主节点不能同时同多个从节点通信。
传感器按一定时间间隔从电路中收集电压, 电流, 温度等信息, 传送给上位机。工作人员在对收到的信息分析后进行决策, 并对机器实施远程控制。
2. 硬件设计
2.1 主节点的设计
主节点是整个网络的枢纽, 控制网络的调度, 既要向传感器节点发送上位机的命令, 又要向上位机传送传感器节点回馈的信息。主节点由微控制器及射频模块构成。主节点通过以太网同上位机相连, 进行通信。
微控制器采用EasyARM2131。EasyARM2131开发板是广州周立功公司设计的EasyARM系列开发套件之一, 采用了PHILIPS公司基于ARM7TDMI-S核, 单电源供电, LQFP64封装。
无线收发模块在本系统中起到连接各个节点的功能, 因此其传输效率和可靠性是关键因素。本设计选用PTR8000作为无线收发模块。PTR8000采用nRF905单片无线收发一体芯片, 工作在433/868/915 MHZ的ISM频段, 具有多频道多频段, 工作电压低, 待机功耗小, 无线通信距离远等特点, 内置完整的通信协议和CRC只需通过SPI即可完成所有的无线收发传输。
微控制器与无线收发模块采用SPI的方式进行连接, 硬件连接如图2所示。其中LPC2131的引脚均选择跳线中间的插针。
2.2 从节点的设计
从节点是系统的终端部分, 同时也是本系统的关键部分, 对机器工作状态的检测和控制主要在该部分实现。从节点由电磁继电器、单片机、无线收发模块及传感器模块组成。主要硬件实现如下:
电磁继电器:JQX-14FF1是江西佳捷电子有限公司生产的小型电磁继电器, 具有体积小, 适应高温和化学腐蚀等特点, 能在恶劣的环境中正常工作, 适合野外作业;
无线收发模块:Nordic公司生产的PTR8000;
单片机:AT89C51。
AT89S51与无线模块PTR8000采用I/O口连接方式, 其硬件连接如图3所示。
单片机和电磁继电器是从节点的核心部分, 单片机是从节点的大脑, 电磁继电器是从节点的手臂, 受大脑控制, 其硬件连接图如图4所示。
在图4中, 三极管基极串联一个10K电阻, 与单片机的P36口相连, 集电极接地。继电器线圈的一端接到三极管的发射极, 线圈的另一端接+5V电源VCC。继电器线圈两端并接一个二极管, 用于吸收释放继电器线圈断电时产生的反向电动势, 防止反向电势击穿三极管及干扰其他电路。在继电器线圈两端再并联一个状态指示电路, 由发光二极管串联一个1K电阻组成, 当继电器闭合时, LED灯亮, 继电器断开时, LED灯灭, 借以表示继电器工作状态。其中接口1为继电器的动接点, 接口2为继电器的常闭接点, 接点3为继电器的常开接点。
子节点的工作原理如下, 当AT89C51单片机收到上位机发来的命令, 要求开启工作设备时, P3.6口输出低电平, 三极管饱和导通, +5V电源VCC加载到继电器线圈两端, 继电器的常开触点闭合, 发光二极管灯亮, 被控制电路导通。当AT89C51单片机收到断开命令时, P3.6口输出高电平, 三极管截止, 继电器衔铁释放, 发光二极管熄灭, 被控制电路断开。因此, 可以将被驱动电路接在接口1、3上, 从而达到对其他电器的控制。需要注意的是, 由于电磁继电器干扰过大, 影响单片机正常工作, 因此单片机与电磁继电器应保持一定距离。
3、软件设计
系统软件分四大模块:用户管理模块、数据采集模块、远程控制模块和数据管理模块。系统结构图如图5所示。
(1) 用户管理模块
管理员登陆系统时需要输入用户名和密码。输入正确即可进入系统, 错误则提示重新输入。成功登陆系统后可修改管理员信息, 包括添加和删除管理员。管理员可设置报警界限, 当计算机接收到的数据超过该类数据的报警界限时, 计算机发出报警音, 并将该数据以红色字体显示, 提示管理员进行检查。
(2) 数据采集模块
数据采集模块用以将传感器采集到的信息显示在计算机上, 包括工作电压, 工作电流以及温度。由于传感器在采集数据时存在不可避免的误差, 在测控点可布置多个传感器轮流工作, 将采集到的数据进行对比, 选取最合理的数据, 将误差限制在合理的范围内, 避免由于传感器故障而引起的误测。
(3) 远程控制模块
远程控制模块的功能是对终端设备进行人工控制。包括开启, 关闭和定时开启或关闭。
(4) 数据管理模块
数据管理模块的功能是保存计算机收集到的数据和浏览数据。管理员可查阅每一天的数据, 并将其进行对比。
4. 结束语
传统的测控网络主要侧重于对数据的采集和传递, 本文提出了一种以监测与控制并行的新网络, 用以对恶劣环境中或数目庞大, 人工操作复杂的设备进行远程监控。系统的可行性是网络设计的首要条件, 在系统软件管理方面力求简洁明了, 没有过多的添加分支功能。系统中仍有许多需要改进的地方, 如何加强网络的健壮性和高效性是后期的主要工作。
参考文献
[1].张保华, 李士宁等.基于无线传感器网络的温室测控系统研究设计[J].微电子学与计算机, 2005, 22 (12) :171-172.
[2].孙利民, 李建中, 陈渝等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社, 2005:4-5.
[3].王田苗.嵌入式系统设计与实例开发[M].北京:清华大学出版社, 2002.
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[5].宋宇澄.通用监控调度系统[J].电子科技杂志, 1994 (3) :28-32.
无线传感器网络综述 篇6
随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现,由这些微型无线传感器构成的无线传感器网络引起了人们的极大关注。这种无线传感器网络综合了传感器技术[1]、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得详尽而准确的信息,传送到需要这些信息的用户。例如,传感器网络可以向正在准备进行登陆作战的部队指挥官报告敌方岸滩的详实特征信息,如丛林地带的地面坚硬度、干湿度等,为制定作战方案提供可靠的信息。传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息。因此,这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。传感器网络是信息感知和采集的一场革命。
无线传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期,从2000年起,国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道,但是,这些研究成果处于起步阶段,距离实际需求还相差甚远。我国在传感器网络方面的研究工作还很少,目前,哈尔滨工业大学、清华大学等已经开始了该领域的研究工作,无线传感器网络的研究任重而道远。
1 无线传感器网络的基本概念及特点
1.1 基本概念
图一所示为一个典型的无线传感器网络的系统结构[3],包括分布式传感器节点[4](群)、接收发送器、互联网和用户界面等。其中,传感器网络节点[5]的基本组成包括如下4个基本单元:传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(包括CPU、存储器、嵌人式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)以及电源。
传感器网络节点为一个微型化的嵌人式系统构成了无线传感器网络的基础层支持平台。目前国内外已经出现了许多种网络节点的设计,它们在实现原理上是相似的,只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信或协议方式。
1.2 无线传感器网络的特点
(1)硬件资源有限[3]。节点由于受价格、体积和功耗的限制,其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。
(2)电源容量有限。网络节点由电池供电,电池的容量一般不是很大。
(3)无中心。无线传感器网络中没有严格的控制中心,所有节点地位平等,是一个对等式网络。
(4)自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施。
(5)多跳路由。网络中节点通信距离有限,一般在几十到几百米范围内,节点只能与它的邻居直接通信。
(6)动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络,节点可以随处移动。
(7)节点数量众多,分布密集。为了对一个区域执行监测任务,往往有成千上万传感器节点。
2 无线传感器的研究现状
2.1 军事领域的研究进展情况
美国陆军2001年提出了“灵巧传感器网络通信”计划[7],被批准为2001财政年度的一项科学技术研究计划,并在2001~2005财政年度期间实施。
美国陆军近期又确立了“无人值守地面传感器群”项目,其主要目标是使基层部队指挥员具有在他们所希望部署传感器的任何地方灵活地部署传感器的能力。
美国海军最近开展的网状传感器系统CEC(cooperative engagement capability)是一项革命性的技术,CEC是一个无线网络,其感知数据是原始的雷达数据。
2.2 民用领域的研究进展情况
1995年,美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”,预计到2025年全面投入使用。该计划试图把先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、控制技术及计算机处理技术有效地集成运用于整个地面交通管理,建立一个在大范围内、全方位发挥作用的,实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。
2002年10月24日,美国英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。今后,英特尔将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。实现该计划需要3个阶段,即物理阶段、实现阶段和应用阶段。
2.3 学术界的研究进展
学术界的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上,也开展了一些感知数据查询处理技术的研究,取得了一些初步研究结果。目前的研究工作还处于起步阶段,大量的问题还没有涉及到,未来的研究工作任重而道远。下面,我们介绍一下目前的主要研究进展.
2.3.1 传感器网络技术的研究
加州大学伯克利分校提出了应用网络连通性重构传感器位置的方法、传感器网络上的数据分布式存储的地理Hash表方法、确定传感器网络中节点位置的分布式算法等。
加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器网络和一个无线传感器网络模拟环境,用于考察传感器网络各方面的问题。
斯坦福大学提出了在传感器网络中事件跟踪和传感器资源管理的对偶空间方法以及由无线网连接的传感器和控制器构成的闭环控制系统的框架。
2.3.2 传感器网络通信协议的研究
人们首先对已有的因特网和Ad Hoc无线网络的通信协议进行了研究,发现这些协议不适用于传感器网络。其原因如下:(1)传感器网络中的传感器节点数量远大于Ad Hoc网络中的节点数;(2)感知节点出现故障的频率要大于Ad Hoc网络;(3)感知节点要比因特网和Ad Hoc网络中的节点简单。
2.3.3 感知数据查询处理技术的研究
康奈尔大学在感知数据查询处理技术方面开展的研究工作较多。他们研制了一个测试感知数据查询技术性能的COUGAR系统,提出了在传感器网络上计算聚集函数的容错和可扩展算法。
哈尔滨工业大学和黑龙江大学在传感器数据管理系统方面开展了研究工作,提出了以数据为中心的传感器网络的数据模型、一系列的能源有效的感知数据操作算法和感知数据查询处理技术,并研制了一个传感器网络数据管理系统。
3 目前研究热点
在通信协议方面,包括物理层协议[8](研究传感器网络采用的传输媒体、频段选择及调制方式);数据链路层协议;网络层协议(主要指路由协议;平面路由协议等)。在传感器网络管理方面,主要的研究热点是能量管理,数据传送所带来的能耗最大,研究休眠、唤醒,以及采用发送功率低的RF等。控制节点对能量的使用,在各层上都可使用,如操作系统、物理层、链路层、路由协议等内容。另外,还有安全管理的内容,包括传统的无线电电磁干扰方式和对路由机制进行攻击;侵入节点发送误警数据,侵入节点致使网络的某些节点和某些网段互发大量的无用数据,使能量很快耗尽;传感器网络分立,形成监测黑洞,无法完成正常监测工作。在研究中,可以探索采用扩频通信、传感器节点接入认证、鉴权、数据水印和数据加密等技术提高网络的安全性。
4 存在的问题
就目前的技术程度来说,让无线传感器网正常运行并大批投入应用还面临着许多问题:
(1)网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信接洽中,信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响,怎样安全有效地进行通信是个有待研究的问题。
(2)成本问题。在一个无线传感器网络里面,需要应用数量宏大的微型传感器,这样的话成本会制约其发展。
(3)系统能量供给问题。目前重要的解决方案有:应用高能电池;降低传感功率;此外还有传感器网络的自我能量收集技巧和电池无线充电技巧。其中后两者备受关注。
(4)高效的无线传感器网络结构。无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技巧,有多种形态和方法,合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。在这里面,还包含网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。
总之,无线传感器网络利用远景非常诱人。无线传感器网络(WSN)被认为是影响人类未来生活的重要技巧之一,这一新兴技巧为人们供给了一种全新的获取信息、处理信息的道路。由于WSN本身的特点,使得它与现有的传统网络技巧之间存在较大的差别,给人们提出了很多新的要求。由于WSN对国家和社会意义重大,国内外对于WSN的研究正热烈开展,盼望能够引起测控领域对这一新兴技术的器重,推动对这一具有国家战略意义的新技术的研究、利用和发展。
参考文献
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[5]刘华峰,金士尧.三维无线传感器网络综述[J].计算机应用,2007,12(27):1-5.
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[7]周雅琴,谭定忠.无线传感器网络应用及研究现状[J].传感器世界,2009(05):35-40.
传感器无线互联 篇7
笔者发现现有专利申请是基于传统类型的协议进行的多个分支的改进, 经过专利统计归纳, 无线传感器网络中基于节点资源的通信路由研究主要分为以下四个技术分支, 均衡网络能耗的路由、分簇及簇首选择的路由、降低时延的路由、安全可信的路由。
1.1.均衡网络能耗的路由分支
由于我国关于无线传感器网络的研究起步在2009年左右, 所以无线传感网路由方面的研究也是如此, 利尔达科技有限公司在2010年提出了一种基于连接的无线传感器网络扩散路由算法, 申请号为CN201010204302。
随后高等院校也开始这方面的申请, 比如有东南大学申请号为CN201210052390、南京大学申请号为CN201210398925的专利申请, 并且南京大学的该申请是在分簇网络的基础之上考虑了能量均衡, 有效地延长了网络生存时间。
在大量的高等院校和公司的申请同时, 也有踊跃的个人申请, 比如贺静个人在2012年提出了一种面向无线传感网的能量高效洪泛方法, 申请号为CN201210510337, 具体涉及一种在无线传感器网络中利用局部范围节点能量次序信息, 实现广播树构造方法, 使得均衡使用节点能量。
1.2分簇及簇首选择的路由分支
对于该分支, 本领域技术人员关注如何在无线传感器网络中更合理的分簇以及利用选择的簇首进行高效的路由。在2012年, 中国联合网络通信集团有限公司就如何利用簇首节点进行路由的建立, 提出专利申请号为CN201210116856的申请。
随后, 国内的科研院校陆续申请了关于更多兼顾网络多种性能的簇首选择路由算法, 比如, 中国科学院信息工程研究所, 考虑了在进行高效路由时如何更好的选择簇首节点并兼顾均衡网络能耗, 提出了申请号为CN201210333412的申请。
对于后续的申请量, 公司申请也在陆续增加, 比如中国联合网络通信集团有限公司又继续针对兼顾网络节点的状态进行基于簇首的路由算法进行了研究并申请了专利, 申请号为CN201310633716。
在2012年至2014年, 出现了大量的分簇及簇首选择的路由分支的专利申请, 国内主要申请人为高等院校与少数公司, 比如北京邮电大学、南京邮电大学、上海交通大学以及华为技术有限公司、中国联合网络通信集团有限公司, 国外主要申请人为富士通株式会社、北电网络有限公司、英特尔公司。
1.3降低时延的路由分支
无线传感器网络的某些应用通常对网络的实时性都有较高的要求, 因此, 在降低时延的路由分支在2010年以来陆续出现了许多专利申请, 但是较于分簇及簇首选择的路由分支, 该分支的申请量还是处于弱势。
并且该分支的专利申请量较为集中在高等院校, 比如宁波城市职业技术学院提出了申请号为CN 201010543262, 发明名称为“一种用于无线传感器网络的实时通信路由方法”的专利申请, 并已经授权。
分析该分支专利申请量较少的原因为, 在其他分支的专利申请多少都涵盖了时延的考虑, 因此, 通过去重之后的统计分析该技术分支的申请量表现较少, 实际上, 涉及到时延的路由专利申请量比较多, 几乎占据整个无线传感器网络路由的一半以上。
1.4安全可信的路由分支
无线传感器网络建立安全可信的路由是本领域技术人员关注的重要分支, 从2011年开始, 逐渐有比较成熟的专利申请, 并且大多数申请人涉及高等院校, 比如在2012年, 申请人重庆邮电大学, 提出了基于动态探测的无线传感器网络安全路由的方法, 该发明采用逐点验证的方式, 显著提高路由安全性, 同时显著减少能耗。
2013年山东大学提出一种基于拓扑结构的无线传感网络的新型信任管理系统的信任路由算法, 申请号为CN201310148141, 它考虑节点安全性对路由选择的影响, 依据节点的可信度是否满足约束条件来形成有效路径, 更好地保证无线数据通信的安全。
在2013年至2014年涌现了大量的院校申请人, 比如中国人民解放军理工大学、西北工业大学等对该分支的路由申请了相关专利。
二、无线传感器网络中基于无线节点资源的通信路由研究的技术分支发展态势
国内无线传感器网络中基于无线节点资源的通信路由研究中上述4种技术分支的专利申请趋势如图1所示。
从图1可以看到, 对于均衡网络能耗的路由分支在2008年开始至2014年, 连续有较多的申请量, 数量最多的集中在2010年至2014年, 可见在随着无线传感器网络研究的起步, 该技术分支不断得到技术人员的研究与申请。
分簇及簇首选择的路由分支在整个无线传感器网络路由专利申请量中占有重要的比例, 表明适合于无线传感器网络的分簇结构, 是该技术领域较为常用的网络结构, 因此基于该网络结构的路由研发分支一直是本领域申请人较为关注和投入精力较多的技术分支。
降低时延的路由分支在2005年至2014年, 每年都持续有申请量, 表明该技术分支一直是本领域技术人员关注的领域, 尽管每年的申请量不多, 但是集中在2011年至2013年, 申请人加大了该分支的研究与申请, 表明该技术分支渐渐成为申请人的重点关注。
安全可信的路由分支在整体的申请量上还不是很多, 技术还不够成熟, 但是申请量渐渐集中在2012至2013年, 引起了申请人的注意, 可能成为今后几年的申请重点分支, 可以作为后续专利申请分析的关注方向。
参考文献
无线振动传感器节点设计 篇8
关键词：无线传感器网络,无线节点,振动检测
0 引言
无线传感器网络是由具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能的无线传感器节点组成的网络。传感器节点是无线传感器网络中部署到监控区域内, 负责收集和转发信息、协作完成特定任务的主体, 作为一种微型化的嵌入式系统, 构成了无线传感器网络的基础支撑平台[1]。因此它对所使用的传感器节点有一些严格的限制条件。一般而言, 由于节点由电池供电, 能源受限, 所以优先使用低功耗微型器件, 只是在其功能不能满足要求的条件下才考虑传统的器件。
1 节点设计
本文预期设计一种新型振动传感器节点, 当节点部署后, 自组织网络建立无线路由, 能够实现振动信号的实时感知、数据采集、无线传输等功能。硬件选择以小体积、低功耗、高精度的微型器件为主, 满足无线传感器网络对节点硬件的要求。
1.1 节点硬件组成
本文自选ADXL330型三轴加速度传感器;数据采集设备和无线节点直接选用美国Crossbow公司的产品:MDA300CA型数据采集板, IRIS无线节点。以上设备通过接口电路连接, 组成具有信号感知、采集、无线发送功能的完整节点。
1.1.1 ADXL330加速度传感器
ADXL330是美国模拟器件公司 (ADI) 推出的MEMS三轴加速度传感器。该器件具有尺寸小、功耗低的特点, 自带信号调理电路, 在单片集成电路上实现三维模拟信号输出, 输出的模拟电压信号与加速度成正比。[2]
1.1.2 MDA300CA数据采集板
MDA300CA是在加州大学洛杉矶分校 (UCLA) 嵌入式网络传感器中心 (CENS) 开发的多功能数据采集板。由于具有微型螺钉连接方式使其更适合于自定义传感器类应用。MDA300CA提供了一个高精度的模拟信号获取手段, 可以与Crossbow所有无线模块通过51针接口相连。
1.1.3 IRIS无线节点
IRIS是美国Crossbow科技公司推出了一款超低功耗、更远距离传输的无线传感器网络Mote模块。IRIS用于低功耗无线传感器网络, 工作在2.4 GHz, 支持IEEE802.15.4协议。IRIS增加的几点新特性从整体上提高了Crossbow无线传感器网络产品的性能:
1) 超低功耗, 休眠电流减半, 更长电池寿命;
2) 相对MICA系列产品, 三倍作用距离, 双倍存储空间;
3) 基于IEEE802.15.4/ZigBee协议RF发送器, 工作在2.4-2.4835GHz, 全球兼容的ISM波段;
4) 即插即用, 可连接Crossbow所有传感器板、数据采集板、网关和软件。
1.2 硬件连接
本文节点组成:与外围电路集成的ADXL330传感器, MDA300CA数据采集板, IRIS无线节点。MDA300CA带有螺钉式数据接口, 与传感器PCB各引脚连接, 为其提供电源并接收模拟输出信号, 再通过51针接口与IRIS无线节点连接。
1.2.1 ADXL330-PCB与MDA300CA的连接
将ADXL330外围电路集成在PCB上, 共有5个引脚, 两个固定孔。其中, T1=Vcc (+2.0V~+3.6V) , T2=GND, T3=XOUT, T4=YOUT, T5=ZOUT, T6、T7为电路板固定孔。C1、C2为电源去耦电容。C3、C4、C5实现低通滤波功能。本文设计节点主要测量中低频信号, 选取C3=C4=C5=0.01μF限制带宽, 3d B带宽计算公式:
1.2.2 MDA300CA与IRIS的连接
MDA300CA数据采集板与IRIS无线节点, 都是美国Crossbow科技有限公司开发的基于WSN的硬件平台。两者直接通过51针接口相连, 能够互相兼容。节点工作时, 需要加载MDA300CA数据采集板的驱动才能实现功能。在安装Crossbow配套开发软件MoteWork后, MDA300CA的驱动在该安装目录下:CrossbowcygwinoptMoteWorkappsxmeshXMDA300。
2 节点数据采集
节点工作过程中, 传感器感知振动并输出模拟信号, 数据采集板MDA300CA将该信号进行模数转换, 由节点无线发送模块将数据包送入无线网络, 最终上传至用户端计算机并显示。
3 结论
本文提出了一种无线振动传感器节点的设计思路。通过设计外接接口电路, 将低功耗传感器与数据采集和无线发送模块集成, 构成具有振动信号感知、采集和无线发送功能的新型传感器节点, 经实验验证, 该节点功能实现良好。
参考文献
[1]王丽琴.无线传感器网络密钥管理方案研究.硕士学位论文.陕西:武警工程学院, 2010.
[2]孟维国.三轴加速度计ADXL330的特点及其应用[J].国外电子元器件, 2007, 2:47-50.
无线传感器网络的应用 篇9
关键词：无线传感器网络,智能家居
1 无线传感器网络研究背景以及发展现状
随着半导体技术、通信技术、计算机技术的快速发展, 90年代末, 美国首先出现无线传感器网络 (WSN) 。1996年, 美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年, UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里, WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注, 成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一, 麻省理工学院 (MIT) 技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。WSN是由布置在监测区域内传感器节点以无线通信方式形成一个多跳的无线自组网 (Ad hoc) , 其目的是协作地感知, 采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息, 并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者是WSN的三要素。将Ad hoc技术与传感器技术相结合, 人们可以通过WSN感知客观世界, 扩展现有网络功能和人类认识世界的能力。WSN技术现已经被广泛应用。图1为WSN基本结构。
WSN经历了从智能传感器、无线智能传感器到无线传感器的三个发展阶段。智能传感器将计算能力嵌入传感器中, 使传感器节点具有数据采集和信息处理能力。而无线智能传感器又增加了无线通信能力, WSN将交换网络技术引入到智能传感器中使其具备交换信息和协调控制功能。
无线传感网络结构由传感器节点、汇聚节点、现场数据收集处理决策部分及分散用户接收装置组成。节点间能够通过自组织方式构成网络。传感器节点获得的数据沿着相邻节点逐跳进行传输, 在传输过程中所得的数据可被多个节点处理, 经多跳路由到协调节点, 最后通过互联网或无线传输方式到达管理节点, 用户可以对传感器网络进行决策管理、发出命令以及获得信息。无线传感器网络在农业中的运用是推进农业生产走向智能化、自动化的最可行的方法之一。近年来国际上十分关注WSN在军事、环境、农业生产等领域的发展, 美国和欧洲相继启动了WSN研究计划。我国于1999年正式启动研究。国家自然科学基金委员会在2005年将网络传感器中基础理论和关键技术列入计划, 在一篇我国未来20年预见技术调查报告中, 信息领域157项技术课题中7项与传感器网络有直接关系, 2006年初发布的《国家长期科学与技术发展规划纲要》明确地提出了信息技术的三个前沿方向, 其中有两项与无线传感器网络直接相关。我国2010年远景规划和“十五”计划中, 将WSN列为重点发展产业之一。
2 无线传感器网络的智能家居网络
在智能家居无线网络中最基本的单元是无线传感器节点, 它的功能是负责传感和对信息预处理, 响应监控主机的指令发送数据。每一个传感器节点主要由4个系统组成:由微处理器或微控制器构成的计算子系统;用于无线通信的短距离无线收发电路, 即通信子系统;将节点与物理世界联系起来, 由一组传感器和激励装置构成的传感子系统;能量供应子系统, 包括电池和AC-DC转换器。节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或类头节点的角色。除此之外根据具体应用的需要, 可能还会有定位系统、电源再生单元和移动单元等。其硬件结构如图2所示。
由于家居环境的特点, 智能家居网络的无线传感器节点必须具有低功耗的特点, 为了解决这个问题, 在无线传感器节点的无线收发电路部分采用了基于IEEE802.15.4技术的无线收发芯片。IEEE 802.15.4技术是专为低功耗的无线互联应用而设计的。而基于这种技术的无线芯片能够很好地解决低能耗问题。无线传感器网络的数据传输易出错, 由于家居内的干扰源较多, 搜寻的是可达设备后, 相应的1evel值在原来的基础之上加1, 作为当前的1evel值并保存。它所表达的实际物理意义是数据在传输过程中将会使设备多进行一次数据的转发。数据在网络中传送时, 通过路由算法, 保证数据经过最佳路径, 让数据安全、快速地从发送设备到达目的设备。
3 目前几种近距离居家无线技术分析
3.1 Wi-Fi技术
Wi-Fi (Wireless Fidelity, 无线高保真) 是一种无线通信协议, 正式名称是IEEE802.1lb, 与Bluetooth一样, 同属于短距离无线通信技术。Wi-Fi速率最高可达11Mb/s, 虽然在数据安全性方面比Bluetooth技术要差一些, 但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹, 可达100m左右。
Wi-Fi是以太网的一种无线扩展, 理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内, 就能以最高约11Mb/s的速度接入Web。但实际上, 如果有多个用户同时通过一个点接入, 带宽被多个用户分享, Wi-Fi的连接速度一般将只有几百kb/s。信号不受墙壁阻隔, 但在建筑物内的有效传输距离小于户外。
3.2 Bluetooth技术
Bluetooth技术是近几年出现的, 广受业界关注的近距无线连接技术。它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范, 它以低成本的短距离无线连接为基础, 可为固定的或移动的终端设备提供廉价的接入服务。
Bluetooth技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范, 其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口, 将通信技术与计算机技术进一步结合起来, 使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下, 能在近距离范围内实现相互通信或操作。其传输频段为全球公众通用的2.4GH:ISM频段, 提供1Mb Ps的传输速率和10m的传输距离。
3.3 Ir DA技术
Ir DA是一种利用红外线进行点对点通信的技术, 是第一种实现无线个人局域网 (PAN) 的技术。目前它的软硬件技术都很成熟, 在小型移动设备, 如PDA、手机上广泛使用。
Ir DA的主要优点是无需申请频率的使用权, 因而红外通信成本低廉。并且还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外, 红外线发射角度较小, 传输上安全性高。
Ir DA的不足在于它是一种视距传输, 两个相互通信的设备之间必须对准, 中间不能被其他物体阻隔, 因而该技术只能用于2台 (非多台) 设备之间的连接。而Bluetooth就没有此限制, 且不受墙壁的阻隔。Ir DA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。
3.4 NFC技术
NFC是由Philips、NOKIA和Sony主推的一种类似于RFID (非接触式射频识别) 的短距离无线通信技术标准。和RFID不同, NFC采用了双向的识别和连接, 在20cm距离内工作于13.56MHz频率范围。
NFC最初仅仅是遥控识别和网络技术的合并, 但现在已发展成无线连接技术。它能快速自动地建立无线网络, 为蜂窝设备、Bluetooth设备、Wi-Fi设备提供一个/虚拟连接, 使电子设备可以在短距离范围进行通讯。NFC的短距离交互大大简化了整个认证识别过程, 使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清楚, 不用再听到各种电子杂音。
NFC通过在单一设备上组合所有的身份识别应用和服务, 帮助解决记忆多个密码的麻烦, 同时也保证了数据的安全保护。有了NFC, 多个设备如数码相机、PDA、机顶盒、电脑、手机等之间的无线互连, 彼此交换数据或服务都将有可能实现。NFC被置入接入点之后, 只要将其中两个靠近就可以实现交流, 比配置Wi-Fi连结容易得多。
4 需要解决的问题
就目前的技术水平来说, 让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题。
(1) 网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中, 信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响, 怎么安全有效地进行通信是个有待研究的问题。
(2) 成本问题。在一个无线传感器网络里面, 需要使用数量庞大的微型传感器, 这样的话成本会制约其发展。
(3) 系统能量供应问题。目前主要的解决方案有:使用高能电池;降低传感功率;此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。其中后两者备受关注。
(4) 高效的无线传感器网络结构。无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术, 有多种形态和方式, 合理的无线传感器网络可以最大限度地利用资源。在这里面, 还包括网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。
总之。无线传感器网络应用前景非常诱人。无线传感器网络 (WSN) 被认为是影响人类未来生活的重要技术之一, 这一新兴技术为人们提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径。由于WSN本身的特点, 使得它与现有的传统网络技术之间存在较大的区别, 给人们提出了很多新的挑战。由于WSN对国家和社会意义重大, 国内外对于WSN的研究正热烈开展, 希望通过本文能够引起测控领域对这一新兴技术的重视, 推动对这一具有国家战略意义的新技术的研究、应用和发展。
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