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無線傳感器網絡的拓撲結構與應用 [2015/1/28]

無線傳感器網絡是由散布在工作區域中大量的體積小、成本低、具有無線通信、液位計傳感和數據處理能力的傳感器節點組成的。每個節點可能具有不同的感知形态,例如聲納、震動波、紅外線等,節點卻可以完成對目标信息的采集、傳輸、決策制定與實施,實現區域監控、目标跟蹤、定位和預測等任務。每一個節點都具有存儲、處理、傳輸數據的能力。通過無線網絡,傳感器節點之間可以相互交換信息,也可以把信息傳送到遠程端。
能量采集器件取代物聯網傳感器電池
無線傳感器網絡是由散布在工作區域中大量的體積小、成本低、具有無線通信、液位變送器傳感和數據處理能力的傳感器節點組成的。每個節點可能具有不同的感知形态,例如聲納、震動波、紅外線等,節點卻可以完成對目标信息的采集、傳輸、決策制定與實施,實現區域監控、目标跟蹤、定位和預測等任務。每一個節點都具有存儲、處理、傳輸數據的能力。通過無線網絡,傳感器節點之間可以相互交換信息,也可以把信息傳送到遠程端。
無線傳感器網絡的通訊體系結構
無線傳感器網絡的實現需要自組織網絡技術,相對于一般意義上的自組織網絡,該網絡有以下一些特點,需要在體系結構的設計中特殊考慮。無線傳感器網絡中的節點數目衆多,這就對傳感器網絡的可擴展性提出了要求,由于傳感器節點的數目多、開銷大,傳感器網絡通常不具備全球唯一的地址标識,這使得傳感器網絡的網絡層和傳輸層相對于一般網絡而言有很大的簡化。
自組織傳感器網絡最大的特點就是能量受限,傳感器節點受環境的限制,通常由電量有限且不可更換的電池供電,所以在考慮傳感器網絡體系結構以及各層協議設計時,節能是設計的主要考慮目标之一。
由于傳感器網絡應用的環境的特殊性,無線信号不穩定以及能源受限的特點,傳感器網絡節點受損的概率遠大于傳統網絡節點,因此自組織網絡的健壯性保障是必須的,以保證部分傳感器網絡的損壞不會影響全局任務的進行。
傳感器節點高密度部署,網絡拓撲結構變化快。對于拓撲結構的維護也提出了挑戰。
根據以上特性分析,傳感器網絡需要根據用戶對網絡的需求設計适應自身特點的網絡體系結構,為網絡協議和算法的标準化提供統一的技術規範,使其能夠滿足用戶的需求。無線傳感執行網絡通信體系結構如圖1所示,即橫向的通信協議層和縱向的傳感器網絡管理面。通信協議層可以劃分為物理層、鍊路層、網絡層、傳輸層、應用層。而網絡管理面則可以劃分為能耗管理面、移動性管理面以及任務管理面,管理面的存在主要是用于協調不同層次的功能以求在能耗管理、移動性管理和任務管理方面獲得綜合考慮的最優設計。
基于CC2510的無線傳感器網絡節點設計
無線傳感器網絡是由大量傳感器節點通過無線通信技術自組織構成的網絡。從小體積、低功耗和高可靠性節點設計和自組織協議的角度,基于CC2510的節點結構能方便地實現節點自組織和數據多點跳傳的無線通訊協議。
Chipcon公司的CC2510芯片是一塊内嵌8051單片機的單片可編程UHF收發器芯片。該芯片除了以8051技術為核心外,還内嵌32kB的Flash存儲器、4kB的SRAM,以及8通道8-14 b i t A/D轉換器、1個16位定時器和3個8位定時器、2個UART/SPI、RTC、看門狗電路、DES編碼和21個通用I/O。芯片的高度集成結構使其具有高速度、高靈敏度性、低功耗、低成本、集成單片機和位判決、同步、頻率靈活性等特點。
以往的無線傳感器網絡節點設計是将數據處理控制模塊和通信模塊分開,至少使用兩塊芯片。CC2510芯片使原有的數據處理控制和通信兩大模塊的設計隻需要1塊6mmx6mm芯片就可以完成,減少了整個系統體積,降低了成本。而且無線收發電路和8051單片機系統有機地整合在同一晶片上,最大限度地減少了單片機數字電路對高頻模拟電路的幹擾,提高了可靠性。圖2為應用CC2510芯片的節點設計框架。
該無線傳感器網絡由一個基站和若幹個無線傳感器節點構成, 文中以6個傳感器節點為例。傳感器節點負責中轉其他節點數據包和采集、處理、壓縮數據,并将數據包發送出去。基站節點負責發出控制命令和接收各個傳感器節點發回的數據, 并通過RS232接口把數據發送給PC機。PC機對各個數據進行綜合分析處理。網絡組成如圖3所示。
工廠“可穿戴設備”的無線傳感器網
工廠的“可穿戴”設備通過無線傳感器網可以随時聯網測量、随時移動、數據可存儲、可分析、可聯網查看數據等。以某公司基于CC2510的無線傳感器網絡為例,它可以測量環境溫度、環境濕度、設備(電容式液位計電容液位變送器)表面溫度、冷庫内部溫度等多種物理量,并通過900M無線網絡将測量數據發送給接收端。該無線傳感器網絡安裝時不需要技術員,自己就能完成安裝;在非特殊場合時,不需要設置參數,系統自動對接數據;無線網絡自動互聯,不需要邊安裝邊調試,極大的縮短了安裝工期。
無線接收端分為可記錄接收端和物聯網網關接收端兩種,其中可記錄接收端配有存儲卡和大屏顯示,使數據存儲和顯示一體化并可手持移動收數。同時,物聯網網關接收端可以将收到的數據通過互聯網、無線3G等多種連接方式,實時的将數據傳遞到公網,并利用雲數據平台技術,可方便的實現數據的實時遠程訪問。
整個線網絡系統可以接入多達200個無線傳感器,每個無線設備的無障礙傳輸半徑為500米,産品采用電池供電,2年左右需要更換一次電池。每一個無線傳感器終端均可以顯示如圖5所示的中文界面。
在無線傳感器網絡中,通過圖5所示的界面可以得到中繼器接收到的數據條數,通過這個界面也可以直觀看到網絡通訊的穩定性,如果有一個溫度采集端的接收數據明顯少于其它的采集端,則說明該采集端的通訊不穩定,需要進行位置或者方向上的調整。如果用戶對與功耗要求比較高,通過觀察計數發現數據的通訊一直很穩定,那麼将采集端的發射功率降低一級,再觀察計數,如果通訊依然穩定則可以試着進一步降低采集端的發射功率,以此達到降低電流消耗,從而延長采集端的工作時間。
無線傳感器網絡是新興的通信應用網絡,其應用可以涉及到人類生活和社會活動的所有領域。因此,無線傳感器網絡将是未來的一個無孔不入的十分龐大的網絡,需要各種技術支撐。目前,成熟的通信技術都可能經過适當的改進和進一步發展,應用到無線傳感器網絡中,形成新的市場增長點,創造無線通信的新天地。
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