無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由散布在工作區域中大量的體積小、成本低、具有無(wú)線(xiàn)通信、傳感和數據處理能力的傳感器節點(diǎn)組成的。每個(gè)節點(diǎn)可能具有不同的感知形態(tài)，例如聲納、震動(dòng)波、紅外線(xiàn)等，節點(diǎn)卻可以完成對目標信息的采集、傳輸、決策制定與實(shí)施，實(shí)現區域監控、目標跟蹤、定位和預測等任務(wù)。每一個(gè)節點(diǎn)都具有存儲、處理、傳輸數據的能力。通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，傳感器節點(diǎn)之間可以相互交換信息，也可以把信息傳送到遠程端。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的通訊體系結構

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現需要自組織網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，相對于一般意義上的自組織網(wǎng)絡(luò )，該網(wǎng)絡(luò )有以下一些特點(diǎn)，需要在體系結構的設計中特殊考慮。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)數目眾多，這就對傳感器網(wǎng)絡(luò )的可擴展性提出了要求，由于傳感器節點(diǎn)的數目多、開(kāi)銷(xiāo)大，傳感器網(wǎng)絡(luò )通常不具備全球唯一的地址標識，這使得傳感器網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )層和傳輸層相對于一般網(wǎng)絡(luò )而言有很大的簡(jiǎn)化。

自組織傳感器網(wǎng)絡(luò )最大的特點(diǎn)就是能量受限，傳感器節點(diǎn)受環(huán)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(wǎng)絡(luò )體系結構以及各層協(xié)議設計時(shí)，節能是設計的主要考慮目標之一。

由于傳感器網(wǎng)絡(luò )應用的環(huán)境的特殊性，無(wú)線(xiàn)信號不穩定以及能源受限的特點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)受損的概率遠大于傳統網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，因此自組織網(wǎng)絡(luò )的健壯性保障是必須的，以保證部分傳感器網(wǎng)絡(luò )的損壞不會(huì )影響全局任務(wù)的進(jìn)行。

傳感器節點(diǎn)高密度部署，網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )需要根據用戶(hù)對網(wǎng)絡(luò )的需求設計適應自身特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )體系結構，為網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和算法的標準化提供統一的技術(shù)規范，使其能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。無(wú)線(xiàn)傳感執行網(wǎng)絡(luò )通信體系結構如圖1所示，即橫向的通信協(xié)議層和縱向的傳感器網(wǎng)絡(luò )管理面。通信協(xié)議層可以劃分為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層、應用層。而網(wǎng)絡(luò )管理面則可以劃分為能耗管理面、移動(dòng)性管理面以及任務(wù)管理面，管理面的存在主要是用于協(xié)調不同層次的功能以求在能耗管理、移動(dòng)性管理和任務(wù)管理方面獲得綜合考慮的最優(yōu)設計。


基于CC2510的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由大量傳感器節點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)自組織構成的網(wǎng)絡(luò )。從小體積、低功耗和高可靠性節點(diǎn)設計和自組織協(xié)議的角度，基于CC2510的節點(diǎn)結構能方便地實(shí)現節點(diǎn)自組織和數據多點(diǎn)跳傳的無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議。

Chipcon公司的CC2510芯片是一塊內嵌8051單片機的單片可編程UHF收發(fā)器芯片。該芯片除了以8051技術(shù)為核心外，還內嵌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(gè)16位定時(shí)器和3個(gè)8位定時(shí)器、2個(gè)UART/SPI、RTC、看門(mén)狗電路、DES編碼和21個(gè)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(diǎn)。

以往的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計是將數據處理控制模塊和通信模塊分開(kāi)，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只需要1塊6mmx6mm芯片就可以完成，減少了整個(gè)系統體積，降低了成本。而且無(wú)線(xiàn)收發(fā)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擬電路的干擾，提高了可靠性。圖2為應用CC2510芯片的節點(diǎn)設計框架。


該無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)基站和若干個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)構成，文中以6個(gè)傳感器節點(diǎn)為例。傳感器節點(diǎn)負責中轉其他節點(diǎn)數據包和采集、處理、壓縮數據，并將數據包發(fā)送出去?；竟濣c(diǎn)負責發(fā)出控制命令和接收各個(gè)傳感器節點(diǎn)發(fā)回的數據，并通過(guò)RS232接口把數據發(fā)送給PC機。PC機對各個(gè)數據進(jìn)行綜合分析處理。網(wǎng)絡(luò )組成如圖3所示。


工廠(chǎng)“可穿戴設備”的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)

工廠(chǎng)的“可穿戴”設備通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)可以隨時(shí)聯(lián)網(wǎng)測量、隨時(shí)移動(dòng)、數據可存儲、可分析、可聯(lián)網(wǎng)查看數據等。以某公司基于CC2510的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )為例，它可以測量環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、設備表面溫度、冷庫內部溫度等多種物理量，并通過(guò)900M無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將測量數據發(fā)送給接收端。該無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )安裝時(shí)不需要技術(shù)員，自己就能完成安裝；在非特殊場(chǎng)合時(shí)，不需要設置參數，系統自動(dòng)對接數據；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)互聯(lián)，不需要邊安裝邊調試，極大的縮短了安裝工期。


圖4所示的無(wú)線(xiàn)接收端分為可記錄接收端和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)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(dòng)收數。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接收端可以將收到的數據通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)3G等多種連接方式，實(shí)時(shí)的將數據傳遞到公網(wǎng)，并利用云數據平臺技術(shù)，可方便的實(shí)現數據的實(shí)時(shí)遠程訪(fǎng)問(wèn)。

整個(gè)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統可以接入多達200個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器，每個(gè)無(wú)線(xiàn)設備的無(wú)障礙傳輸半徑為500米，產(chǎn)品采用電池供電，2年左右需要更換一次電池。每一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器終端均可以顯示如圖5所示的中文界面。

在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，通過(guò)圖5所示的界面可以得到中繼器接收到的數據條數，通過(guò)這個(gè)界面也可以直觀(guān)看到網(wǎng)絡(luò )通訊的穩定性，如果有一個(gè)溫度采集端的接收數據明顯少于其它的采集端，則說(shuō)明該采集端的通訊不穩定，需要進(jìn)行位置或者方向上的調整。如果用戶(hù)對與功耗要求比較高，通過(guò)觀(guān)察計數發(fā)現數據的通訊一直很穩定，那么將采集端的發(fā)射功率降低一級，再觀(guān)察計數，如果通訊依然穩定則可以試著(zhù)進(jìn)一步降低采集端的發(fā)射功率，以此達到降低電流消耗，從而延長(cháng)采集端的工作時(shí)間。

結語(yǔ)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是新興的通信應用網(wǎng)絡(luò )，其應用可以涉及到人類(lèi)生活和社會(huì )活動(dòng)的所有領(lǐng)域。因此，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將是未來(lái)的一個(gè)無(wú)孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò )，需要各種技術(shù)支撐。目前，成熟的通信技術(shù)都可能經(jīng)過(guò)適當的改進(jìn)和進(jìn)一步發(fā)展，應用到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，形成新的市場(chǎng)增長(cháng)點(diǎn)，創(chuàng )造無(wú)線(xiàn)通信的新天地。

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