无线传感器网络的拓扑结构及硬件系统的主要组成

发表于 2018-02-07 17:18:56 收藏 已收藏
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无线传感器网络的拓扑结构及硬件系统的主要组成

发表于 2018-02-07 17:18:56

传感器网络实现了数据的采集、处理和传输三种功能。它与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。

无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是由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,以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息,并最终把这些信息发送给网络的所有者。

无线传感器网络所具有的众多类型的传感器,可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。潜在的应用领域可以归纳为: 军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。

无线传感器网络的拓扑结构与应用简介

无线传感器网络是由散布在工作区域中大量的体积小、成本低、具有无线通信、传感和数据处理能力的传感器节点组成的。每个节点可能具有不同的感知形态,例如声纳、震动波、红外线等,节点却可以完成对目标信息的采集、传输、决策制定与实施,实现区域监控、目标跟踪、定位和预测等任务。每一个节点都具有存储、处理、传输数据的能力。通过无线网络,传感器节点之间可以相互交换信息,也可以把信息传送到远程端。

无线传感器网络的通讯体系结构

无线传感器网络的实现需要自组织网络技术,相对于一般意义上的自组织网络,该网络有以下一些特点,需要在体系结构的设计中特殊考虑。无线传感器网络中的节点数目众多,这就对传感器网络的可扩展性提出了要求,由于传感器节点的数目多、开销大,传感器网络通常不具备全球唯一的地址标识,这使得传感器网络的网络层和传输层相对于一般网络而言有很大的简化。

自组织传感器网络最大的特点就是能量受限,传感器节点受环境的限制,通常由电量有限且不可更换的电池供电,所以在考虑传感器网络体系结构以及各层协议设计时,节能是设计的主要考虑目标之一。

由于传感器网络应用的环境的特殊性,无线信号不稳定以及能源受限的特点,传感器网络节点受损的概率远大于传统网络节点,因此自组织网络的健壮性保障是必须的,以保证部分传感器网络的损坏不会影响全局任务的进行。

传感器节点高密度部署,网络拓扑结构变化快。对于拓扑结构的维护也提出了挑战。

根据以上特性分析,传感器网络需要根据用户对网络的需求设计适应自身特点的网络体系结构,为网络协议和算法的标准化提供统一的技术规范,使其能够满足用户的需求。无线传感执行网络通信体系结构如图1所示,即横向的通信协议层和纵向的传感器网络管理面。通信协议层可以划分为物理层、链路层、网络层、传输层、应用层。而网络管理面则可以划分为能耗管理面、移动性管理面以及任务管理面,管理面的存在主要是用于协调不同层次的功能以求在能耗管理、移动性管理和任务管理方面获得综合考虑的最优设计。

无线传感器网络的拓扑结构及硬件系统的主要组成

基于CC2510的无线传感器网络节点设计

无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信技术自组织构成的网络。从小体积、低功耗和高可靠性节点设计和自组织协议的角度,基于CC2510的节点结构能方便地实现节点自组织和数据多点跳传的无线通讯协议。

Chipcon公司的CC2510芯片是一块内嵌8051单片机的单片可编程UHF收发器芯片。该芯片除了以8051技术为核心外,还内嵌32kB的Flash存储器、4kB的SRAM,以及8通道8-14 b i t A/D转换器、1个16位定时器和3个8位定时器、2个UART/SPI、RTC、看门狗电路、DES编码和21个通用I/O。芯片的高度集成结构使其具有高速度、高灵敏度性、低功耗、低成本、集成单片机和位判决、同步、频率灵活性等特点。

以往的无线传感器网络节点设计是将数据处理控制模块和通信模块分开,至少使用两块芯片。CC2510芯片使原有的数据处理控制和通信两大模块的设计只需要1块6mmx6mm芯片就可以完成,减少了整个系统体积,降低了成本。而且无线收发电路和8051单片机系统有机地整合在同一晶片上,最大限度地减少了单片机数字电路对高频模拟电路的干扰,提高了可靠性。图2为应用CC2510芯片的节点设计框架。

无线传感器网络的拓扑结构及硬件系统的主要组成

该无线传感器网络由一个基站和若干个无线传感器节点构成, 文中以6个传感器节点为例。传感器节点负责中转其他节点数据包和采集、处理、压缩数据,并将数据包发送出去。基站节点负责发出控制命令和接收各个传感器节点发回的数据, 并通过RS232接口把数据发送给PC机。PC机对各个数据进行综合分析处理。网络组成如图3所示。

无线传感器网络的拓扑结构及硬件系统的主要组成

工厂“可穿戴设备”的无线传感器网

工厂的“可穿戴”设备通过无线传感器网可以随时联网测量、随时移动、数据可存储、可分析、可联网查看数据等。以某公司基于CC2510的无线传感器网络为例,它可以测量环境温度、环境湿度、设备表面温度、冷库内部温度等多种物理量,并通过900M无线网络将测量数据发送给接收端。该无线传感器网络安装时不需要技术员,自己就能完成安装;在非特殊场合时,不需要设置参数,系统自动对接数据;无线网络自动互联,不需要边安装边调试,极大的缩短了安装工期。

无线传感器网络的拓扑结构及硬件系统的主要组成

图4所示的无线接收端分为可记录接收端和物联网网关接收端两种,其中可记录接收端配有存储卡和大屏显示,使数据存储和显示一体化并可手持移动收数。同时,物联网网关接收端可以将收到的数据通过互联网、无线3G等多种连接方式,实时的将数据传递到公网,并利用云数据平台技术,可方便的实现数据的实时远程访问。

整个线网络系统可以接入多达200个无线传感器,每个无线设备的无障碍传输半径为500米,产品采用电池供电,2年左右需要更换一次电池。每一个无线传感器终端均可以显示如图5所示的中文界面。

无线传感器网络的拓扑结构及硬件系统的主要组成

在无线传感器网络中,通过图5所示的界面可以得到中继器接收到的数据条数,通过这个界面也可以直观看到网络通讯的稳定性,如果有一个温度采集端的接收数据明显少于其它的采集端,则说明该采集端的通讯不稳定,需要进行位置或者方向上的调整。如果用户对与功耗要求比较高,通过观察计数发现数据的通讯一直很稳定,那么将采集端的发射功率降低一级,再观察计数,如果通讯依然稳定则可以试着进一步降低采集端的发射功率,以此达到降低电流消耗,从而延长采集端的工作时间。

结束语

无线传感器网络是新兴的通信应用网络,其应用可以涉及到人类生活和社会活动的所有领域。因此,无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络,需要各种技术支撑。目前,成熟的通信技术都可能经过适当的改进和进一步发展,应用到无线传感器网络中,形成新的市场增长点,创造无线通信的新天地。

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