無線傳感器綜合實驗報告.doc

無線測試系統(tǒng)綜合實驗實驗報告學(xué)號姓名學(xué)院機械工程學(xué)院實驗日期2010/10/28一、 實驗?zāi)康膱D1：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）（見圖1），當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù),能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知、采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息,并對這些信息進行處理,獲得詳盡、準確的信息,傳送到需要這些信息的用戶。它由部署在檢測區(qū)域內(nèi)大量的傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知的對象信息，并發(fā)送給觀察者。它分為如下三種網(wǎng)絡(luò)形式：星形網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有三種拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2中所示。星狀網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)中所有節(jié)點都與基站和網(wǎng)關(guān)進行雙向通信（圖 2中A 圖）?；究梢允且慌_PC、PDA、專用控制設(shè)備、嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，或其它與高數(shù)據(jù)率設(shè)備通信的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點基本相同。除了向各節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)和命令外，基站還與互聯(lián)網(wǎng)等更高層系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。各節(jié)點將基站作為一個中間網(wǎng)絡(luò)點，相互之間并不傳輸數(shù)據(jù)或命令。網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)所有節(jié)點都相同，而且直接互相通信，與基站進行數(shù)據(jù)傳輸和命令傳輸（圖2中B 圖），網(wǎng)狀網(wǎng)的每個節(jié)點都有多條路徑到達網(wǎng)關(guān)或其它節(jié)點，因此它的容錯能力較強?；旌暇W(wǎng)力求兼具星狀網(wǎng)的簡潔和低功耗以及網(wǎng)狀網(wǎng)的長傳輸距離和自愈性等優(yōu)點（圖2中C 圖）。在混合網(wǎng)中，路由節(jié)點和中繼節(jié)點組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，圖2：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是典型的具有交叉學(xué)科性質(zhì)的軍民兩用戰(zhàn)略高技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于GF軍事、國家安全、環(huán)境科學(xué)、交通管理、災(zāi)害預(yù)測、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、城市信息化建設(shè)等領(lǐng)域。國際上比較有代表性和影響力的無線傳感網(wǎng)絡(luò)實用和研發(fā)項目有遙控戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)（Remote Battlefield Sensor System，簡稱REMBASS -倫巴斯）、網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)（NCW）及靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)（SSW）、智能塵（smart dust）、Intel?Mote、Smart-Its項目、SensIT、SeaWeb、行為習(xí)性監(jiān)控（Habitat Monitoring）項目、英國國家網(wǎng)格等。民用方面，美日等發(fā)達國家在對該技術(shù)不斷研發(fā)的基礎(chǔ)上在多領(lǐng)域進行了應(yīng)用。我國現(xiàn)代意義的無線傳感網(wǎng)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達國家同步啟動，1999年首次正式出現(xiàn)于中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程試點領(lǐng)域方向研究的信息與自動化領(lǐng)域研究報告中，作為該領(lǐng)域提出的五個重大項目之一。隨著知識創(chuàng)新工程試點工作的深入，2001年中科院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，引領(lǐng)院內(nèi)的相關(guān)工作，并通過該中心在無線傳感網(wǎng)的方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項目和方向性項目，參加單位包括上海微系統(tǒng)所、聲學(xué)所、微電子所、半導(dǎo)體所、電子所、軟件所、中科大等十余個校所，初步建立傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究平臺，在無線智能傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器節(jié)點、簇點和應(yīng)用系統(tǒng)等方面取得很大的進展，2004年9月相關(guān)成果在北京進行了大規(guī)模外場演示，部分成果已在實際工程系統(tǒng)中使用國內(nèi)的許多高校也掀起了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱潮。清華大學(xué)、中國科技大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、天津大學(xué)、南開大學(xué)、北京郵電大學(xué)、東北大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西南交通大學(xué)、沈陽理工大學(xué)和上海交通大學(xué)等單位紛紛開展了有關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的基礎(chǔ)研究工作。一些企業(yè)如中興通訊公司等單位也加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的行列。二、實驗原理無線傳感器特點：1、傳輸距離。由于采用專用高頻電路板材，合理的阻抗匹配，在相同的電池供電及功率消耗下， 節(jié)點的通信距離編程可調(diào)0100m，有效距離達50M 以上，適合大部分短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求。2、功耗低。元器件采用低功耗器件，在使用低功耗通信協(xié)議棧時，在睡眠狀態(tài)，電流僅為5mA ，在掉電節(jié)能模式下，電流更是只有110A 左右。節(jié)點使用2 節(jié)AA 電池即可正常工作。3、使用方便。節(jié)點每個都有串口和JTAG 口，都可以對每個節(jié)點方便地進行編程，不需要復(fù)雜的編程環(huán)境；另外每個節(jié)點都可以直接接到計算機上，充當(dāng)SINK 節(jié)點，同樣不需要專門定制的接口板，十分方便。4、軟件資源。為了擴展產(chǎn)品的適用范圍，有兼容目前WSN 領(lǐng)域最主流的802.15.4 規(guī)范的協(xié)議棧，開發(fā)語言是C，易于開發(fā)與相互共享交流，完全可以成為我們公共的平臺?？傮w架構(gòu)見圖3，它由傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四個部分組成。傳感器模塊負責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在一個節(jié)點提供了可擴展不同傳感器的接口，所以可能包括多種傳感器器件；處理模塊負責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的處理操作、存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)和其它節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，包括了數(shù)據(jù)安全、通信協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務(wù)管理等等；無線通信模塊負責(zé)與其它傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的所有電源。圖3：無線傳感器總體框架圖4：軟件結(jié)構(gòu)圖5 機械參數(shù)遙測測試系統(tǒng)框圖在無線網(wǎng)絡(luò)傳感器一般集成一個低功耗的微控制器(MCU)以及若干存儲器、無線電/光通信裝置、傳感器等組件，通過傳感器、動臂機構(gòu)、以及通信裝置和它們所處的外界物理環(huán)境交互。一般說來，單個傳感器的功能是非常有限的，但是當(dāng)它們被大量地分布到物理環(huán)境中，并組織成一個傳感器網(wǎng)絡(luò)，支持上千個測點同時進行大型結(jié)構(gòu)試驗，再配置以性能良好的系統(tǒng)軟件平臺，就可以完成強大的實時跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測等功能。無線數(shù)字信號傳輸方式消除了長電纜傳輸帶來的噪聲干擾，整個測量系統(tǒng)具有極高的測量精度和抗干擾能力。以應(yīng)變測量為例，首先，被測物在傳感器的測量下，通過簡單的系統(tǒng)單芯片SOC，得到物體的應(yīng)變變化，然后，數(shù)據(jù)經(jīng)過基于CMOS技術(shù)的放大元件，將經(jīng)過處理的低功耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)給無線傳輸模塊，該模塊將數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換后，無線傳輸給接收模塊，并通過終端對數(shù)據(jù)分析處理，實現(xiàn)遠距離就可以完成強大的實時跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測等功能，在資源受限的條件下完成感知、通信和控制功能。無線數(shù)字信號傳輸方式消除了長電纜傳輸帶來的噪聲干擾，整個測量系統(tǒng)具有極高的測量精度和抗干擾能力。無線傳輸接收模塊體積小巧，由電源模塊、采集處理模塊、無線收發(fā)模塊組成，。節(jié)點每個通道內(nèi)置有獨立的高精度120-1000橋路電阻和放大調(diào)理電路，可以方便地由軟件自動切換選擇1/4橋，半橋，全橋測量方式，兼容各種類型的橋路傳感器。采集的數(shù)據(jù)既可以實時無線傳輸至計算機，也可以存儲在節(jié)點內(nèi)置的2M 數(shù)據(jù)存儲器，保證了采集數(shù)據(jù)的準確性。節(jié)點的空中傳輸速率可以達到250K BPS，有效室外通訊距離可達100m等優(yōu)點。三、實驗設(shè)備CSY2000系列傳感器與檢測技術(shù)實驗臺、SG802 無線應(yīng)變節(jié)點、SG402無線應(yīng)變節(jié)點、A302無線加速度節(jié)點、網(wǎng)關(guān)S903、戴爾計算機，活塞式壓力計，壓力傳感器BHR-2型，荷重傳感器BHR4型。四、實驗框圖五、實驗標(biāo)定曲線和表SG802無線應(yīng)變節(jié)點標(biāo)定曲線如下：標(biāo)定表格如下：無線應(yīng)變節(jié)點標(biāo)定曲線及表格如下：半橋全橋六、實驗數(shù)據(jù)曲線和表體重測量試驗曲線及表格懸臂梁受沖擊應(yīng)變測量試驗曲線及表格七、實驗結(jié)論與收獲實驗結(jié)論：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；贛EMS的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為:軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，以實現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強等特點，有著廣闊的應(yīng)用前景。感想與收獲：通過這次的實驗，我學(xué)習(xí)到了很多有用的東西。在自動親自實驗前，老師向我們講解了zigbee的基礎(chǔ)知識。了解到Zigbee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠 這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種 設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無 線組網(wǎng)通訊技術(shù)。我想將來這個技術(shù)的前景是非常不錯的。在家里可以用到空調(diào)的溫度自動控制，照明的自動控制