無線傳感器論文

無線傳感器網絡在車位控制中的應用摘要本文介紹了WSN的組成結構、網絡平臺組建、通信機制等內容，提出了一種基于WSN的智能車位控制系統(tǒng)的實現方案。著重討論該方案的實現原理、關鍵技術等問題。關鍵詞WSN；車位控制；超聲波傳感器1引言無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理技術，在現實生活中得到了越來越廣泛的應用。隨著通信技術、嵌入式技術、傳感器技術的發(fā)展，傳感器正逐漸向智能化、微型化、無線網絡化發(fā)展［1。目前，國內外主要研究無線傳感器網絡節(jié)點的低功耗硬件平臺設計拓撲控制和網絡協議、定位技術等。這個設計以檢測超聲波強度的傳感器為例，實現了一個無線傳感器網絡，根據傳感器所檢測的超聲波強弱來決定開啟或關閉車位指示燈，從而判斷是否有車輛進入檢測區(qū)域。這種傳感器網絡綜合了嵌入式技術、傳感器技術、短程無線通信技術，有著廣泛的應用。該系統(tǒng)不需要對現場結構進行改動，不需要原先任何固定網絡的支持，能夠快速布置，方便調整，并且具有很好的可維護性和拓展性?？萍及l(fā)展的腳步越來越快，人類已經置身于信息時代。而作為信息獲取最重要和最基本的技術一一傳感器技術，也得到了極大的發(fā)展。傳感器信息獲取技術已經從過去的單一化漸漸向集成化、微型化和網絡化方向發(fā)展，并將會帶來一場信息革命。具有感知能力、’十算能力和通信能力的無線傳感器網絡(WSN,wirelesssensornetworks)綜合了傳感器技術、嵌人式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，能夠協作地實時監(jiān)測、感知和采集網絡分布區(qū)域內的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳盡而準確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。由于WSN的巨大應用價值，它已經引起了世界許多國家的軍事部門、工業(yè)界和學術界的廣泛關注，被廣泛地應用于軍事，工業(yè)過程控制、國家安全、環(huán)境監(jiān)測等領域。無線傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等多種領域，是當前計算機網絡研究的熱點。早在上世紀70年代，就出現了將傳統(tǒng)傳感器采用點對點傳輸、連接傳感控制器而構成傳感器網絡雛形，我們把它歸之為第一代傳感器網絡。隨著相關學科的不斷發(fā)展和進步，傳感器網絡同時還具有了獲取多種信息信號的綜合處理能力，并通過與傳感控制器的相聯，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網絡，這是第二代傳感器網絡。而從上世紀末開始，現場總線技術開始應用于傳感器網絡，人們用其組建智能化傳感器網絡，大量多功能傳感器被運用，并使用無線技術連接，無線傳感器網絡逐漸形成。無線傳感器網絡是新一代的傳感器網絡，具有非常廣泛的應用前景，其發(fā)展和應用，將會給人類的生活和生產的各個領域帶來深遠影響。發(fā)達國家如美國，非常重視無線傳感器網絡的發(fā)展，IEEE正在努力推進無線傳感器網絡的應用和發(fā)展，波士頓大學(BostonUniversity)還于最近創(chuàng)辦了傳感器網絡協會(SensorNetworkConsortium)，期望能促進傳感器聯網技術開發(fā)。美國的《技術評論》雜志在論述未來新興十大技術時，更是將無線傳感器網絡列為第一項未來新興技術，《商業(yè)周刊》預測的未來四大新技術中，無線傳感器網絡也列入其中?？梢灶A計，無線傳感器網絡的廣泛是一種必然趨勢，它的出現將會給人類社會帶來極大的變革。2無線傳感器網絡的定義和特點無線傳感器網絡可以看成是由數據獲取網絡、數據分布網絡和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的節(jié)點各節(jié)點通過協議自組成一個分布式網絡，再將采集來的數據通過優(yōu)化后經無線電波傳輸給信息處理中心。無線傳感器網絡操作系統(tǒng)TinyOS141的研制者，JasonHill博士把WSN定義為：Sensing+CPU+Radio=Thousandsofpotentialapplication哈爾濱工業(yè)大學的李建中教授將WSN定義為：WSN是由一組傳感器節(jié)點以自組織的方式構成的有線或無線網絡，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。從硬件上看,WSN節(jié)點主要由數據采集單元、數據處理單元、無線數據收發(fā)單元以及小型電池單元組成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特點；從軟件上看，它借助于節(jié)點中內置傳感器有效探測所處區(qū)域的溫度、濕度、光強度、壓力等環(huán)境參數以及待測對象的電壓、電流等物理參數，并通過無線網絡將探測信息傳送到數據匯聚中心進行處理、分析和轉發(fā)。WSN與傳統(tǒng)傳感器和測控系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢。它采用點對點或點對多點的無線連接，大大減少了電纜成本，在傳感器節(jié)點端即合并了模擬信號/數字信號轉換、數字信號處理和網絡通信功能，節(jié)點具有自檢功能，系統(tǒng)性能與可靠性明顯提升而成本明顯縮減。無線傳感器網絡具有以下特點：1、硬件資源有限。WSN節(jié)點采用嵌入式處理器和存儲器，計算能力和存儲能力十分有限。所以，需要解決如何在有限計算能力的條件下進行協作分布式信息處理的難題。2、電源容量有限。為了測量真實世界的具體值，各個節(jié)點會密集地分布于待測區(qū)域內，人工補充能量的方法已經不再適用。每個節(jié)點都要儲備可供長期使用的能量或者自己從外汲取能量(太陽能)。當自身攜帶的電池的能量耗盡，往往被廢棄，甚至造成網絡的中斷。所以，任何WSN技術和協議的研究都要以節(jié)能為前提。3、無中心。在無線傳感器網絡中所有節(jié)點的地位都是平等的，沒有預先指定的中心，是一個對等式網絡。各節(jié)點通過分布式算法來相互協調,在無人值守的情況下，節(jié)點就能自動組織起一個測量網絡。而正因為沒有中心，網絡便不會因為單個節(jié)點的脫離而受到損害。節(jié)點可以隨時加入或離開網絡，任何節(jié)點的故障不會影響整個網絡的運行，具有很強的抗毀性。4、自組織。網絡的布設和展開無需依賴于任何預設的網絡設施，節(jié)點通過分層協議和分布式算法協調各自的行為，節(jié)點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網絡。5、多跳(Multi-hop)路由。WSN節(jié)點通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十到幾百米，節(jié)點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信，則需要通過中間節(jié)點進行路由。WSN中的多跳路由是由普通網絡節(jié)點完成的。6、動態(tài)拓撲oWSN是一個動態(tài)的網絡，節(jié)點可以隨處移動；一個節(jié)點可能會因為電池能量耗盡或其他故障，退出網絡運行；也可能由于工作的需要而被添加到網絡中。這些都會使網絡的拓撲結構隨時發(fā)生變化，因此網絡應該具有動態(tài)拓撲組織功能。7、節(jié)點數量眾多，分布密集。WSN節(jié)點數量大、分布范圍廣，難于維護甚至不可維護。所以，需要解決如何提高傳感器網絡的軟、硬件健壯性和容錯性。8、傳輸能力的有限性。無線傳感器網絡通過無線電波進行數據傳輸雖然省去了布線的煩惱，但是相對于有線網絡,低帶寬則成為它的天生缺陷。同時，信號之間還存在相互干擾，信號自身也在不斷地衰減，諸如此類。不過因為單個節(jié)點傳輸的數據量并不算大這個缺點還是能忍受的。9、安全性的問題。無線信道、有限的能量分布式控制都使得無線傳感器網絡更容易受到攻擊。被動竊聽、主動入侵、拒絕服務則是這些攻擊的常見方式。因此^安全性在網絡的設計中至關重要。3無線傳感器網絡的實現3.1網絡平臺組建無線傳感器網絡平臺由超聲波傳感器模塊、微處理器模塊、無線發(fā)射模塊三個部分組成，如圖1所示。微處理器模塊和無線發(fā)射模塊集成在一塊板子上，而超聲波傳感器模塊通過接口與微處理器相連，這樣可以通過更換不同的傳感器模塊來應用于各種場合。3.1.1超聲波傳感器模塊由于超聲波指向性強，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現［4］。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。為了使汽車能自動避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。本文所介紹的三方向（前、左、右）超聲波測距系統(tǒng)，就是為后臺工作人員了解其前方、左側和右側的環(huán)境而提供一個運動距離信息［5］。圖1無線傳感器網絡節(jié)點結構圖2無線傳感器網絡節(jié)點通信拓撲結構SL-SRF-25超聲波傳感器，接上電源，可以單獨作為超聲波測距使用，由3位LED數碼管顯示障礙物距離，3位LED數碼管采用積木式插裝方式，便于調試檢查及使用在不同場合。測量范圍10cm-250cm，測距小于100cm時，誤差是1?2cm.,大于100cm時，誤差是4?5cm。SL-SRF-25超聲波傳感器，還可以指定從單片機I/O端口上輸出分段距離檢測信號。3.1.2微處理器模塊處理器模塊選擇美國加州伯克利大學的Mica2模型節(jié)點。節(jié)點板上提供如下功能：433MHz中心頻率的無線通信接口，通過編程可以定制多種功能：能夠提供-20db~10db多種通信功率；能夠在曼徹斯特編碼方式下提供從0.3kbps?38.4kbps多種傳輸速率；能夠在433M附近設置多種通信頻率，頻率間隔為76k。它高速和大容量RAM的特性，為處理數據包提供了便利。3.1.3無線發(fā)射模塊無線發(fā)射模塊采用桑銳電子科技公司的SRWF-501型微功率無線模塊射頻收發(fā)器。該芯片只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。該收發(fā)器提供3個串口3種接口方式，COM1為TTL電平UART接口，COM2為標準的RS-232接口標準的RS-485接口；晶體穩(wěn)頻，內置數字鎖相環(huán)，頻點根據用戶需要在300—1000MHz范圍內可以靈活設置；自動過濾噪聲，簡化了用戶接口的編程，做到與有線一樣方便；“收”“發(fā)”自動切換，無需專用的收發(fā)控制線，不發(fā)數據時為常態(tài)“收”狀態(tài)；發(fā)數據時自動轉換為“發(fā)”狀態(tài)，“發(fā)”完后自動回到“收”；微發(fā)射功率：最大發(fā)射功率10mW。SRWF-501的選擇性和敏感性指數超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。3.2系統(tǒng)軟件平臺選擇美國加州伯克利大學開發(fā)的TinyOS系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境。TinyDB是TinyOS的查詢處理系統(tǒng)，它能夠從無線網絡中的sensor節(jié)點上提取數據和信息。TinyOS為TinyDB提供了一個可視化的JAVAAPI窗口，可以進行實時查詢。3.3組網類型在本文中，無線傳感器網絡采取星型拓撲結構(如圖2),由一個網絡協調器作為中心節(jié)點，可以跟任何一個普通節(jié)點通信。普通節(jié)點上含有超聲波傳感器對周圍環(huán)境中的超聲波信號強度參數進行測量、采樣，將采集到的數據發(fā)往中心節(jié)點，并且可以對中心節(jié)點發(fā)來的數據、命令進行分析處理，完成相應的操作。若兩個普通節(jié)點之間要傳送數據則必須經過中心節(jié)點，由中心節(jié)點把數據傳送到相應的節(jié)點上。3.4組網流程無線傳感器網絡是一個自組織的網絡，如果一個全功能節(jié)點被激活，它就可能建立一個網絡并把自己設為網絡協調器，其它的普通節(jié)點可以申請加入該網絡⑹。這樣就可以建成一個具有星型拓撲結構的無線傳感器網絡。本文中的無線傳感器網絡支持超幀結構，網絡協調器經過能量掃描、主動信道掃描后，按照設定的參數周期性的發(fā)送信標幀。普通節(jié)點首先經過能量掃描和被動信道掃描后，獲取信標幀中包含網絡特征的參數，如信標序號、超幀序號和網絡標號等。通過同步請求與網絡協調器同步，再通過匹配請求與網絡協調器關聯。在與網絡協調器關聯的過程中，網絡協調器為每個請求關聯的普通節(jié)點分配16位的短地址［7］。這樣在以后的數據傳送中就可以用短地址進行通信,提高通信效率、降低發(fā)射中的能量消耗,從而延長網絡的使用壽命。3.5數據傳輸機制3.5.1數據格式在IEEE802.15.4標準中定義了四種幀，分別是信標幀、數據幀、命令幀、確認幀2］。信標幀：用以網絡協調器在支持超幀結構的第一個時槽向其臨近節(jié)點廣播信標，當附近的節(jié)點接受到信標幀后就可以申請加入該網絡。由于本文中的無線傳感器網絡系統(tǒng)采用相對簡單的星型拓撲結構，在信標幀的結構上與IEEE802.15.4標準有所不同：在信標幀的地址域中僅包含源節(jié)點的網絡標號和短地址，不包含目的節(jié)點信息(因為采用廣播方式發(fā)送)。數據幀：用來傳送含有超聲波度信息的數據。在地址域中包含源節(jié)點和目的節(jié)點的網絡標號和短地址。由于數據幀的傳送方向有兩種：從普通節(jié)點傳向中心節(jié)點和從中心節(jié)點發(fā)送給普通節(jié)點。命令幀：用于組建無線傳感器網絡、傳輸同步數據等。命令幀在格式上和其它類型的幀沒有太多的區(qū)別。確認幀：用以確認目標節(jié)點成功接收到數據幀或命令幀。當目標節(jié)點成功接收到數據幀或命令幀后，就發(fā)送一個確認幀給發(fā)送方。發(fā)送方接收到這個確認幀說明發(fā)送成功。若在規(guī)定的時間內沒有接收到確認幀，則重發(fā)該數據幀或命令幀。在幀控制域中定義了幀的類型為確認幀。確認幀的序列號要與被確認幀相同，并且負載長度為零。確認幀緊接著被確認幀發(fā)送，不需要使用CSMA-CA機制競爭信道⑻。3.5.2傳輸流程在整個無線傳感器網絡中，采取的是普通節(jié)點定時讀取其傳感器上的超聲波數據，并將超聲波數據發(fā)送給中心節(jié)點。中心節(jié)點對接受到的數據進行處理后傳送給相應的節(jié)點用以控制其上的車位置位標志。首先，網絡協調器對接收到的數據幀進行檢驗，圖2中的"中心節(jié)點判斷"是判斷是否為指定節(jié)點的傳感器數據。若接收的數據是指定節(jié)點上的數據，則將該數據與一個超聲波度閾值進行比較來設定控制變量（用來控制車位的開關狀態(tài)）［9］。反之，則不進行發(fā)送操作。然后，判斷帶有空閑的節(jié)點是否加入網絡。若在網絡中找到帶有空閑的節(jié)點，則中心節(jié)點將控制變量作為數據幀負載發(fā)送給它。反之，則不發(fā)送帶有控制變量的數據幀。4需要解決的問題就目前的技術水平來說，讓無線傳感器網正常運行并大量投入使用還面臨著許多問題：1．網絡內通信問題。無線傳感器網絡內正常通信聯系中，信號可能被一些障礙物或其他電子信號干擾而受到影響，怎么安全有效的進行通信是個有待研究的問題。2．成本問題。在一個無線傳感器網絡里面，需要使用數量龐大的微型傳感器，這樣的話成本會制約其發(fā)展。3．系統(tǒng)能量供應問題。目前主要的解決方案有：使用高能電池；降低傳感功率；此外還有傳感器網絡的自我能量收集技術和電池無線充電技術。其中后兩者備受關注。4．高效的無線傳感器網絡結構。無線傳感器網絡的網絡結構是組織無線傳感器的成網技術，有多種形態(tài)和方式，合理的無線傳感器網絡可以最大限度的利用資源。在這里面，還包括網絡安全協議問題和大規(guī)模傳感器網絡中的節(jié)點移動性管理等諸多問題有待解決?？傊?。無線傳感器網絡應用前景非常誘人。無線傳感器網絡（WSN）被認為是影響人類未來生活的重要技術之一，這一新興技術為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。由于WSN本身的特點，使得它與現有的傳統(tǒng)網絡技術之間存在較大的區(qū)別，給人們提出了很多新的挑戰(zhàn)。由于WSN對國家和社會意義重大，國內外對于WSN的研究正熱烈開展，希望能夠引起測控領域對這一新興技術的重視，推動對這一具有國家戰(zhàn)略意義的新技術的研究、應用和發(fā)展。5結束語在我們設計的無線傳感器網絡車位控制系統(tǒng)中，