無線通信網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用與設(shè)計(jì)

作者 / 張曉玫，河南工程學(xué)院

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無線通信網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用與設(shè)計(jì)

作者 / 張曉玫，河南工程學(xué)院

隨著電子通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們已經(jīng)開發(fā)了各種類型的傳感器，這些傳感器節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息采集、發(fā)送、接收，并且利用互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)自組織無線網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生救治等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，取得了顯著的成效。目前，傳感器在無線通信網(wǎng)絡(luò)中主要包括兩種節(jié)點(diǎn)類型，分別是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)可以采集應(yīng)用環(huán)境中的軟硬件設(shè)施信息，采用路由通信協(xié)議將其傳輸?shù)椒?wù)器中，同時(shí)還可以接收網(wǎng)絡(luò)控制命令信息，有效實(shí)現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和共享。

無線通信網(wǎng)絡(luò)；傳感器；終端節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境資源污染嚴(yán)重，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測，提高控制成效。另外，一些重工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境比較惡劣和復(fù)雜，不利于人們進(jìn)行工作，而采用有線光纜不利于組網(wǎng)，并且易于損壞，因此需要使用傳感器、ZigBee、WiFi和6LoWPAN等技術(shù)構(gòu)建一個(gè)傳感器無線通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步改進(jìn)傳感器無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的靈活性［1］。傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展和應(yīng)用可以滿足環(huán)境資源監(jiān)測、工業(yè)制造智能監(jiān)控、公共安全監(jiān)控等需要，具有重要的作用和意義［2］。目前，常用的無線通信技術(shù)包括ZigBee、WiFi、RFID、6LoWPAN和4G移動通信等無線通信技術(shù)，可以大幅度提高組網(wǎng)的靈活性，實(shí)現(xiàn)傳感器信息采集、發(fā)送和接收。每一種無線通信技術(shù)應(yīng)用描述如下：

（1）ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種低速率、短距離無線通信技術(shù)，其可以將部署于重工業(yè)環(huán)境中的傳感器連接在一起，形成一個(gè)良好的自組織通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)通信可靠性較高，具有較低的節(jié)點(diǎn)功耗，可實(shí)現(xiàn)重工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集中式共享、傳輸管理［3］。

（2）6LoWPAN技術(shù)。6LoWPAN（IPv6 over IEEE 802.15.4）是一種基于IPv6的低速無線個(gè)域網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)，其可以把傳統(tǒng)的無線通信協(xié)議擴(kuò)展到IP鏈路上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，提高了重工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)通信的可靠性［4］。

（3）WiFi技術(shù)。WiFi是一種靈活的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其可以在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)備組網(wǎng)，可以作為有線局域網(wǎng)的延伸，也可以單獨(dú)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)移動計(jì)算機(jī)服務(wù)器、終端設(shè)備等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和共享［5］。

（4）RFID技術(shù)。RFID是一種無線射頻識別技術(shù)，該技術(shù)采用非接觸式數(shù)據(jù)傳輸功能，能夠?qū)崟r(shí)地采集工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的設(shè)備信息，并且將這些信息保存在RFID服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)化傳輸和共享。

（5）4G移動通信技術(shù)。4G通信技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前無線移動通信的主流技術(shù)，該技術(shù)使用OFDM的多址接入模式，可以有效地增強(qiáng)無線鏈路通信技術(shù)，采用高可靠性的軟件無線電技術(shù)和高校的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，有效地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?/p>

1. 傳感器在無線通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）通常是指部署在檢測區(qū)域內(nèi)的一些數(shù)據(jù)采集傳感器構(gòu)成的、能夠通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N具有多跳特征的自組織網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以互相協(xié)作，采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的各種可以感知的對象信息，并且將其發(fā)送至觀察者。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的基本組成元素，其可以部署在不同的位置，并且將采集、預(yù)處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)可以包括覆蓋區(qū)域的各類環(huán)境信息，比如濕度、溫度、光強(qiáng)度、噪聲、壓力等一些人們感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)可以負(fù)責(zé)收集、匯總網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，是整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，其負(fù)責(zé)管理、組織傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，也可以與其他的匯聚節(jié)點(diǎn)、功能模塊單元共同構(gòu)成一個(gè)功能更加強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)，比如4G通信模塊、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊等，實(shí)現(xiàn)人們實(shí)時(shí)的監(jiān)控環(huán)境信息，具有重要的作用和意義。

2. 無線通信網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括兩種節(jié)點(diǎn)，分別是終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)是組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)可以完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸，因此傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件部分主要由電源模塊、電源管理模塊、時(shí)鐘模塊、射頻天線單元、LED顯示模塊、信號調(diào)理模塊和傳感器模塊共同構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)上的射頻天線單元、時(shí)鐘模塊、LED顯示模塊的主要功能與路由器節(jié)點(diǎn)的功能是完全一致的，因此，部分硬件功能的電路設(shè)計(jì)過程中可以進(jìn)行通用。電源管理單元可以為傳感器提供工作電壓，并且在設(shè)計(jì)過程中可以降低每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作能耗，有效節(jié)約電源。另外，電源管理單位還可以控制工作電壓的開關(guān)，并且保證系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時(shí)能夠有效地管理電壓，使得數(shù)據(jù)采集部分的能耗為零，能夠優(yōu)化傳感器的部署節(jié)點(diǎn)，保證傳感器模塊將采集的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，提高了無線傳感器室內(nèi)監(jiān)測的準(zhǔn)確度。終端節(jié)點(diǎn)如圖1所示。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)又被稱為路由器節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的主要作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚和轉(zhuǎn)發(fā)功能。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以自由靈活放置，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的主要能量也是來源于電池，因此網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件電路結(jié)構(gòu)相對比較簡單，主要由電源模

圖1 終端節(jié)點(diǎn)組成

圖2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成部分

塊、時(shí)鐘模塊、CC2350、射頻天線單元、LED顯示模塊共同組成。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的組成模塊如圖2所示。

目前，無線傳感器節(jié)點(diǎn)通常可以采用德州儀器生產(chǎn)的傳感器CC2350芯片，其集成了信息射頻收發(fā)和MCU控制功能，擁有一顆強(qiáng)大的32MHz晶振及其他相關(guān)的阻容器件。同時(shí)，CC2350芯片采用板載PCB板天線設(shè)計(jì)，采用巴倫匹配電路，因此傳感器的接受靈敏度可以達(dá)到-97dB，在接口設(shè)計(jì)與德州儀器官方的CC2350EM完全融合在一起，具有極其強(qiáng)大的軟件開發(fā)功能，并且在室外進(jìn)行通信的條件下，其可以覆蓋250m左右的距離。如果覆蓋在室內(nèi)，其可以穿透非混凝土墻，距離可以達(dá)到10m左右，并且這種傳輸距離完全可以滿足室內(nèi)監(jiān)控的需求。

3. 結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新興網(wǎng)絡(luò)，是下一代傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要方向。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景廣闊，具有較高的商業(yè)價(jià)值，國內(nèi)外許多科技企業(yè)、高校機(jī)構(gòu)等組織都非常重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和發(fā)展，從而有效促進(jìn)了無線傳感器的快速改進(jìn)，在傳感器節(jié)點(diǎn)部署、能量供給、處理數(shù)據(jù)能力等方面取得了顯著的成效。當(dāng)前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在軍事戰(zhàn)場指揮網(wǎng)絡(luò)、土地環(huán)境監(jiān)測、水源環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生救治、工業(yè)控制和抗震救災(zāi)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其可以主動地采集應(yīng)用領(lǐng)域的溫度、濕度、污染程度、視頻圖像等信息，并且通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化、自動化數(shù)據(jù)發(fā)送和傳輸，有助于擴(kuò)展人類認(rèn)知、認(rèn)識客觀世界的渠道，進(jìn)一步感知生活環(huán)境信息，改善人類工作、生活的信息化水平。

＊ ［1］ 陳旿， 孫建華， 于振興，等. 基于IEEE1588的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步方法［J］. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)， 2014， 36（3）：564-574.

＊ ［2］ 汪華斌， 羅中良， 陳治明，等. 基于WIFI+GPRS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)［J］. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用， 2014， 23（3）：224-227.

＊ ［3］ 張會新， 陳德沅， 彭晴晴，等. 一種改進(jìn)的TDOA無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法［J］. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)， 2015（3）：412-415.

＊ ［4］ 蔣華， 韓平梅， 王鑫. 關(guān)于無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)能耗優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真［J］. 計(jì)算機(jī)仿真， 2015， 32（7）：273-276.

＊ ［5］ 王衛(wèi)星， 高奕龍， 陳佳森，等. 基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山地橘園精細(xì)化滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 電子技術(shù)與軟件工程，2014（14）：19-20.