無線傳感器網絡及其研究進展解讀

王光玉　張肖

無線傳感器網絡是以傳感器為載體，以無線通信協議為基礎構建而成的一個具有強大應用功能的網絡結構體系。在該網絡結構當中，可以同時容納多種不同類型的傳感器，微傳感技術和無線聯網技術賦予了無線傳感器網絡極為廣闊的應用空間。目前，無線傳感器網絡已經被廣泛應用于諸多領域當中，如國防軍事、醫療、環境、工業、農業等等，它的價值也隨著應用范圍的不斷擴大而逐步顯現。基于此點，本文就無線傳感器網絡及其研究進展進行論述。

【關鍵詞】傳感器 無線通信控制 自動化網絡

1 無線傳感器網絡的應用設計

無線傳感器網絡簡稱WSN，它是一種非常典型的分布式傳感網絡，在該網絡當中，所有的傳感器均可以通過無線的方式進行通信，由此使得WSN具有了極高的靈活性。除此之外，WSN還具有如下優點：規模大、密度高、安全、可靠等等，由此使得其在多個領域中獲得了廣泛的應用，如國防軍事、環境科學、生物醫療、智能城市等等。下面本文重點對該網絡的設計進行分析。

1.1 WSN的框架結構

本文所設計的WSN系統由以下幾個部分構成：傳感節點、匯聚節點及上位PC機。

1.1.1 傳感節點

主要負責現場數據的采集，并通過路由協議將采集到的這些數據傳給其它的傳感節點，最終達到匯聚節點。

1.1.2 匯聚節點

主要負責接收由各個傳感節點傳輸的數據信息，并將這些信息以串口通信的方式傳給上位PC機。同時，還能將上位PC機下發的一些指令傳給各個傳感節點。

1.1.3 上位PC機

主要負責對接收到的數據信息進行處理，并對整個網絡進行監督管理。同時，PC機可以提供圖形化的操作界面，能夠直接接收用戶的具體需求，并進行相關數據信息的顯示。

1.2 系統硬件設計

本系統中終端節點的硬件由以下幾個模塊組成：處理器、無線通信、傳感器、電源等。圖1為系統硬件結構。

1.2.1 MCU

這是整個系統的核心部分，它除了能夠接收由傳感器發送的數據信息并進行計算處理之外，還能將處理后的數據傳給無線通信模塊，同時，可對硬件平臺中其它模塊進行操控。通過技術經濟性比選之后，決定采用美國TI公司研發的一款混合信號處理器，MSP430F1611，這款處理器具有超低的功耗和強大的處理能力，其運行穩定性較高。

1.2.2 射頻芯片

為了能夠與MCU更好地進行配合，本系統中的射頻芯片也選用了美國TI公司的產品，型號CC1101，這款射頻芯片在研發設計時主要就是為低功耗的無線應用服務的，它的成本比較低，是一款真正的UHF收發器，其電路可以設定在多個頻率波段上。

1.2.3 傳感器

本系統中選用的傳感器型號為SHT11，它是一款單芯片的數字傳感器，將溫濕度感測、A/D轉換等多種功能全部集成到一塊芯片上，這種傳感器最為突出的特點是可靠性高、穩定性好。

1.2.4 實時時鐘

RTC采用的是Maxim公司自主研發的DS1337芯片，它的特點是能夠在1.8-5.5V電壓之間保持穩定的運行狀態，并且具有較低的功耗，芯片處于休眠狀態時，電流僅為15μA。

1.2.5 電源

本系統的電源采用的是微型電池。

1.3 系統軟件設計

在整個WSN系統設計中，軟件設計是重中之重，具體包括MAC協議層、路由層、上位PC機軟件等幾個方面。

1.3.1 MAC協議層的設計

MAC協議是WSN數據鏈路層的研究重點，其需要憑借數量眾多的節點來實現應用目標。對于WSN而言，網絡節點消耗能量最多的環節是空載偵聽，為了盡可能降低這部分能耗，采用了S-MAC協議，在該協議中，網絡節點之間能夠通過協商的方式形成一個虛擬簇，利用它可以使空閑偵聽的時間大幅度縮短，由此便可達到節能的效果。在具體設計中，采用了如下改進方法，使S-MAC協議進行選擇性休眠，并通過實時動態的方式對其占空比進行調整。在每一次數據傳輸過程中，選擇性休眠節約的能量可用下式進行計算：

（1）

上式當中，△E表示可節能的能量；Tlisten表示偵聽時間；Pidle和Psleep表示空閑和休眠狀態下的功耗；DC代表占空比。由式（1）可知，通過對占空比的有效調節，能夠使選擇性休眠節省更多的能量。在該協議中，雖然可以通過對占空比的調節來實現節能，但卻可能引起休眠延遲及吞吐量下降等問題，為了有效解決這一問題，可采取如下方法，即上一個T時間內的負載過大時，節點在保持偵聽時間不變的前提下，自行減少休眠時間，以此來增加占空比。

1.3.2 路由層設計

對于WSN而言，它的生命周期與路由層協議有著非常密切的聯系，合理且有效的路由方法能夠使網絡節點之間的能量消耗達到一個平衡狀態，由此可以使網絡的生命周期獲得大幅度地延長。本次設計中，采用了當前比較流行的一種路由算法，即MEACO，該算法在尋找最優路徑時，對網絡節點之間的能量平衡予以了充分的考慮，通過它可以對節點及整個網絡的能耗進行有效的控制，這樣一來，便能夠達到延長網絡生命周期的目的。

1.3.3 上位PC機軟件設計

在該系統當中，上位PC的主要作用是對數據進行處理，并為用戶的使用需求服務，因此，在上位PC軟件的設計上，應當使其以Web網站的形式存在，這樣能夠方便遠程用戶的訪問與控制。

2 無線傳感器網絡展望

WSN自誕生到現在經歷了數十年的發展，在業內專家學者的不懈努力下，使其得到了逐步的完善，目前，WSN已經滲透到了多個領域當中，它的價值也在不斷地應用中得到了展現。鑒于WSN擁有著無限的應用前景，因此，加大對它的研究力度顯得非常重要，在不久的將來，WSN將會進入一個高速發展階段，它的應用價值也必將隨著它的持續發展和完善獲得進一步提升。

3 結論

綜上所述，本文在對無線傳感器網絡的應用設計進行分析的基礎上，展望了無線傳感器網絡的未來發展。隨著無線傳感器網絡的價值逐步提升，它在各個領域中的應用范圍必將不斷擴大，為了能夠進一步推動無線傳感器網絡的發展，應當在現有的基礎上加大對其的研究力度，使該網絡更加完善。

參考文獻

[1]萬喬喬，張俊然，趙斌.無線傳感器網絡通信協議及其在醫學領域的研究進展[J].傳感器與微系統，2015（7）：102-103.

[2]李建坡，鐘鑫鑫，徐純.無線傳感器網絡靜態節點定位算法綜述[J].東北電力大學學報，2015（2）：82-83.

作者單位

1.山東淄博市淄博市中心醫院 山東省淄博市 255036

2.山東淄博市山東輕工職業學院 山東省淄博市 255300