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无线传感器网络

前言

 无线网络传感器是综合了传感器、控制器、计算能力、通信能力的嵌入式设备。与外部物理环境相互作用,通过传感器网络将收集到的信息传送到以往的计算机等其他计算设备。随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术以及半导体和微机器系统的制造技术的迅速发展,制造微型、灵活、低功耗的无线网络传感器已经成为现实。

 无线网络传感器一般将1个低功耗的微控制器( MCU )与数千个存储器、无线/光通信设备、传感器等组件合并,通过传感器、动臂机构及通信设备与它们所存在的外部物理环境相互通信。一般来说,各个传感器的功能非常有限,但在物理环境中大量分散,作为传感器网络构成的情况下,通过构成高性能的系统软件平台,实时追踪、环境监测、状态监测。


 无线网络传感器的进化

  无线传感器网络不仅在产业、农业、军事、环境、医疗等传统领域,在将来家庭、保健、交通等许多新领域也能发挥其优势,具有非常广泛的应用前景。我们大胆地预见未来的无线感应器网络存在于任何地方,完全应用到我们的生活中。例如,微型传感器网络最终可以将家用电器、电脑、其他日常产品连接到互联网上实现远程跟踪,在家庭中可以采用无线传感器网络负责安全控制、节电等。无线传感器网络是适用于人类日常生活和社会生产活动的各个领域的将来的大规模网络。

 但是,无线传感器网络尚未充分发展,其技术、应用程序尚未充分成熟,无线网络传感器面临的主要技术课题是在资源有限的情况下实现感知、通信和控制功能。这些限制包括主要受限电力供应、受限计算能力、受限存储容量、受限通信能力等。

  目前最重要的技术是,系统软件通过支持这些设备的管理和操作,支持网络传感器系统的操作系统成为无线网络传感器的核心。因此,支持网络传感器系统的操作系统可以是(1)低功耗、超微小核心; (2)实时同时执行(3)专用特制(4)多个无线网络互连方式的支持

传感器网络.jpg

一种基本IEEE802.15.4无线智能化传感器网络实现探讨

 近年来,随着计算机技术、网络技术和无线通信技术的高速化和广泛应用,开始提供无线网络技术和传感器技术的组合无线网络传感器的概念。不仅支持网络连接,还支持有线连接,提供优秀的数据传输服务。例如工厂的巨大设备间、低速长距离下的通信要求和危险的产业环境。

 IEEE 802.15.4成立于2000年12月IEEE工作组。定义为极低复杂度、成本低、功耗低的低速无线连接技术,重点是从价格低廉的固定设备、便携设备或移动设备。 产品的灵活性、连接性、实用性、持续性是市场的原动力。短距离无线低电力通信技术被认为最适合传感器网络,传感器网络为802.15.4标准主站点对象。传感器和802.15.4通过设备的组合、数据收集、处理、分析,判断用户是否需要操作。满足802.15. 4标准的无线收发机和网络被像Motorola、Philips、eaton、inver nsys、honeyman这样的国际通信产业控制行业的大型企业强烈推荐。目前,IEEE 1451工作组正在考虑实施无线智能传感器网络WSN (无线传感器networks )。以下,以IEEE 802.15.4为基础标准无线智能传感器网络的实现。

 1.基于IEEE 802.15. 4标准的智能传感器型号

 智能传感器确立了标准化的传感器网络协议。规定传感器模块的电子数据表单,定义用于访问数据表单、读取传感器数据、设定参数的数字接口。IEEE 1451的目的是提供一个工业标准接口,可以有效地连接传感器和微控制器,并将传感器连接到网络。

  IEEE 1451型号主要由智能传感器接口模块stim ( smart trans er interface module )和网络应用程序处理器ncap ( network capable application pors sor )构成,其间通过传感器独立接口tidi连接。ncap模块用于运行网络协议栈和应用程序硬件,并与网络进行互连。stim模块是包含发送机电子数据表ted s ( transducer electronics data sheet )智能发送机接口模块,一个stim能够连接在通常使用时传感器和stim不能分离的程度的不同量的传感器和致动器。发射器独立的tii ( trans ducer in dependence interface,跨越式接口)主要定义了用于两个点之间的连接和时钟同步的距离接口,以便将一个传感器应用于多个商用网络。另外,在IEEE 1451规格中,根据ted s使传感器模型具有即插即用的互换性。将raw数据转换为国际标准单位。

 智能传感器接口模块构建在包括传感器ted s、控制、状态寄存器、中断屏蔽、地址指定、功能解码逻辑、触发器、触发响应功能的传感器元件周围,是传感器独立接口用的数字接口。传感器独立接口包括数据传输、时钟、触发、响应线。接口是由两个串行数据输入输出组成的串行外围接口。智能传感器接口模块通过传感器独立接口接通电源,能够在不释放网络内其他传感器的动作的情况下对stim进行热扫描。

 2 .无线智能传感器网络的实现

2.1无线智能传感器

 这个设计的实现机制是IEEE 802.15.4传输模块取代以往的串行通信模块,无线发送收集到的数据。

 利用IEEE 802.15.4构建不使用ncap的无线智能网络系统的物理协议。没有ncap,但在PC上执行ncap功能。换句话说,ncap是虚拟的,由PC组成。使用现场传感器组合1芯片微型计算机( 8051等)或DSP (数字信号处理器)构成stim模块,802.15. 4作为接口tii接口连接到虚拟ncap。

 传感器节点模块主要由现场的stim模块构成,stim主要由电子数据表单( ted s )、传感器接口、现场传感器、功能模块、tii接口以及stim的核心控制模块等构成。这里,使用微型计算机(例如单芯片微型计算机89 c 51 )作为stim模块核心控制器,IEEE 802.15. 4构成作为网络接口tii接口,在程序存储器rom中存储功能程序模块,将可编程EEPROM作为电子数据表存储单元,传感器是单芯片微型计算机与现场传感器连接的I/o端口。

 系统以PC为虚拟ncap模块,网络环境为总线网络环境,数字接口tidi为IEEE 802.15.4总线接口,stim模块通过无线直接连接到ncap。发送数据时,现场传感器可以通过信号调整电路和信号处理电路处理取入的数据后,通过无线接口发送到有线网络。接收数据时,ncap控制器检测总线上的数据并接收数据时,将对应的stim通道切换到场传感器的节点,实现场节点的数据收集参数的修正和动作控制。stim和ncap的基础(物理层和数据链接层)为802.15.4由物理层和数据链接层组成。1451接口协议负责应用程序层和基础之间的数据处理和转换。

都睿感控科技生产的无线网络传感器能够实现远程系统的检测检测并按需进行数据的处理和转换。

2.2无线智能传感器网络配置 

 无线传感器网络主要由发挥ncap功能的PC主机和无线传感器终端模块构成。传感器终端之间可相互访问,通过接入点与有线网络上的设备进行数据交换,或通过有线网络上的其他接入点与远程设备进行信息交换。在这种情况下,无线电是有金的扩张和补充,一般在希望频繁移动传感器的场所以及电缆密集而无法重新接线的场所使用。

 2个传感器确立无线链接时,一个设备作为主站工作,另一个作为从站工作。角色的分配在微微网络的形成时暂时决定。主站通常由开始通信的设备负责,主站可以交换作用。单个主站及其所有相邻从站都称为piconet,称为微微网。同步一个网络中的所有从属设置。这些从站能够维持与主站链接和通信,共享共同的传输路径,某个特定的基带模式,例如有源从站能够进入无呼吸模式或保持模式等低功耗模式。邻接区域中有未与主站连接的待机状态的设备,有时不是微微网络的一部分。

 传感器的微网间也可连接,形成多piconet结构。piconet除了slave和master之外,各slave节点之间也可以通信。在此,仅以单一的piconet为主构筑传感器网络。主节点是主网络主节点,实现信息的汇集处理功能,从属节点是传感器节点。考虑到各传感器节点相互独立,只有主节点完成信息整合,因此只实现主站点对多从站点的通信,形成一个星型拓扑。无线传感器网络整体的功能分为3层。最下层是各种各样的传感器单元,收集原来的信息。 中间是基于传感器智能模块的slave节点,负责对原始数据进行预处理(包括过滤、补偿、数字化等)和处理后数据的发送。最上层是基于一般PC或其他上位装置(例如嵌入式计算机)的主节点,进行光谱解析、模式识别、信息统合、判定决定等所有传感器的信息的上位级处理。在微微网络内,通过有线或无线中断扩大信号覆盖范围,改善网络拓扑也是可能的。

 3 .无线传感器网络实现的问题和分析

 (1)能源效率:首先,无线传感器网络与以往的WLAN和移动电话网等无线网络不同,除少数节点需要移动的情况外,大部分节点都停止运行。这通常是无线传感器网络的中心问题,设计有效的策略延长网络生命周期,因为它在人无法接近或危险的远程环境中运行,无法替代能源。这些改善包括物理层、数据链接层、网络层。物理层选择低功耗调制方式和硬件设计。接着,在MAC层和网络层之间添加中间层,使传感器处于休眠模式或省电模式,大幅度降低非通信时节点的耗电量。

  (2)路由和网络控制:在无线传感器网络的研究初期,认为成熟的互联网技术和ad hoc路由机构对于传感器网络的设计是足够的,但是深入研究的结果是,传感器网络与以往的网络是明显的。前者以数据中心为目的,后者以数据传送为目的。为了应对广泛的应用程序,在以往的网络设计中,基于端到端的边缘理论,强调了在网络的端系统上配置与所有功能相关的处理,中间节点只负责数据包的传输。传感器网络的情况下,这不一定是合理的选择。 专用网络设计的若干协议和算法可能不符合传感器网络的特性和应用要求。节点id (地址等)的作用在传感器网络中并不重要,因为应用程序不太在意单一节点上的信息。还需要与中间节点上的特定应用程序相关联的数据处理、整合和高速缓存。在具有密集性的传感器网络中,相邻节间的距离非常短,低功耗的多跳通信模式节约了功耗,同时提高了通信的隐秘性,长距离无线通信容易受到外部干扰的影响。


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