无线传感器网络节点的物理层设计_英文_钟子果

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Jour na l of Southeast U niversity (Eng lis h Edition) V o.l 22,N o .1,pp .21-25M ar .2006 I SSN 1003 7985

Physical layer design of wireless sensor net work nodes

Z hong Z iguo

Hu A iqun W ang D an

(D epart m ent o f R adio Eng ineer i ng ,So ut heast U n i ve rsit y,N an jing 210096,Ch i na )

Abstract :M ajor consi der ation di m ensi ons fo r the phy sical l ayer design of w irel ess sensor net w ork (W SN )

nodes is analyzed by co m paring differe nt w ireless co mm unication approaches ,di verse m ature sta ndar ds ,i m po rtant radi o frequency (RF )para m eters and various m icr ocontr o ller unit (M CU )so lutions .An i m p l e m entation of theW SN node is presente d w ith experi m ental r esults and a novel one processo rw o r ki ng at t w o frequenc i es energy sav i ng strategy .The lifeti m e esti m ation issue is anal yzed w ith consi derati on to t he peri odical listen required by co mm onW SN m edi a access contro l (M AC )a l gorith m s .It can be concluded that the startup ti m e of t he RF which deter m ines the best sleep ti m e rati o and t he shortest backoff sl o t ti m e ofM AC,the RF frequency and m odulati on m ethods w hic h deter m i nate the RX and TX curren,t and the overall energy consu m pti on of t he dual fr equency M CU SOC (syste m on chi p)are them o st essential factors for theW SN node phy si ca l layer design .K ey words :w ir e l ess senso r net w ork node ;phy si cal layer ;radi o f r equency ;e nergy consu m pti on ;node lifeti m e

Recei ved 2005-06-30.

F oundati on ite m:Th e National H i gh T echnology Res earc h and D eve -l opm en t Progra m of Ch i na (863Program )(No.2003AA 143040).B i ographi es :Z hong Z i guo (1981 ),m ale ,g raduat e ;H u A iqun (corres -pond i ng aut hor),m ale ,doct or ,profess or ,aqhu @s eu .edu .cn .

The w ireless senso r net w o r k (W SN )has been show n to be a prom isi n g prospect in vari o us applica -ti o ns .I n itia l researc h on W SN w as m a i n l y m o ti v ated

by m ilitary app lications :e .g .s m art dust [1]

funded by t h e D efense Advanced Research Pr o j e cts A gency (DARPA ).W ith the exp l o sive developm ent o f m i c ro electro -m echanica l syste m s (M E M S ),integ rated cir -cuits and w ire l e ss co mm un ications ,low co s,t l o w pow er consu m pti o n and ti n y size com ponen ts are off t h e shelf now.W SN has becom e m ore available in civ il applica -ti o ns :e .g .an i m a l obser va ti o n [2],g lacier m on ito ri n g [2],

nuclear pow er plantm on ito ri n g [3]

,etc .

The design of W SN nodes presents a big cha-l

lenge because o f the li m ited resources o f each node .A l o t of w ork has been done i n this area ,such as the M o te s fa m ily i n the s m art dust pro ject i n B er keley ,t h e P i c o Radio pro jec,t also i n B erke ley ,t h e i B adge in UCLA,M I T s PushPi n ,and W ise Ne t i n Sw itzerland .M assi v e deploy m ent o f the nodes requires the co st of each node to be as l o w as po ssible ;the i n conven ience of rep lac i n g the ba tteries and the re l a ti v e ly sl o w ly i m -proved battery techno logy advoca te m ini m al pow er consu m pti o n o r energy ex tracti n g techniques ;s m a ll size is a l w ay s a good advantage during deploy m en.t In the W SN,the co mm unication data ra te is usua lly no t an es -sentia l factor since W SN is deployed usua ll y no t fo r

da ta trans m issi o n but fo r event detecti n g .

I n this paper ,W SN node physica l layer desi g n consi d erati o ns are d iscussed in de tail and an i m ple m en -tation is presented fo ll o w ed by test results and analy sis o f the node s lifeti m e esti m ation.

1 D esign Consideration D i m ensions

W ithout doub,t a good W SN node desi g n needs no t only consi d er t h e physical l a yer ,but a lso other op -ti m ized design spaces [2]such as the opti m ized MAC layer a l g o rithm,the s m art r o ute strategy ,and t h e eff-i

c ient so ft w are sy ste m,etc .In this section ,w e w ill con -centrate on som e basic consideration

d i m ensions fo r th

e desi g n o

f the phy sica l layer .M assive m anufacture can settle the co st pr ob l e m;here energy is t h e m a j o r facto r .1 1 A rchitecture o f the node

Fig .1show s the syste m architecture o f a generic W SN node .

Fig .1 W S N node a rchitecture

The basic parts are com po sed o f fo ur entiti e s .The pow er supp l y and m anage m ent m ode,l usua ll y som e kind o f battery ,prov ides the nodes e lectrical ener g y .

The comm unicati o n block co m prises a w ir e less com-m un ication channe l i n the for m s o f radio,l a ser,i n fra-red,etc.The pr o cessi n g and contro l unit should at least i n clude a m i c rocontro ll e r,a storag e m e m o ry and t h e i n-terface to t h e sensor b l o ck.The l a st bl o ck is a group of sensors or o ther dev ice sw hich co llect the desir ed da ta. Since d ifferent applicati o ns e m p l o y diverse senso rs,th is paper w ill no t go further t h an the senso r par.t

1 2 Co mm un ication approaches

Fo r the W SN,acco rdi n g to s pec ific app lication scenes,lar g e quantities of nodesm igh t be dep l o y ed e-i ther i n doors or outdoors,e ither de liberate l y o r random-l y,either fixed or w ith m ob ility.Therefore,t h e w ire-less co mm un ication approaches used i n the W SN sho ul d m eet vari o us and even rough env ironm ents.

H ere,five comm on w ire l e ss approaches are listed and ana lyzed.

1)I nfrared

Infrar ed is w ide l y used i n re m o te contro l applica-ti o ns.The advan tages o f infrar ed ar e as fo ll o w s:the co st of the i n frared dev ices is ex tr e m ely l o w;no anten-na is needed,so a ti n y si z e o f the node can be ach ieved.The defects are as fo ll o w s:no t energy eff-i cient(a10m20 directiona l trans m itter consu m es about60mW);s hort co mm un ication range(usually less than1m o f t h e d iffused type and sev era lm eters of t h e directi o nal type);poo r ability o f trave ling r o und or pene trating t h e obstacles.I n su m,infrar ed is no t a good so l u tion fo r the W SN.

2)Laser(optica lm ethods)

The m erits of laser are as fo ll o w s:energy efficient because o f its extre m e l y focused energy;security due to no br o adcasti n g trans m ission;no antenna is needed;a s m a ll laser e m itter is also cheap.The sho rtco m i n gs are as fo ll o w s:li n e o f sight(LO S)is needed;the nodes m ust be carefully placed so tha t the laser bea m can be rece i v ed;it is sensi b le to at m o spheric cond itions.Due t o tho se sho rtco m i n gs,laser is no t attracti v e i n the W SN.

3)I nductive and capaciti v e coup ling

M o st passi v e RFI D sy ste m s use this approach.Its disadvantage is s m a ll w o r king distances,usuall y on l y about tens of centm i eters.TheW SN requires a co mm un-i cation range fro m severalm eters to hundreds of m eters.

4)Sound

Sound o r u ltra sound is typica lly used for comm u-n icati o n under w ater,but no t fo r m o stW SN s.

5)Radio frequency(RF)

The benefits o f RF are as fo llow s:o m n-i d irection

trans m issi o n w ith ab ility of diffracting o r pene trati n g the obstac les(NLO S);low er pow er consum ption t h an tha t o f infrared;re l a ti v ely long functi o n range(1~ 100m@0dBm).The b iggest challenge fo r RF is the antenna design.To op ti m ize the antenna g ain,the PCB antenna needs /4i n length fo r w h i p or stub shape( is the w ave leng th o f the carrier),w h ich adds to the size o f the node.The advan tage s o f RF have m ade it an ideal testing p l a tfo r m fo r the W SN.A ctually,m ost o f theW SN pro jects e m ployed the RF so lution.

1.3 Rad i o comm un i c ation so lution s

1)M ature sho rt d istance radio standards

W PAN(w ireless persona l area net w o rks,I EEE 802 15G roup)and W LAN(w ireless l o ca l area ne-t w o rks,I EEE802 11G ro up)are now aday s m ajo r sho rt range w ireless net w orks.The802 11series (802 11b/a/g,etc.)is developed for a w ire l e ss E ther net ,w hich do es no t take i n to consideration the energy but has a high data ra te(11to54M b it/s,con-sum ing m o re t h an1W i n acti v e m ode and m ore t h an 50mW[4]in pow er sav i n g m o de).Therefo re,the W LAN dev ices are no t su itab le fo r the W SN nodes. 802 15series inc l u des802 15 1/2(B l u e too th), 802 15 3(UW B),and802 15 4(Z igB ee).The UW B a i m s atm ulti m ed ia app lications and is no t ener-gy sav i n g.Som e pro jects did use B lue too t h to i m p l e-m en tW SN[5],but because of its sho rt range(about10 m)and lac k o f ex tre m e pow er efficiency(refer to the B luetoo th chip BRF6150in Tab.1),t h e B l u etoo th is a lso no t a re m ar kab l e so lution.Z i g B ee is regarded as the m o st suitable standard fo r the W SN.The P HY layer of Z igB ee is a l m o st suitab l e for W SN(no t the be st,see the Z igB ee ch i p s i n Tab.1).TheM AC lay er is no t energy effic ient enough fo r its trad itiona l

C S M A-CA a l g o rithm[6].

2)O ff the she lf com ponents

Lo ts o f SDR(sho rt d istance radio)chips are ava ilable today.T ab.1lists severa l m ar ket lead i n g chipsw it h their features.

3)RF dev ice consi d erations

There are m a i n l y five di m ensions needed to be considered to m ake a g ood cho ice for the RF par.t

①O peration frequency The W SN is expected to operate i n the433M H z/868MH z/2 4GH z/5GH z IS M bands.I n genera,l higher bands can prov i d e h igh-er data rates and a ll o w fo r s m a ller an tenna size,but a h i g her frequency needs a higher clock rate[7],w hich m eans h igher pow er consu m ption,and bring s g rea ter o scill a tor phase no ise[7],w hich reduces t h e recepti o n

22Zhong Z i g uo,H u A i q un,andW ang Dan

sensitiv ity.In T ab.1,the2 4GH z dev ice s generally consum e m ore pow er espec i a lly i n RX m ode,and w ith l o w er RX sensitiv ity.

②M odulation The m ore co m plex t h e m odula-ti o n is,the m o re pow er is needed.C onstant envelope m odulations t h at a ll o w high-efficient non li n ear P A s are favo red[7].There fo re,FSK is a good so l u tion fo r W SN s stri n gent low pow er require m en.t

③Startup ti m e W ith regar d to the M AC l a yer strategy,the node s inW SN w ill be i n a periodic listen and sleep cy cle[8]i n o r der to save pow er.A cco r d i n g to t h e research on ourM AC l a yer pr o to co,l w e conclude t h at t h e startup ti m e o f the com ponent play s an e ssen-tial ro l e in theW SN.Since t h e startup ti m e is the ti m e per i o d that t h e node needs to s w itch bet w een sl e ep state and active state,it deter m ines the best ti m e ra ti o o f sl e ep m ode i n the cyc le,the evok i n g ti m e needed for w aking up the neighbo ri n g nodes and t h e m i n i m a l ti m e slo t of t h e M AC backoff strateg y.

④S leep current The node in W SN w ill be i n sleep state m o st o f ti m e;therefo re,the sleep current is an i m po rtant para m e ter i n the design.

⑤RSS I(receive signa l streng t h indicato r) The RSSI si g nal is useful fo r fast carrier sense,w h ich is an i n d ispensable part i n the M AC backo ff a l g o rit h m.

Tab.1 R ad i o com ponen ts com parison

C o m ponen ts C C1010(8051+RF)CC2420(Z i gB ee)nRF24E1(8051+RF)BRF6150(B luet oo t h)M C13192(Z igB ee)TDA5250

Frequ ency/GH z0 3to12 42 42 42 40 868 M odulati on FSK O-Q PSK(D SSS)GFSK G FSK(F H SS)O-QPSK(D SSS)A SK/FSK Vo ltage/V2 7to3 62 1t o3 61 9t o3 61 7to3 62 0t o3 42 1to5 5 TX curren t/mA10 4(0dBm/433M H z)17 4(0dBm)13(0dBm)2530(0dBm)9 4(6dBm) R X cu rrent/mA9 1(433M H z)19 718(250K b it/s)37379(3V FSK) RX sensiti v it y/dBm-107@1 2K bit/s-94-90-85-92-109 Data rate/(K b it s-1)76 8(m ax)2501000(m ax)723 225064(m ax) Start up ti m e/ s250(RX)/270(TX)<192<200NA2 5 1041 2 104 S l eep curren t/ A0 2(RF on l y)12(8051+RF)252 59 RSS I Yes Y es N o NA N o Y es

1 4 Processing un its and sensor i n terfaces

The MC U i n aW SN node serves as bo t h the node contro ller and t h e da ta processor.H ere,the processi n g ab ility of the M C U is not an acute issue,but since the M C U should never be turned off(m ost o f the ti m e in-i dle m ode),it occupies a b i g part i n po w er consum p-ti o n.Thus,the pow er consum ption i n idle sta te is an i m portant para m eter for the cho ice o fMCU.On t h e oth-er hand,the cos,t the pow er and the size li m itations of t h e node argue that theMCU can on ly be an8b it or16 bit lo w-end m icroprocessor SOC so l u tion:the MCU chip i n tegrates the code and data m e m ories,the ADC con-verters and UART/SPI/GPI O i n terfaces.

There is ano t h er recently appeari n g so l u ti o n:the MCU e mbedded in the RF c h ips such as CC1010, nRF9E5,nRF24E1,etc.Co m pared w ith the traditi o na l so l u ti o n of MC U connecting w ith an RF ch i p,t h e ad-vantages of th is integrati o n are as fo ll o w s:better syste m reliab ility due to fe w er chips and fe w er i n ter-ch i p con-nections;l o w er po w er consum ption for i n ner ch i p data transfer and shared clock oscillati o n parts;s m aller PCB size.T ab.2lists the co m parisons of so m e practica l MCU so l u ti o ns.

Tab.2 M CU com paris on s

M CU A T m ega16L(8bit)P89LPC912(8b i t)M SP430F147(16b it)CC1010(8051core)nRF24E1(8051core) M axi m u m perfor m ance8M IPS@8M H z9M I PS@18M Hz8M I PS@8M Hz5M IPS@24MH z5M IPS@20M Hz Fl as h/EEP ROM/RA M16K B/512B/1K B1KB/0/128B32K B+256B/0/1KB32KB/0/2K B+128B0/0/4KB+256B AD C8channe,l10bit C o m parator12bit AD C,comparator3channe,l10bit9channe,l10b it

I O P WM,UART,SPI,IIC,G PI O P WM,UART,SPI,G PI O U SAR T,SPI,G PI O P W M,U ART,SPI,G PI O P WM,UA RT,GPI O

V oltage/V2 7t o5 52 4t o3 31 8t o3 62 7t o3 61 9to3 6

Curre nt(active/i d l e)3 8mA/1 2mA@4MHz,3V

1 1mA/0 35mA@1MH z,3V

7mA/1 5mA@12MHz,3 6V

4mA/1mA@7 373MHz,3 6V

280 A/1 6 A

@1MHz,2 6V

14 8mA/12 8mA@14 7456MHz

1 3mA/29 4 A@32K Hz

3mA/2 A

@16MHz,3V

1 5 Po w er supply and m anage m en t issues

The po w er supply block consists o f a battery and re lative circuits.B atteries can be d i v i d ed into t w o clas-ses:non-rechargeable and rechargeable.I n genera,l the non-rechargeab le has higher energy density and l o w er cos.t Itm ay be possi b le to ex tend the lifeti m e of a sen-sor node by extracti n g energy fro m the env ironm en,t for i n stance,so lar li g h,t v i b rations,RF,etc.But the high cost of these tec hniques h i n ders the i m ple m entati o n.

Po w er m anage m ent strateg ies are consi d ered i n

23

Physica l layer desi g n ofw ireless sensor net w or k nodes

pr i o r research[7,9,10].A lthough it is usually acco m-plished by the app licati o n layer,there are also som e m ethods i n the physical layer to reduce po w er con-sum ption.I n Re fs.[9,10],dual processor solutions are suggested for po w er sav i n g because the pow er consum p-ti o n of the m icr opr ocessor is in d irect proporti o n to the frequency at w hich it w orks.One high frequency pro-cessor,wh ich serves for the RF m ode,l can be in sleep m ode w hen t h ere is no data to transfer;one lo w fre-quency processor contro ls the node and does so m e data processi n g.H o w ever,this design results in several proble m s:the cost o f the node ascends;the reliab ility of t h e node descends;the size o f the node PCB i n crea-ses.There are so m e dev ices such as CC1010t h at can use t w o crystal clock inputs(one is32kH z,and the other m ay be3MH z),and w e can m ake the node w ith on l y one M C U but w or k at t w o different c l o ck frequen-cies so as to ach i e ve the sa m e results as usi n g dual pro-cessors.One processor work i n g at t w o frequenc ies i s a m uch better solution than dua l processors.

2 A n I m p le m entation of the W S N N odes

2 1 So l u tion and desi g n

Accordi n g to the consi d erati o ns m entioned above, to m ini m ize po w er consu m ption,node size and node cos,t and to guarantee the re li a b ility o f t h e device,w e prefer an SOC so l u tion.For the frequency band,433/868 MH z i s chosen.It is best that there is no hardware or fir m w are MAC layer in the chip so that our o w n MAC and route pr otoco ls later can be dep l o yed on t h isW SN node p latf o r m.So,the Z i g Bee dev ices are deserted and t h e ex istence of RSSI signa l and short startup ti m e are requ ired.F i n ally w e acco mp lished our prototype W SN node(see Fig.2)usi n g CC1010.The node i n tegrated a co m pact PCB antenna,a te mperature sensor,and a DC-DC converter.The RF part o f CC1010was configured to w or k at868.277MH z

.

Fig.2 W S N node

2 2 Experi m enta l results

W e conducted a node to node open air LOS data transfer test on Nove mber20th,2005.The resu ltsw ere the re li a ble co mmun icati o n d istances bet w een t w o nodes,wh ich are sho w n in Tab.3.

Tab.3 Po i nt t o po i nt comm un ica ti on rang e(LO S) m Data rate/(b it s-1)

RF pow er/dBm

-20-100

19200253646

9600333749

2400474858

600484981

3 L ifeti m e Esti m ation

There are four w or k i n g states o f each node and the pow er consum pti o ns of each state are listed in Tab.4. The ti m e rati o in Tab.4m eans the assum ed ti m e per-cent of each state.W e took into consi d eration the per-i odic listen and sleep cycles[8]requ ired by the MAC layer a l g orithm,so state3o w ns a ti m e ratio as h i g h as 5%and1%.The lifeti m e T lifeti m e can be esti m ated as

T lifeti m e=

C

battery

I average

(1)

I aver age= 4i=1P i I i(2) where C battery is the capac ity of the battery(mA h), I average is the average current consumpti o n(mA),P i is the ti m e rati o i n t h e state i,and I i is the current con-sumpti o n i n the state i.

Tab.4 F our states o f t he node w ith the pow er co nsu m pti on o f each state(868 277M H z)

M CU R F S t at e C urrent/

mA

Ti m e rat i o

A/%

T i m e rat i o

B/%

I avar age/mA Lifeti m e/h

Id l e(29 4 A@32k H z)Pow er dow n(0 2 A)1S l eep0 029693 598 80.906286(CR2330) A cti ve(3 7mA@3 686M H z)Pow er dow n(0 2 A)2D ata process3 710 1(rati o A)1434(CR123A) A cti ve(3 7mA@3 686M H z)RX(11 9mA)3RX15 6510.2011427(CR2330) A cti ve(3 7mA@3 686M H z)TX(8 6mA@-20dBm)4TX12 30 50 1(rati o B)7138(CR123A)

As sho wn in Tab.4,t h e lifetm i e was calculated based on t w o types of batteries(C R2330L-i Mn co i n ba-t tery:260mA h,m ax3mA conti n uous curre n;t CR123A L-i M n co l u mn battery:1300mA h,m ax1A conti n uous cur-rent)a nd under d iffer ent state tm i e rati o s.Fr o m the life-tm i e estm i ation,w e can confir m that the m ost essential design factors for po wer sav i n g are as follo ws:the RF star-tup tm i e,which decides wh i c h tm i e ratio can be achieved by the MAC algorith m;the RX current(i n c l u di n g MC U acti v e current),si n ce t h e node has to li s ten to the med i a

24Zhong Z i g uo,H u A i q un,andW ang Dan

periodica lly;and the sleep curren,t which occupies the bi g gest tm i e par.t

The lifeti m e eval u ation i n Re.f[9]is prob le m atic for its lack o f consi d eri n g the node s period ica l RX state.The m u lt-i hop feature of the W SN requ ires that t h e node shou l d act as both a data source and a ne-t w ork router,so each node shou l d period ica lly listen to t h e m edia prepar i n g for data re lay.Th is err or in R e.f [9]leads to t h e m uch longer butm istaken esti m ated l-i feti m e(13 1years).

4 Conclusion

In th i s paper,the basi c d i m ensi o ns for the W SN node physica l layer desi g n are discussed,and an i m ple-m entation is presented together w ith t h e test results and life ti m e eva l u ation ana l y sis.

To m eet the ener gy,size and cost design challen-ges,every aspect o f the node syste m shou l d be caref u ll y considered.For t h e physical layer,the startup ti m e of t h e RF wh ich dec i d es the best sleep ti m e ratio and the shortest backoff slot ti m e o fMAC can be ach ieved.The RF frequency and m odulation m ethods wh ich deter m-i nate the RX and TX c urren,t the dua lwork i n g frequen-cy M C U SOC w hich contri b utes to the reliab ility and o-vera ll energy consum ptions,are t h e t h ree m ost essential facto rs for th is cha llenge.

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w o rk syste m s[C]//AP SEC 04.Busan,K o rea,2004:703

710.

无线传感器网络节点的物理层设计

钟子果 胡爱群 王 丹

(东南大学无线电工程系,南京210096)

摘要:比较和分析了无线传感器网络节点物理层设计的各种无线通信技术、现有的成熟标准、重要的射频参数以及不同的处理器方案,对节点物理层设计的各个主要方面进行了较为全面的研究.介绍了无线传感器网络节点的一种实现,给出了相关的测试数据以及一种 单处理器双工作频率 的新节能策略.分析了符合传感器网络MAC算法中节点周期性侦听要求的节点寿命估算问题.指出无线传感器网络节点物理层设计的关键考虑因素为:RF启动时间(决定M AC协议可以实现的最佳节点睡眠时间比例和最小的退避时间颗粒)、RF载波频率和调制方式(决定射频收发功耗)以及处理器工作在2个频率的片上系统的总体功耗.

关键词:无线传感器网络节点;物理层;无线电射频;能耗;节点寿命

中图分类号:TN9225

Physica l layer desi g n ofw ireless sensor net w or k nodes

智能家居系统中无线传感器网络的设计

智能家居系统中无线传感器网络的设计 智能家居系统中无线传感器网络的设计 随着时代的发展,人们将更多的注意力放在了生活环境的安全性、舒适性和便利性上,从而 出现了智能家居的概念。智能家居控制系统使人们可以对家居内的任意电器进行数字化控制,利用计算机技术、网络通讯技术将与家居生活有关的各种设备有机地结合在一起,进行集中管理,让家居生活更加舒适、安全、有效。本文以ZigBee技术对智能家居内部进行无线网络组网,通 过ZigBee无线传感器网络节点的设计,实现节点对各种传感器信息的采集、传输和控制功能。1Zigbee技术ZigBee技术是一种强调极低耗电、极低成本的短距离无线网络技术,遵循IEEE802.15.4标准。它专注于低速率传输控制,网络容量大,时延短,提供数据完整性检查, 加密算法采用AES-128,网络扩充性强,有效覆盖范围为10~75m,具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定,基本上能够覆盖普通的家庭环境,通信频率采用2.4GHz 免执照频段。ZigBee是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的,有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。IEEE802.15.4仅定义了MAC层和物理层协议,而ZigBee联盟则对其网络层和应用层进行了标准化。ZigBee联盟还开发了安全层,以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识,而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。2系统结构设计无线传感器网络系统主要由传感器、CC2430无线模块构成,结构图。 无线传感器网络采用树状结构,网络中有一个协调器,负责整个网络中数据的处理、转发以及网络的管理。终端节点(传感器节点)上电复位后,会搜索协调器节点,当能够搜索到协调器时,直接申请加入网络。当终端节点搜索不到协调器时,这时就会通过路由器节点找到协调器来加入网络。加入网络后保持待机状态,当有数据需要发送时,按照组网时的路径来收发数据信息。协调器通过串口与PC机相连,利用超级终端实现发送命令或者显示数据。3硬件电路设计本文设计的无线传感器网络系统的硬件结构主要由协调器模块,路由器模块,传感器模块,串口转换模块,供电模块以及PC机等组成。其中协调器、路由器、传感器3个模块作为主要的无线通信模块,由主控芯片CC2430作为数据处理以及无线收发器。其系统硬件电路结构示意图。3.1主控芯片选用CC2430芯片作为无线收发器和数据处理及控制器。CC2430在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器。它采用增强型8051MCU、32/64/128kB 闪存、8kBSRAM等高性能模块,还包含模拟数字转换器、几个定时器、AES-128协同处理器、看门狗定时器。32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚。3.2无线模块设计1)协调器模块协调器节点由电压转换模块、按键模块、LCD模块、LED指示灯、时钟、处理器CC2430、天线等部分组成。CC2430的工作电压为3~3.3V,所以要用电压转换模块把电压从5V降低到3.3V左右;LED指示灯用来显示协调器节点网络状态信息(如是否组网成功);LCD模块是用户和传感器网络的交互界面,用来显示功最长能菜单,用户通过按键来选择功能菜单。其电路图。 2)传感器模块与路由器模块传感器模块亦即是终端节点模块,由传感器、处理器CC2430、天线、LED指示灯、时钟等部分组成。LED指示灯由P1.0、P1.1口控制。传感器模块就是在协调器模块的基础上去掉了LCD,而加入了传感器。传感器选用了DHT11温湿度传感器,与P0.0口相连,来负责数据采集。路由器模块与传感器模块的硬件电路相同,只是在编程实现功能上有所不同。4无线网络系统软件设计在ZigBee网络中,只有那些可以成为ZigBee协调器的设备才能建立新网络。协调器首先执行信道扫描,如果发现了一个合适的

无线传感器网络论文中英文资料对照外文翻译

中英文资料对照外文翻译 基于网络共享的无线传感网络设计 摘要:无线传感器网络是近年来的一种新兴发展技术,它在环境监测、农业和公众健康等方面有着广泛的应用。在发展中国家,无线传感器网络技术是一种常用的技术模型。由于无线传感网络的在线监测和高效率的网络传送,使其具有很大的发展前景,然而无线传感网络的发展仍然面临着很大的挑战。其主要挑战包括传感器的可携性、快速性。我们首先讨论了传感器网络的可行性然后描述在解决各种技术性挑战时传感器应产生的便携性。我们还讨论了关于孟加拉国和加利 尼亚州基于无线传感网络的水质的开发和监测。 关键词:无线传感网络、在线监测 1.简介 无线传感器网络,是计算机设备和传感器之间的桥梁,在公共卫生、环境和农业等领域发挥着巨大的作用。一个单一的设备应该有一个处理器,一个无线电和多个传感器。当这些设备在一个领域部署时,传感装置测量这一领域的特殊环境。然后将监测到的数据通过无线电进行传输,再由计算机进行数据分析。这样,无线传感器网络可以对环境中各种变化进行详细的观察。无线传感器网络是能够测量各种现象如在水中的污染物含量,水灌溉流量。比如,最近发生的污染涌流进中国松花江,而松花江又是饮用水的主要来源。通过测定水流量和速度,通过传感器对江水进行实时监测,就能够确定污染桶的数量和流动方向。 不幸的是,人们只是在资源相对丰富这个条件下做文章,无线传感器网络的潜力在很大程度上仍未开发,费用对无线传感器网络是几个主要障碍之一,阻止了其更广阔的发展前景。许多无线传感器网络组件正在趋于便宜化(例如有关计算能力的组件),而传感器本身仍是最昂贵的。正如在在文献[5]中所指出的,成功的技术依赖于

无线传感器网络的特点

无线传感器网络的特点 大规模网络 为了获取精确信息,在监测区域通常部署大量传感器节点,传感器节点数量可能达到成千上万,甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义:一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内,如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测,需要部署大量的传感器节点;另一方面,传感器节点部署很密集,在一个面积不是很大的空间内,密集部署了大量的传感器节点。 传感器网络的大规模性具有如下优点:通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比;通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度,降低对单个节点传感器的精度要求;大量冗余节点的存在,使得系统具有很强的容错性能;大量节点能够增大覆盖的监测区域,减少洞穴或者盲区。 自组织网络在 传感器网络应用中,通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定,节点之间的相互邻居关系预先也不知道,如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中,或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力,能够自动进行配置和管理,通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传

感器网络使用过程中,部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效,也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中,这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少,

从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变:①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效;②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化,甚至时断时通;③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性;④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化,具有动态的系统可重构性。 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域,传感器节点可能工作在露天环境中,遭受太阳的暴晒或风吹雨淋,甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署,如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固,不易损坏,适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大,不可能人工“照顾每个传感器节点,网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要,要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此,传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。

无线传感器网络系统的设计思路

无线传感器网络系统的设计思路 一、无线传感器网络技术应用广泛,百花齐放 无线传感器和传感器网络,是具有非常广泛的市场前景,将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响的新技术。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时,更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术,《商业周刊》预测的未来四大新技术中,无线传感器网络也列入其中。 无线传感器网络有着十分广泛的应用前景,在工业、农业、军事、环境、医疗,数字家庭,绿色节能,智慧交通等传统和新兴领域有具有巨大的运用价值,无线传感器网络将无处不在,将完全融入我们的生活。图一是无线传感器应用示意。 由于无线传感器和无线传感器网络巨大的市场和应用前景,所以目前全世界许多公司都推出了各自的无线传感器网络。这些技术百花齐放,各有千秋,但是这些技术之间,几乎不能相互兼容和互通。 目前正在开发中的各种无线传感器技术,从这个图我们可以看到,不同的无线传感器网络,最终都是希望实现和互联网的通讯,这可能是这些传感器网络最终交汇的通道。 二、如何选择合适的无线传感器技术 无线传感器网络系统的基本架构包括三部分,第一部分是无线收发芯片,其职责是将数字信息转换为高频无线信号传送出去和将接收到的高频无线信号恢复成数字信息。无线传感器收发芯片而言,IEEE 802.15.4能为无线传感器应用提供最佳方案,这是因为IEEE 802.15.4规范可能是主要且可能唯一的实用标准。目前全球有多家公司提供这方面的收发芯片。像TI 公司的CC2420/CC2520等芯片都特别适用于钮扣电池和低电能应用的低功耗特性。 实现一个典型的无线传感器网络节点和路由器,可以采用多芯片方案,,由一个无线收发芯片和一个微控制器(单片机)组成,微处理器可以采用低功耗的MSP430,无线芯片可以采用CC2520/CC2420等。 随着技术不断发展,已经有越来越多的公司,将无线收发器芯片和微控制器和无线收发器做成了一个片上系统(SoC),例如TI公司采用8051内核的CC2430/CC2431等ZigBee无线单片机,随着无线传感器网络对计算能力提高要求,最近Freescale公司也推出了ARM内核的32位ZigBee无线单片机。使用这些SoC无线单片机设计无线传感器网络,将使无线传感器节点具有更小的体积,更低的功耗和更低的价格;TI公司在国内的技术合作伙伴无线龙科技公司等,也同时提供这些芯片,开发工具的相关技术支持。 无线传感器网络构架第二部分是运行于单片机或者无线单片机内部的嵌入式软件,也称软件协议栈(network stack),网络堆栈有两个职责。首先它必须要处理节点间的无线链接通信质量的频繁变化和环境因数对无线通讯造成的干扰,具有对网络自组织,自恢复的能力;网络堆栈的第二个职能是要具有很强的路由算法能力,确保信息可靠高效地通过各种网络拓扑(星状/网状等等)从源节点(如果现有,可以通过成百上千路由节点)发送到目标节点。确保通讯的实时性要求。 ZigBee联盟是由众多技术供应商和开发商组成的独立标准组织。也是目前世界是最大的,基于IEEE 802.15.4平台的网络软件协议栈标准提供联盟。 该组织从ZigBee2004、ZigBee2006、ZigBee2007不断发展,目前提供的两个网络栈是:ZigBee和ZigBee PRO。从使用角度看ZigBee堆栈很适合一般包含十到几百个节点的小型网络。而ZigBee PRO是ZigBee超集,它增加了一些功能,可对网络进行扩展并更好地应对来自其他技术的无线干扰,而且可以适应更大型的网络和具有更加可靠的路由通讯算法和无线通讯可靠性。 无线传感器网络构架第三部分应用软件,这部分包括各种根据用户现有开发的软件代码,

无线传感器网络课后习题答案.doc

1-2.什么是无线传感器网络? 无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息,并报告给用户。 1-4.图示说明无线传感器网络的系统架构。 1-5.传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别是什么? (1)传感模块(传感器、数模转换)、计算模块、通信模块、存储模块电源模块和嵌入式软件系统 (2)传感模块负责探测目标的物理特征和现象,计算模块负责处理数据和系统管理,存储模块负责存放程序和数据,通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。另外,电源模块负责结点供电,结点由嵌入式软件系统支撑,运行网络的五层协议。 1-8.传感器网络的体系结构包括哪些部分?各部分的功能分别是什么? (1)网络通信协议:类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系。它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。 (2)网络管理平台:主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理。包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。 (3)应用支撑平台:建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。包括一系列基于监测任务的应用层软件,通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。 1-9.传感器网络的结构有哪些类型?分别说明各种网络结构的特征及优缺点。 (1)根据结点数目的多少,传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。如果网络的规模较小,一般采用平面结构;如果网络规模很大,则必须采用分级网络结构。 (2)平面结构: 特征:平面结构的网络比较简单,所有结点的地位平等,所以又可以称为对等式结构。

无线传感器网络概述

无线传感器网络概述 1科技发展的脚步越来越快,人类已经置身于信息时代,作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术,得到了极大的发展。 2目前无线网络可分为两种:一种是有基础设施的网络,需要固定基站,例如我们使用的手机,属于无线蜂窝网,它就需要高大的天线和大功率基站来支持,基站就是最重要的基础设施;另外,使用无线网卡上网的无线局域网,由于采用了接入点这种固定设备,也属于有基础设施网。 另一类是无基础设施网,又称为无线Ad hoc网络,节点是分布式的,没有专门的固定基站。 无线Ad hoc网络又可分为两类: 一类是移动Ad hoc网络(Mobile Ad hoc Network,简称MANET),它的终端是快速移动的。一个典型的例子是美军101空降师装备的Ad hoc网络通信设备,保证在远程空投到一个陌生地点之后,在高度机动的装备车辆上仍然能够实现各种通信业务,而无需借助外部设施的支援。另一类就是我们讲的无线传感器网络,它的节点是静止的或者移动很慢。 3传感器网络的标准定义是这样的: 传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络,其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息,并报告给用户。它的英文是Wireless Sensor Network, 简称WSN。 如图所示,大量的传感器节点将探测数据,通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。 在这个定义中,传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能,而这正对应着现代信息技术的三大基础技术,即传感器技术、计算机技术和通信技术。 4它们分别构成了信息系统的“感官”、“大脑”和“神经”三个部分。因此说,无线传感器网络正是这三种技术的结合,可以构成一个独立的现代信息系统。 5第一阶段:最早可以追溯二十世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量,这条道路是胡志明部队向南方游击队源源不断输送物资的秘密通道,美军曾经绞尽脑汁动用航空兵狂轰滥炸,但效果不大。后来,美军投放了2万多个“热带树”传感器。所谓“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统,它由飞机投放,落地后插入泥土中,只露出伪装成树枝的无线电天线,因而被称为“热带树”。只要对方车队经过,传感器探测出目标产生的震动和声响信息,自动发送到指挥中心,美机立即展开追杀,总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。 这种早期使用的传感器系统的特征在于传感器节点只产生探测数据流,没有计算能力,并且相互之间不能通信。 6第二阶段是二十世纪80年代至90年代之间。 主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。因此在1999年,商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。 7第三阶段:21世纪开始至今。也就是本课开始介绍的911事件发生之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。 除了应用于情报部门反恐活动以外,在其它领域更是获得了很好的应用,所以2002年美国国家重点实验室--橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。 由于无线传感网在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络,2003年美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术,传感器网络被列为第一。 在现代意义上的无线传感网研究及其应用方面,我国与发达国家几乎同步启动,它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。在2006年我国发布的《国家中长期科学

无线传感器网络课程设计报告

无线传感器网络 课程设计报告 (2018-2019学年第一学期) 题目安全的无线传感器网络数据传输系统的设计指导老师 班级

目录1需求分析 2传感器网络概述 2.1传感器网络体系结构 2.2传感器网络协议栈 3数据传输方式 4设计 4.1主要数据结构 4.2 课程设计的条件 5测试 6使用说明 6.1应用程序功能的详细说明 6.2应用程序运行环境要求 6.3输入数据类型、格式和内容限制 6.4各模块程序段说明 7总结提高 7.1课程设计总结 7.2课程设计评价

1 需求分析 1.1 功能与技术需求 随着信息时代的逐渐来临,物联网的建设也越来越完善,为信息的存储和传输提供了完善的路径,而无线传感网是物联网的重要组成部分,它的建设成为物联网建设的关键。无线传感器网络是由大量微型传感器节点以自组织和多跳的方式构成的网络。它具有资源非常受限、无线通信链路质量不稳定和网络拓扑动态变化等诸多显著特点,与现有的互联网和其它无线网络存在较大差别,向可靠数据传输提出新的挑战和要求。在数据传输可靠性保障方面,采用了加密算法保证在传输过程中的安全性。 2 传感器网络概述 2.1传感器网络体系结构 典型的传感器网络结构包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。随即部署在监测区域内的大量传感器节点通过自组织方式构成网络。传感器节点的监测数据沿着其他节点逐跳传输,监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后被路由到汇聚节点,最后通过互联网或者卫星到达管理节点和用户。管理节点对传感器网络进行配置和管理。传感器网络体系结构如图所示

2.2传感器网络协议栈 与互联网协议栈(TCP/IP)的五层相对应,传感器网络协议栈包括:物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。另外协议栈还包括时间同步、节点定位、网络管理、QoS保障、移动管理、任务管理、能量管理和安全机制等。物理层提供信号调制、无线收发和相应的密码服务:数据链路层负责信道接入、拓扑生成、差错控制、介质访何控制、数据成帧以及数据帧监测等;网络层主要负责路由生成,路由选择和拓扑管理等;传输层负责数据流的传输控制,网络的协同工作等:时间同步、节点定位、网络管理、QoS 保障、移动管理、任务管理、能量管理和安全机制等通常跨越多个网络协议栈层次

无线传感器网络节点硬件

1 系统结构概述 本文设计的WSN硬件平台,由若干传感器节点,具有无线接收功能的汇聚节点,以及一台PC机组成。 根据无线传感器网络的应用需求以及功能要求,节点的设计主要包括如下几个基本部分:传感器单元、处理器单元、A/D单元、射频单元、供电单元以及扩展接口单元。节点的硬件体系结构框架如图1-1 所示。 图1-1 传感器单元负责对所关心的物理量进行测量并采集数据,提供给处理器单元进行处理;处理器单元负责数据处理及控制整个节点的正常工作;射频天线单元负责与其他节点进行无线通信,交换控制信息和相关数据;供电单元负责为节点提供运行所需的能量;扩展接口可以实现节点平台的功能拓展,以适应不同的应用需求。 2 节点核心模块设计: 2-1电源模块设计: 电源是设计中的关键部分,电源稳定工作是整个节点正常工作的保证,设计合理的电源电路至关重要。节点包含模拟器件和数字器件,模拟器件的抗干扰能力较差,且数字器件常常为模拟器件的噪声源,故为了 图2-1-1 提高电路的抗干扰能力,模拟器件接模拟地并采用数字地与模拟地单点共地。电源可选用电池或干电池,电源芯片可选用XC6209、XC6221系列的LDO电源芯片,分别提供3.3V和1.8V的数字与模拟电压,电路如图2-1-1所示。 2-2传感器 模块设计: 温度传感器设 计:本设计采用 LM75DM-33R2串行 可编程温度传感 器,这种传感器在 环境温度超出用户 变成设置时通知主 控制器。滞后也是 可以编程解决。它 采用2线总线方式,允许读入当前温度,并可配置器件。它是数字型温度传感器,直接从

寄存器读出温度参数,并可实现编程设置INT/CMPTR输出极性。 图2-2-1是其功能图,因为设计中只是简单的监测环境的温度,故只需一片 LM75,所以地址线A0、A1、A2置地,INT/CMPTR悬空,设计的接口电路如图2-2-2所示。 图2-2-1 图2-2-2 因为cc2431本身带有A/D模块,也可采用温度传感器AD590测量温度,其接口电路如图2-2-3。

一种基于无线传感器网络的生理信号采集系统_英文_

Journal of Southeast U niversity (Eng lish Edition) V o.l 26,N o .1,pp .73-77M ar .2010 I SSN 1003 7985 Physiological signal acquisition syste m based on w ireless sensor net works Q iuW enjiao Zhang Y ongkui (K ey L abo ra t o ry o f Ch ild D eve l opm ent and L earn i ng Sc ience o fM i n istry o f Education ,Southea st U n i v ersity ,N anji ng 210096,Ch i na) Abstr act :B ase d on w ireless sensor net w orks ,a physi o l ogical si gnal acquisiti on syste m is pr oposed .The syste m is use d i n classroo m education in order t o understand t he physi o l ogical c hanges i n t he students .I n t he s y ste m,the biolog i cal electrical si gnal relate d to student atte n ti on a nd e m oti on states ca n be m easur ed by electrocar d i ogr aphy signals .The b i oel ectri cal signal is digitali zed at a 200H z s a m p ling rate and is tra n s m itted by t he Z ig B ee protoc o.l S i m u lta neously ,t he B l uet ooth technology is als o e m be dde d i n the nodes so as to m eet the high sa m pli ng rate a nd the high ba nd w i d t h tra n s m issi on .The syste m can i m p l e m ent them on it o ri ng tas k s for 30students ,and t he experi m ental resu lts of usi ng t he syste m i n t he cl assroo m are propose d .Finall y ,t he a pplicati ons of w irel ess se n s or net w orks used in e ducati on is als o d iscussed .K ey w or ds :w ir eless sensor net w or k ;physi o l ogical si gna;l e du cati on Recei ved 2009 07 20.Biographies :Q i u W en ji ao (1969 ),m ale ,graduate ;Zh ang Y on gku i (corres ponding au t ho r),m ale ,do ctor ,ass ociat e pro fess or ,yzhangb @s https://www.360docs.net/doc/963147917.html, .cn . Foundati on ite m:The N ati ona lNatural S ci en ce Foundation of Ch i na(No.60775057). C itati on :Q iu W en ji ao,Zh ang Y on gku.i Phy si o l og i ca l signa l acqu isition s y st e m based on w i rel ess sen s or net w ork s[J].J ournal o f SoutheastU niver sit y (E ngli sh Ed iti on ),2010,26(1):73 77. A lthough the attent i on state and e mot i ona l state of stude n ts dur i ng the lear n i ng process belong to the psyc holog ica l do m a i n,it can be i ndirectly m easured by physi o l og i cal signals ,suc h as e lectr ocard i ography si gnals and pulse signals .Students and teachers m ental states of attention and e mo ti on in the classroo m m ay be chang i ng dur i ng teach i ng progress ,wh ich can physi o l og i cally acti vate the sy m pathetic and parasy mpathetic division o f the autono m ic nervous syste m (AN S )[1 2] .T hese m easurable physi o l og i cal signals can be recorded for the analyses of psyc holog ica l ar ousal of social re w ar ds and punish m ents ,such as posit i ve feedbac k by the teacher s praises or higher exa m i nat i on grades ,even the a mount of a scholarship ,al though the arousal of the autono m ic nervous syste m reac t i ons m ay be a co m plex i ndirect relationship to e m o t i on [3 4] .Interact i ons bet w een states of the autono m ic nerv ous syste m and cognit i ve perfor m ance have a long trad ition of being a top ic of psycho log ical research .C lassic concepts fro m mo tivat i onal psycho logy have suggested an i nverted u shaped association bet w een unspec ific activat i on and m en tal funct i oning [5 6] .A ccor d i ng to this ,the best funct i onal condit i ons are expected atm idrange arousa,l and both over ar ousa l and under arousal are acco m panied by declines in perf or m ance .Cardiovasc u lar psychophysiology has also contributed to this li ne of research ,the respective models re l at i ng changes in card i ovascular act i v ity to facilitation, i nh i b it i on of i nfor m ation processi ng [7] or ener get icm ob iliza t i on o f the organis m when faced w ith a situat i on requ iri ng behav i oral ad j ust m ent [8] .H o w ever ,although this certai n ly const itutes a benefic i a l appr oach ,e m p irical work i n th is f i e l d re m a i ns re lati vely sparse [9] .Both the sy m pathetic syste m and the parasy mpathetic syste m contri bute to cardi ovascular regulat i on [10] .Sy mpathetic i n fl uences are trans m itted through efferent fibres to the si nus node ,the m yo cardiu m and the vascularm usc u lature ,and their activati on leads to an i ncrease i n heart rate ,cardiac contract ility and vascular tone .Parasy mpathetic i nfl ue nces arew i de l y ,but not co mpletely ,restri cted to the m odulat i on of heart rate through i nhibiting sinus node act i v ity .I n addition ,the cardiac baroreflex is involved .I n th i s negative feedbac k loop ,c han ges i n the act i vity of the arterial baroreceptors due to fl uctua tions i n b l ood pressure are responded w ith co m pensatory changes i n heart rate and contract ility .A co mplex net work of brai n ste m un its subserve cardi ovascular autono m ic contro,l e .g .,the nucleus of the so litar y tract(NT S),the dorsalm otor nucle us(DMN ),the nucleus a mbiguous(NA )and the rostral ventrolateral medulla(RVL M )[11] .B ilateral direct and i ndi rect c onnecti ons ex ist bet w een this net work and cortical areas ,which for m an m i portant li nk bet wee n cardi ovascular regulation and cogn ition [12-13] .The present study am i s at in vest i gat i ng relationsh i ps a mong features of sy m pathetic ,para sy mpathetic and bar oreflex car d i ovascular control and atten tional perfor mance . To collect these physi ca l and mental states data i n real tm i e and objectivel y ,a hybrid w ireless sensor net w ork is desi gned as the subjects of a teac her and st ude nts are mob ile .For m edical and ho m e usage ,li ce nse free IS M (i ndustr y ,sci ence ,m edical)radio frequency(RF )o f 2 4G H z Z i gBee w ire l ess sensor node technology is usef u l [14 18] . 1 Syste m D escripti o n A s a secondary ai m ,the study i nvestigates i nter i nd i v i d ual differences i n task i nduced cardiovascular m odula t i ons .Porges [19] postulated an associat i on bet w een resti ng cardiac vagal tone and the ex tent o f card i ovascular react i v i ty .Th is is consistent w ith stud i es that have revealed m ore pronounced heart rate responses to var i ous st i m u li i n chil dren and adults w ith higher baseline heart rate variabili ty [19 21].Cardiovascular reacti v ity to cogniti ve de m a nds m ay also rel ate to task perfor m ance .Duschek [22] found a positive correlat i on bet wee n systo lic and diastolic b l ood pressure in creases duri ng the executi on o f five attenti on tasks a nd the perfor mance on each o f the m.I n i nfants ,greater decreases of RS A duri ng m ental testing are related to higher f unct i onal levels [21] .Inter i ndividual differences in cardiovasc ular mod ulation possi bly reflect different degrees of autono m ic adj ust

无线传感器网络课程设计

无线传感器网络课程设计 ------远程数据采集系统设计 学生姓名: 指导教师:峰斌 专业:电子信息工程 班级:D0745 学号: 设计时间:2011年1月3日至 2011年1月20日 实验地点:新实验楼524

随着无线网络技术的飞速发展和同益普及,低速、低功耗、低成本的ZigBee 无线网络技术,己成为当前传感器网络及自动化控制领域中的一个重要研究课题。本论文对ZigBee技术进行广泛深入的分析和研究,使用ZigBee协议设计应用程序并结合硬件进行实验,主要研究工作如下: (1)介绍了ZigBee相关概念、应用前景和研究现状、体系结构、优缺点以及网络拓扑、设备类型、ZigBee网络的基本框架、功能、特点等内容。 (2)对ZigBee网络层、应用层及ZigBee应用程序框架结构、功能进行了研究。分析了ZigBee协议栈的总体功能结构,着重讨论网络建立、路由机制、数据帧结构和数据传输模式、数据处理模式以及编程接口,展示了整个系统的应用程序编写过程。 (3)分析了ZigBee设备组成结构及硬件设计思路。在具体介绍JN5121处理器模块、电源模块、时钟模块、存储器模块以及各个接口模块的基础上给出了硬件设计的整体方案及硬件原理图。 (4)讨论了ZigBee网络与因特网的互联及数据交换方式。研究了https://www.360docs.net/doc/963147917.html,嵌入式操作的定制及嵌入式数据库的应用。 (5)组建基于ZigBee技术的无线数据采集系统,以JN5121单片机和数字式温湿度传感器SHT10设计出了传感器网络节点,S3C2440控制器作为ZigBee网关。传感器节点通过无线通信方式将数据发送到ZigBee网关。ZigBee网关通过以太网网络将数据传输给监测中心主机,并对实验结果进行分析。 该系统具有良好的人机交互界面和远程访问功能,良好的可移植性和扩展性,可以根据具体要求方便地在数据采集模块上进行传感器的扩充以实现更多功能。 关键词:ZigBee技术,IEEE802.15.4,无线网络,https://www.360docs.net/doc/963147917.html,

无线传感器网络期末复习题

《无线传感器网络原理与应用》复习题 一、填空题: 1.无线传感器网络的三个基本要素是:、和。 2.无线传感器网络实现了、? 和的三种功能。 3.无线传感器网络包括四类基本实体对象:目标、观测节点、和 。 4.根据无线传感器网络系统架构,无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、和。 5.无线传感器节点通常包含四个模块,他们是:数据采集模块、、无线通信模块和。 6.无线传感器网络的协议栈包括物理层、、、传输层 和,还包括能量管理、移动管理和任务管理等平台。 7.无线传感器网络的MAC层和物理层协议采用的是国际电气电子工程师协会(IEEE)制定的协议。 8.无线通信物理层的主要技术包括、、调制技术 和。 9.在无线通信系统中,有三种影响信号传播的基本机制:、绕射和。 10.无线传感器节点处于、接收状态、侦听状态和时单位时间内消耗的能量是依次减少的。 11.无线传感器网络MAC协议根据信道的分配方式可分为、 和混合式三种。 12.根据无线传感器网络不同的应用可以将其路由协议分为五类,你知道的有:、、。(任意给出3种)。 13. IEEE 标准将无线传感器网络的数据链路层分为两个子层,即和。 14. Zigbee的最低两层即物理层和MAC层使用标准,而网络层和应用层由Zigbee联盟制定。 15. Zigbee协议中定义了三种设备,它们是:、和Zigbee终端设备。

16.Zigbee支持三种拓扑结构的网络,它们是:、和。 17.无线传感器网络的时间同步方法有很多,按照网络应用的深度可 以划分三种:、和。 18.无线传感器网络的时间同步方法有很多,按照时间同步的参考时 间可以划分为和。 19.无线传感器网络的时间同步方法有很多,根据需要时间同步的不 同应用需求以及同步对象的范围不同可以划分为和。20.无线传感器网络定位技术大致可以划分为三类:、和 。 21.无线传感器网络典型的非测距定位算法有、APIT算法、 以及等。 22.无线传感器网络的数据融合策略可以分为、以 及。 23.无线传感器网络的故障可以划分为三个层次:、和 。 24. 根据网络提供服务的能力可以将QoS分为3种等级,分别是:、 和。 25. 传感器网络的支撑技术包括:、、及安全机制等。 26. 无线传感器节点的能耗主要集中在模块。 二、名词解释: 1.无线自组织网络 2.无线传感器网络(WSN) 3.基带信号 4.模拟调制 5.数字调制 6.物理信道 7.逻辑信道 8.路由选择 9.路由协议

机械毕业设计英文外文翻译51采煤工作面无线传感器网络物理层设计UWB技术

翻译部分 英文原文 Coal Face Wireless Sensor Network Physical Layer Design Based On UWB Technology Abstract In order to guarantee the safety of coal face production, it is necessary to monitor and surveillance face Shearer, scraper transport planes, hydraulic support, transport machines, broken machines etc . At present, it is difficult for the cable transmission mode to adapt to changes in the work site of the coal face. Transmission lines are often damaged and snapped for various factors, we use wireless sensor network (WSN), which is flexible to be placed and extensible, to resolve this problem. This paper discuss the design of the WSN transceiver for coal face with UWB technology. This kind of transceiver has some useful advantage such as low cost, low power consumption, simple structure, easy to implement the design of the hardware, no need to estimate the coal face Channel characteristics. However, detection efficiency is slightly lower, but the error rate can meet the requirement. 1.Introduction Coal face must face the complicated geological conditions and poor working conditions. In order to ensure the safety of production in the coal face, it is necessary to monitor real-time the face Shearer, scraper transport machine, hydraulic support, reprint machine, broken machines and other large equipments. In addition, we must monitor the ground pressure, gas, carbon monoxide, dust and other environmental parameters. At the same time, mobile voice and image communications is required. At present, the signal monitored and derived from the coal face is transmitted by cable. As the face is moving constantly and the going of the coal mining process, all kinds of large-scale iron and steel equipments in the coal face need to be boosted circularly and continually. The shape of the space is constantly changing with the change of the relative position of the equipments. Correspondingly, communication in cable is difficult to be applicable with the working scene changing, so transmission lines is damaged or snapped frequently ,and the coal face mobile voice and image communication is impossible .All these issues cause many latent trouble to the Safety of the

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