WSN节点的设计

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无线传感器网络中的节点自适应与动态编程方法

无线传感器网络中的节点自适应与动态编程方法

无线传感器网络中的节点自适应与动态编程方法无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)是一种由大量分布在特定区域内的无线传感器节点组成的网络系统。

这些节点可以通过无线通信方式相互连接,协同工作以完成特定任务。

节点的自适应和动态编程方法对于WSN的性能和效率至关重要。

一、节点自适应技术1. 能量管理:WSN中的节点通常由电池供电,因此能量管理是节点自适应的关键。

节点需要根据任务需求和自身能量状况,动态调整能量消耗策略。

例如,节点可以根据任务的紧急程度和剩余能量量级,选择合适的工作模式,如休眠、节能模式或高性能模式。

2. 路由选择:WSN中的节点通常是通过多跳方式进行通信,因此路由选择对于网络性能至关重要。

节点需要根据网络拓扑结构和环境条件,动态选择最佳的路由路径。

一些自适应路由算法可以根据网络拓扑的变化,自动调整路由路径以提高数据传输效率和网络生命周期。

3. 拓扑控制:WSN中的节点通常是分布在一个广阔的区域内,拓扑结构的控制对于网络的稳定性和可靠性至关重要。

节点需要根据网络的需求和环境条件,自适应地调整节点的位置和连接方式,以维持网络的稳定性。

例如,一些自适应拓扑控制算法可以根据节点的能量状况和通信负载,动态调整节点的位置和连接方式,以提高网络的覆盖范围和数据传输效率。

二、动态编程方法1. 分布式算法:WSN中的节点通常是分布在一个广阔的区域内,节点之间的通信和协同工作需要采用分布式算法。

分布式算法可以将任务分解为多个子任务,并将其分配给不同的节点进行处理。

节点之间通过无线通信方式进行信息交换和协同工作,以完成整个任务。

2. 数据聚合:WSN中的节点通常会产生大量的数据,为了减少无线通信的开销,节点需要将数据进行聚合和压缩。

动态编程方法可以根据网络负载和通信需求,动态调整数据聚合的策略。

例如,节点可以根据数据的时效性和重要性,动态调整数据聚合的精度和频率,以减少无线通信的开销。

消防人员安全监护系统WSN节点设计

消防人员安全监护系统WSN节点设计
点的性能得到 大幅度的提 升。
关键词 : 无线传感 网络 ; 低功耗 ; 态电源管理 ; 动 安全监 护; C 4 0 C 2 3
中图分类号 :P 1 . T 226 文献标识码 : A 文章编号 : 0 1 2—14 (0 10 0 5 0 0 8 1 2 1 )5— 0 1— 4
De i n o d o ie e S S c rt o io i g S se i S sg fNo e f r F r m n’ e u i M n t rn y t m n W N y
201 正 1
仪 表 技 术 与 传 感 器
I s u n T c n q e a d S n o n t me t r e h iu n e s r
2 1 O1
No 5 .
第 5期
消 防人 员 安全 监 护系统 WS N节 点设 计
郭建光 , 荣标 , 夫环 , 张 褚 张业 成
K yw rsw r essno ew r WS ; w pw r o sm t n dn mcp w r a ae n; ft m nt ;C 40 e o d :i ls e sr tok( N) l o e cnu pi ;y a i o e n gmets e o irC 2 3 e n o o m a y o 1 节点 系统硬件 结构 设计 节点 采用 Zg e 技术通过节点 自组 织加入网络 , i e B 综合考 虑
Ab t a t T aif h e ur me to n u n rme ’ e u i r ed,h sp p rd s n d a RF mo i r g n d o sr c : o s t y t e r q i s e n fe s r g f e n S s c rt i f e f l t i a e e i e n t i o ef r i i y ni i g on

无线传感器网络中的节点选择与路由算法研究

无线传感器网络中的节点选择与路由算法研究

无线传感器网络中的节点选择与路由算法研究无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是由大量分布式的无线传感器节点组成的一种自组织、具有自愈性和即插即用能力的网络系统。

在WSN中,节点选择和路由算法是关键技术之一,直接影响到整个网络的性能和能耗。

本文将从节点选择和路由算法两个方面进行研究探讨。

一、节点选择算法研究节点选择是指在WSN中选择合适的节点作为网络参与者,主要考虑以下几个因素:能耗、覆盖范围、网络连通性和节点能力等。

在节点选择算法中,有三种经典的方法可以选择:贪心法、分层法和基于距离的改进算法。

(一)贪心法贪心法是一种基于局部最优策略的节点选择算法。

该算法的基本思想是选择能够提供最大覆盖范围且能量消耗最小的节点。

虽然该方法简单且易于实现,但由于缺乏全局信息,可能会导致网络的不均衡性和覆盖率低的问题。

(二)分层法分层法是一种基于层次结构的节点选择算法。

该算法将无线传感器节点划分为多层,每个层次的节点分别负责不同的任务。

通过将节点的工作负载分散到不同的层次,可以提高网络的能耗均衡性和覆盖率。

(三)基于距离的改进算法基于距离的改进算法是一种结合贪心法和分层法的节点选择算法。

该算法通过引入距离因素来选取距离目标区域更近的节点作为网络参与者。

通过动态调整节点的选取范围,可以进一步提高网络的覆盖率和能耗均衡性。

二、路由算法研究路由算法是WSN中的另一个重要问题,主要解决如何将数据从源节点传输到目标节点的路由选择问题。

在路由算法中,有两种主要的方法可以选择:基于距离的路由算法和基于传感器的路由算法。

(一)基于距离的路由算法基于距离的路由算法是一种根据节点之间的距离来选择最佳路径的算法。

该算法主要考虑网络中节点之间的距离和能量消耗,通过权衡这两个因素来选择最佳路径。

虽然该方法简单高效,但由于忽略了网络拓扑结构的信息,可能会导致网络的不稳定性。

(二)基于传感器的路由算法基于传感器的路由算法是一种根据节点的感知能力来选择最佳路径的算法。

WSN温度监测的节点设计

WSN温度监测的节点设计
3. 2 软 件 设 计
相 互 通 信 、 现 数 据 交 换 的 重 要 模 块 。 本 文 采 用 了 实
( MS 、 上 系 统 ( O ) 无 线 通 信 、 感 器 和 低 功 ME ) 片 SC 、 传
耗 嵌 入 式 等 技 术 有 机 的结 合 在 一 起 形 成 的 产 物 , 把 它
据 ; 线通信 模块 负 责 节点 间 的无 线 通 信 , 现 温度 无 实
数据 的收发 及控 制信 号 的传送 ; 源模 块 主要 为各节 电 点 提 供 工 作 能 源 , 常 采 用 电池 供 电 。 通
( 柳州 师范高等专科学校 物理与信息科学 系, 广西 柳 州 5 50 ) 4 0 4 摘 要 : 统温度监测 系统大都采用有 线测控 , 传 系统前期需要完成庞大而复杂的网络布 线工程, 节点表现 为投资成
本大、 难维护等特 点, 不利于温度监测系统的大规模 推广 。而采用 S C 9 5 T 8 C 2单片机控制器 与 n F4 0 R 2 L 1无 线射频芯 片 的 WS N温度监测节点的设计方案 , 所设计节点具有成本低、 易维护 、 积小、 体 低功耗等特 点, 方案非常适合人们在 生产、
的 内核外加 EP ROM 为 核 心 的 单 片 机 在 硬 件 上 具 有
电压 分 别 给 节 点 的 单 片 机 、 RF 4 0 n 2 L 1等 模 块 供 电 。 A 11 S 1 7是 一 款 低 压 差 线 性 稳 压 器 , 输 出 0 8 当 .A 电 流 时 , 人 输 出 的 电压 差 典 型 值 仅 为 1 2 输 . V。AS 1 7 11 除 了能 提 供 多 种 固定 电压 版 本 外 ( o t . V, . V, V u =1 8 2 5 2 8 V, . V, V) 还 提 供 可 调 端 输 出 版 本 , 版 本 能 .5 3 3 5 , 该

无线传感器节点设计与应用实例

无线传感器节点设计与应用实例
器、存储器等)、无线通信模 块部分(无线收发器、天线等) 和供电部分 (包括电池、 DC/DC能量转换器等) 组成。
2
传感器节点的硬件结构如图5.12所示,
各功能模块的具体描述如下: ① 传感器数据采集部分。它是硬件平台中真正与外部信号量 接触的模块,一般包括传感器探头和变送系统两部分,负责对采 集监控或观测区域内的物理信息、感知对象的信息进行采集和数 据转换。原始的传感器信号要经过转换、调理电路,以及模数转 换,才能交由处理器处理。
一些传感器节点还可携带GPS等功能模块,利用GPS模块实 现节点的精确定位,但是会消耗更多的能量。
1
2. 传感器节点的组成
无线传感器节点作为网络的最小单元,在不同的应用领域中 其组成结构也不尽相同。但是整体来说传感器节点的基本组成结 构是大同小异的。
(1)节点硬件组成 传感器节点的硬件结构通常由传感器数据采集模块部分(包 括传感器、A/D转换器等)、数据处理和控制模块部分(包括处理
因此在一般情况下,为了节省能耗,微处理器一般有两种运 行模式:运行模式和睡眠模式。在睡眠模式中,节点能量的消耗 要远远小于运行模式。
14
(2)传感器节点辅助功能和软件
传感器节点不仅由硬件平台组成,还包含有几个辅助的模块, 如移动管理单元、节点定位单元等。
另外,部分功能强的无线节点中的处理器还需要一个嵌入式 操作系统来管理各种资源和和执行各种任务。
17
物流地理
任务二 公路运输布局分析
子任务二:我国公路运输布局分析
Agenda
01 我国主要国道 02 我国高速公路网
一、我国主要国道
我国编号规则
一、我国主要国道
国道编号 = 一位公路管理等级代码G + 三位数字

基于太阳能-风能互补的WSN节点自供电系统研究

基于太阳能-风能互补的WSN节点自供电系统研究

基于太阳能-风能互补的WSN节点自供电系统研究随着无线传感网络(WSN)在各个领域的广泛应用,对WSN节点能源供应的要求也日益提高。

传统的电池供电方式存在着寿命短、污染环境、不稳定等问题,因此采用可再生能源进行节点自供电成为了研究的热点之一。

本文将针对WSN节点的自供电系统进行研究,重点探讨基于太阳能和风能互补的自供电系统,并对其进行实验验证,为WSN节点的可持续运行提供技术支持。

一、研究背景WSN节点由于要长期在野外环境中工作,其能源供应一直是制约其长期稳定运行的重要因素。

传统的电池供电方式因受环境限制和能源有限,难以满足WSN节点长期工作的需求。

考虑采用可再生能源进行节点自供电已成为当前研究的热点之一。

太阳能和风能作为最具发展前景的清洁能源,被广泛应用于各种场景中。

太阳能光伏和风能发电技术已经非常成熟,且在野外环境中具有广泛的应用前景。

基于太阳能和风能的互补供电方案成为了WSN节点自供电的一个重要方向。

二、基于太阳能-风能互补的自供电系统设计1. 系统结构基于太阳能-风能互补的自供电系统由太阳能和风能发电子系统、能量管理系统和存储系统三部分组成。

太阳能和风能发电子系统负责将太阳能和风能转化为电能,能量管理系统负责对电能进行管理和分配,存储系统负责将多余的电能进行储存,以保证在夜晚或无风时能够持续供电。

2. 太阳能-风能发电子系统太阳能-风能发电子系统主要由太阳能光伏板和风力发电机组成。

太阳能光伏板负责将阳光转化为电能,风力发电机负责将风能转化为电能。

在野外环境中,太阳能和风能均具备较好的资源优势,能够互为补充,使得整个系统能够实现24小时稳定供电。

3. 能量管理系统能量管理系统主要由充电控制器、电能转化器和电池管理系统组成。

充电控制器负责对太阳能和风能发电子系统输出的电能进行控制和管理,电能转化器负责对电能进行转换和输出,电池管理系统负责对存储系统中的电池进行管理和保护。

储能系统主要由储能电池和超级电容组成。

基于Cortex—M3的森林火灾监测WSN节点的设计

基于Cortex—M3的森林火灾监测WSN节点的设计

图 23 传感器节点烟雾检测电路 .
传 感器 节点 中 , 用 的温度 、 选 湿度 、 雾传 感器件 。 烟 23 电源模块 的设计 传 感器 节 点 的 能量是 节 点工作 . 21 微处理器模块 设计 C r x M3处理 器采用 AR . ot — e M 的前 提 , 因此传 感器 节 点 电源模块 的设计 非 常重要 。森林 V 7哈佛架构 ,低至 01 mV / Z的功 耗 ,速度 比 AR 环境 的特 殊 性 , 能 采用 电池供 电 , D — C 转换 模 块 .9 vMH M7 只 且 C D 效率 需高 。本 设计 电源控制 器选 用 T 公 司 的低 噪声 、 . I 33 V 快1 , / 功耗低 34 且封 装体积较 小。选用 AR 公 司 C r 3 /, M o—
2 森林火 灾监测高 MQ一 电阻越 小 。传 感器 节 点烟 雾检 测 电路 2 图如 图 23所 示 , 雾传 感 器 4 6脚输 出端 的 电压 与烟 雾 。 烟 、 浓 度 成正 比, 出 电压 经 电压 跟 随器 送 至 L S 1 输 M3 8 1微 处
tx M3系列 的 L S 1 作 为传感器节点 的处理器。 e— M3 8 1
固定 输 出的稳 压器 T S 9 3 P 7 5 3,电源输 出 电压 为 33 变 . V,
1森 林火 灾监测 系统 基 于 无 线传 感器 网络( S 的森林 火 灾监 测 系统 由 W N) 无 线传 感器 网络、ne n t网络 以 及终 端监 控 主 机三 个 部 I re t 分组 成。 署在林 区监测 区的传 感器 节点通 过无 线 自组 网 部 方式 组建 监测 子 网络 , 实时 采集林 区温度 、 湿度 、 雾浓 度 烟 等信 息 , 时把 采集 的现场 数 据 跃跳 传 到本 簇 簇 首 , 首 同 簇

基于CC2430的WSN节点设计

基于CC2430的WSN节点设计
睡 眠 电流 消耗 和精确 的唤醒 时 间的应用 中。
无 线射频 控制模 块 和传 感器模 块 [。其 中节点底 板 6 ] 模块 仅 仅 提 供 电 源 支 持 和 引 出 节 点 所 要 用 到 的
C 23 C 4 0部 分 引脚 连 线 ; 线 射 频 控 制 模 块 是 基 于 无
收 稿 日期 :0 20 —5 2 1—40
灵活性 , 本文在 WS N节 点设计上采用模块化 的组
基金项 目: 省 自 陕西 然科学基础研究计划资助项 目(0082 ) 21J3K 作者简介 : 朱绍 峥( 98 )男 , 1 8 - , 硕士研究生 , 研究方 向为无线传感器 网络 。Emalsaz egzu 6 .o - i h oh n - @1 3c r : h n 刘毓 (9 4 , , 1 6 一)女 教授 , 博士 , 主要从事光纤通信 、 无线传感器网络的研究 。
晰、 能明确 , 功 具有很好的扩展性和复 用性 , 且在 实际应 用中具有很好 的灵活性 。
关键 词 : WS 节 点 ; C 4 0 Zg e ; 感 器 ; sae A N C 2 3 ;iB e传 msttP N
中图分 类号 : TN 2 9
文献标识码 : A
文章编号 : 10 —36 (0 2 0 —0 2 0 0 7 2 4 2 1 ) 3 0 0— 5
另一种信 息而更换传感器类型。为 了满足这 一 实际需要 而又不更 换整个 节点 , 只需更换 传感 器或 节点损 坏的部 分 , 节点 电路模 块化 , 将 并利 用底板插座来整合 各个功 能模 块的方 法, 设计 了一种基 于 C 2 3 C 40的 WS N节 点。利 用设 计好 的节点构建 了最小 自组织 网络 , 并采集 了不同条件 下的光照 , 光照越强光敏 电阻越 小。该类 节点结构 清
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1 WSN 节点的设计
1.1 WSN 节点的功能 传感器节点作为传感器网络的硬件平台具有端节点和路由双重功
能:一方面实现数据的采集和处理;另一方面将数据融合经多跳路由传 送到汇聚节点,最后经互联网或其它通信网络传送到观察者。 1.2 WSN 节点的组成结构
传感器模块
传感器 AC/DC
处理器模块
处理器 存储器
功能的定时器/计数器、2个USART、1个面向字节的两线接口wTI、8 通道10位ADC、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、1个SPI同步串 行端口、与IEEE 1149.1规范兼容的JTAG测试接口,以及六种可以通过 软件选择的省电模式。ATmega128L的最低工作电压是2.7 V,掉电模 式的电流消耗小于15 uA,采用ATmega128L 的Mica2节点的待机电流消 耗约16 uA。 2、 MSP430F149+CC2420(成本:40.5+39=79.5元)
300-1
128 4
76.8
28L 000 28
000
FSK ①
Atmega1 CC1 7.37
300-1
Mica2dot
128 4
76.8
28L 0Mica3
Atmega1 CC1 7.37
402-9
128 4
153.6 GFSK ①
28L 020 28
04
Atmega1 CC2 7.37
(3) 通信单元:由无线通信模块组成。负责与其他传感器节点进行无线通 信,交换控制消息和收发采集数据。
(4) 能量供应单元:负责为传感器节点提供运行所需的能量。
1.3 设计原则
1、 低功耗(更换一次电池的使用时间尽量长)。设计中从硬件和软 件两个方面降低功耗硬件上尽可能使用低电压、低功耗的芯片。软件 上可以添置电源管理功能,合理分配能量。
O-QP
Micaz
128 4 2400 250

28L 420 28
SK
Meshbea Atmega1 CC2 7.37
O-QP
128 4 2400 250

n
28L 420 28
SK
Tmote MSP430 CC2
O-QP
8 60 2 2400 250

sky
F1611 420
SK
Toles
MSP430 CC2 8
2、 良好的射频性能:同等条件下射频性能强的网络能力强,通信距 离也较大。
3、 节点体积要小,对检测的目标体系不构成影响,便于部署。 4、 低成本:节点模块不能太多且不能太复杂。 5、 可扩展性:采用模块化设计,根据不同的需要添加不同的功能模
块,比如传感器模块可以做一个通用口。
1.4 现有无线传感器节点
1.4.1 现有无线传感器节点方案对比
1、Atmega128L+CC2420 (成本:45+39=84元) ATmega128L 是基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器,
工作速度可达8MIPS,工作电压是2.7 V到5.5 V。哈佛结构使程序和 数据分开存储访问,程序执行效率更高,内置128K字节的Flash程序存 储器,4 K字节EEPROM,4 K字节的内部SRAM。此外,ATmegal28L 还有53个通用I/O 、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM
节点
表 1 无线传感器节点的参数比较


工作 传输
Flas RA
射频 频
频段 速率 调制 公
处理器
hM
芯片 率
(MH (kbp 方式 司
KB KB
(mc
Z) s)
u)
MH
z
Atmega1 TR1 7.37
OOK/
Mica
128 4 916 115

28L 000 28
ASK
Mica2
Atmega1 CC1 7.37
是一片集成度高、功能丰富、功耗极低的16位单片机,工作电压1.8 V到3.6 V,具有个一个硬件乘法器,60 K字节Flash,2 K字节RAM, 基础时钟模块包括1个数控振荡器(DCO)和2个晶体振荡器;看门狗定时 器可用作通用定时器;带有3个捕捉/比较寄存器的16位定时器;带有7 个捕捉/比较寄存器的16位定时器;2个具有中断功能的8位并行端口; 4个8位并行端口;模拟比较器;1 2位A/D转换器;2通道串行通信接口。 MSP430系列单片机最低工作电压为1.8 V,实时时钟待机电流的消耗 仅为1.1 u A,运行模式电流300 uA(1 MHz),从休眠至正常工作整个唤 醒过程仅需6 us。1MHz的时钟条件下运行,耗电电流在0.1 uA~400 uA之间,RA M 在节电模式耗电为0.1 uA ,等待模式下仅为0.7 uA。 3、CC2430 内嵌 80C51 内核(成本:65 元) CC2430 完全满足 IEEE802.15.4 和 ZigBee 的应用,CC2430 特别适合于 低功耗系统的应用。
◆ 高性能和低功耗的8051 微控制器核。 ◆ 集成符合IEEE802.15.4 标准的2.4 GHz 的 RF 无线电收发机。 ◆ 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。 ◆ 强大的DMA功能。 ◆ 32/64/128KB的片上可编程flash。 ◆ 8KB的SRAM,在四种电源模式下有4KB的存储单元有数据保持能力。 ◆ 很少的外设相连 ◆ 低能耗(RX:27mA TX :25 mA 微控制器工作在32MHz条件下) ◆ 在休眠模式时仅0.9 μA 的流耗,外部的中断或RTC 能唤醒系统;在
F149 420
O-QP
48 10 2400 250

SK
Gainst-C CC2430(内嵌 51
32-
32
8 2400 250 DSSS ④
C2430
内核)
128
注释: ① Berkerly大学和Crossbow合作的Mica系列节点 ② MeshNetic公司 ③ Moteiv公司 ④ 中科院宁波所的Gains节点与Mica2同,Gainsz节点与Micaz节点同。 其中以Mica系列节点设计和Telos节点应用最广泛,如大鸭岛海燕生
无线通信模块
网络 MAC 收发器
能量供应模块
(1) 传感单元:由传感器和模数转换功能模块或数字信号处理模块组成。 负责监测区域内信息的采集和数据的预处理。
(2) 处理单元:由嵌入式系统构成,包括CPU、存储器、输入输出接口及 嵌入式操作系统等。负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理传 感单元采集的数据以及其它节点发来的数据。
活习性和栖息地环境的监测,红杉树微气候环境监测都采用了Mica系列 节点,用于采集温度、湿度、大气压强、声音和光照等信息。目前许多 研究机构在构建低带宽数据采集的应用中都采用了这两种节点作为硬 件平台。2008年5月5日中科院宁波所又推出Gainst-CC2430节点。
下面把上面三种红色字体的Mica系列的节点以Micaz、Toles、 Gainst-CC2430节点做进一步比较:
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