无线传感器网络节点的系统研究
MESH无线网络传感器节点模块化设计研究

运 动 系统 以及 发 电装置 等 3 节 点模块 化设 计 、 传 感 器 节点完 成 对周 围环 境被 测 对象 参 数 的测量 后. 进行 适 当的处理 , 测量 值 以无 线 方式传 送 给本 节 将
图 1无 线 Me h网络 基 本 结 构 s
点 周 围的节点 . 经过 多跳 传 至监 控 中心 。 因此 , 感器 传 节点 的基 本功 能是 : 确地 采集 环境 被 测参 数 的数值 , 准
而成 Leabharlann 本单 元 : 传 感单 元 ( 传感 器和 模数转 换 功能模 块组 成 ) 由
处 理单 元 ( 由嵌 入式 系统 构成 , 括 C U、 储 器 、 包 P 存
嵌入 式操 作 系统等 ) 通 信单元 ( 由无线通 信模 块组 成 ) 电源部 分 此 外 。 以选 择 的 其 它功 能 单 元 包 括 : 位 系 统 、 可 定
O、 言 引
货 周期长 ; 维修更 换 技术 复杂 、 本高【 成 1 】 。 在 终端 用户 Meh模 式 中 . 端 用户 通 过无 线信 道 s 终 如果 按 功能 、 用 环境 、 量参 数 、 使 测 技术 要 求 等 。 设 的连 接形成 一个 点 到点 的 网络 。终端 设备 在不 需要 其 计 出若 干种 具有 统一 硬 件和 软 件接 口的模块 .设 计 网 他基 础设施 的条件下 可 独立运 行 .它 可支 持移 动终 端 络传感 器节 点象 搭积 木一 样 , 仅节 点硬 件设 计 、 产 较 高 速 的移 动 . 不 生 快速形 成 宽带 网络 。 终端 用户兼 具 主机
无线传感器网络研究与应用资料

老年人健康状况监控
远程医疗 空间探索:
星球表面(biǎomiàn)大范围、长时期、近距离的监测和探索。 选定着陆场地 ▪ 其他应用: 紧急和临时场合应急通信:地震、水灾、强热带风暴灾害地区、边远或偏僻野外地区
交通流量监控 智能化房屋
结构健康监测
机械设备状态监测
定位方法为:利用少量已知位置节点(参考节点,采用GPS 定位或
者预先放置的节点),来获得其它节点的位置信息
提出的算法有:Niculescu,Bulusu等
第二十三页,共三十五页。
5、典型(diǎnxíng)应用
案例1 Senera的桥梁安全监控系统
Senera的系统,用于监测桥梁、高架桥、高速公路 等道路环境。对许多老旧的桥梁,桥墩长期受到 水流的冲刷,传感器能夠放置(fàngzhì)在桥墩底部、 用以感测桥墩结构; 也可放置在桥梁两侧或底部,搜集桥梁的温度、湿 度、震动幅度、桥墩被侵蚀程度等,能減少断桥 所造成生命财产的损失。
新兴的第四代传感器网络
▪ 第一代传感器网络:20世纪70年代。点对点传输,具有 简单信息获取能力。
▪ 第二代传感器网络:获取多种信息的综合能力,采用串 /并接口与传感控制器相联。
▪ 第三代传感器网络:20世纪90年代后期。智能传感器 采用现场总线(zǒnɡ xiàn)连接传感控制器构成局域网络。
▪ 第四代传感器网络:以无线传感器网络为标志,正处于
研究和开发阶段。
第三页,共三十五页。
以自组织形式构成多跳中继的分级(fēn jí)结构网络
普通节点和Sink节点:完成数据采集和多跳中继传输。 网关节点G:完成无线和有线信号转换,实现CERNET2的接入。 监控中心(zhōngxīn)CC:完成区域数据的综合处理。
无线传感器网络的研究内容综述

无线传感器网络的研究内容综述摘要:无线传感器网络具有广泛的应用前景,且能够实现多种功能,因而是当前学术研究的一个重点领域。
本文介绍了无线传感器网络的体系结构和组网特点,详细分析了当前无线传感器网络中各层次的通信协议。
关键词:无线传感器网络体系结构组网特点通信协议1 无线传感器网络结构无线传感器网络的典型结构为自组多跳网络。
该网络中的节点同时具有传感、信息处理以及无线通信功能,每个节点通过多跳路由连接到无线网关,通过无线网关实现与监控终端的通信。
鉴于节点的属性限制,其通信距离较短,因此必须使用多跳路由,且节点数量要多,分布要密集。
2 无线传感器网络特点无线传感器网络具有如下几方面特点。
①硬件功能有限。
由于节点体积较小、价格相对低廉且要求运行的功耗较低,故其在性能方面要比通用的计算设备差很多。
②续航时间有限。
该方式为电池供电,且节点体积较小,分部环境较复杂,因而无法为电池充电或者为节点更换电池,一旦能源消耗完毕,该节点也就死亡,因此在传感器网络的设计中,一切以节能为前提。
③自组织性。
无线传感器网络的覆盖都是由节点自助完成的,不需要依赖任何支撑网络设施。
④无中心性。
网络中所有节点都是相对独立和平等的,任意节点的离开或加入都不会影响整个网络的运行。
⑤多跳路由。
无线传输网络中的节点只能在小范围内进行通信,因而若希望实现与网关或者外围监控终端的通信则必须通过其他节点进行路由实现。
⑥节点数量庞大,网络分布密集。
在某一区域进行无线传感器网络部署时需要使用大量的节点来维持网络的容错性和抗毁性。
3 无线传感器网络协议层次无线传感器网络的通信协议主要分为物理层、链路层、网络层和传输层。
对于这些协议需要进行具体讨论,现有的如ieee802.1x协议无法在无线传感器网络中应用。
3.1 物理层物理层的主要作用为产生载波对所需传输的数据进行调制与解调。
当前时期对物理层节点的设计思路主要有两种,一种为使用mems和集成电路技术等对节点的微处理器、传感器等模块进行设计;另一种为使用现有的商业元器件进行节点构建。
煤矿瓦斯监测无线传感器网络系统的研究

[4] GARCIA E A,FRAN K P M.On the Relationshipbetween Observer and Parameter Identification BasedApproaches to Fault Detection[C].Proc.of IFACWord Congress,USA,1996:25~29.[5] 叶 昊,王桂增,方崇智.小波变换在故障测检中的应用[J].自动化学报,1997,23(6):736~741.[6] QIAN Yu,L I Xiuxi,J IAN G Yangrong,et al.AnExpert System for Real2time Fault Diagnosis of Com2 plex Chemical Processes[J].Expert System withApplication,2003(4):425~432.[7] 刘洪刚,吴建军,陈启智.基于模型的定性推理故障诊断方法的研究[J].系统工程与电子技术,2002,24(6):8~9.[8] 王 东,刘怀亮,徐国华.案例推理在故障诊断系统中的应用研究[J].计算机工程,2003,29(12):10~12.[9] ZHAN G Wenxiu,WU Weizhi,J IAN G Jiye,et al.Rough Set Theory and Method[M].Beijing:SciencePress,2001.[10] 国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京:煤炭工业出版社,2001. 第1期 2007年2月工矿自动化 Industry and Mine Automation No.1 Feb.2007 文章编号:1671-251X(2007)01-0005-04煤矿瓦斯监测无线传感器网络系统的研究3王 建, 王汝琳, 王学民, 何晨玲(中国矿业大学(北京校区),北京 100083) 摘要:针对矿井瓦斯事故频发、现有矿井瓦斯监测有线通信系统急需向无线通信系统改进的实际情况,文章提出了将分布于井下的所有瓦斯传感器节点纳入一个智能化、结构灵活的无线网络系统,组成以传感器节点为依托的层次化且具有本安特性的瓦斯传感器网络系统。
无源无线传感器网络技术研究报告

无源无线传感器网络技术研究报告 摘要: 无源无线传感器网络(Passive Wireless Sensor Networks, PWSN)是一种新兴的传感器网络技术,其特点是传感器节点无需电池或外部电源,通过接收来自环境中的无线信号进行能量采集和数据传输。本研究报告对无源无线传感器网络技术进行了综述和分析,包括其原理、应用领域、挑战和未来发展方向。
1. 引言 无源无线传感器网络是近年来兴起的一种新型传感器网络技术,它通过利用环境中的无线信号进行能量采集和数据传输,避免了传统传感器网络中节点电池能量限制的问题。该技术在物联网、环境监测、智能家居等领域具有广阔的应用前景。本报告旨在深入探讨无源无线传感器网络技术的原理、应用和未来发展方向。
2. 无源无线传感器网络原理 无源无线传感器网络的核心原理是利用环境中的无线信号进行能量采集和数据传输。传感器节点通过接收来自基站或其他节点发射的无线信号,利用能量采集技术将无线信号转化为电能,供节点运行和数据传输所需。无源无线传感器节点通常包括天线、能量采集器和数据处理单元。通过优化能量采集和数据传输算法,可以提高无源无线传感器网络的能量利用效率和数据传输性能。
3. 无源无线传感器网络应用领域 无源无线传感器网络技术在多个领域具有广泛的应用前景。在物联网领域,无源无线传感器网络可以用于智能家居、智能城市等场景,实现对环境、设备等的无线监测和控制。在环境监测领域,无源无线传感器网络可以应用于大气污染监测、水质监测等任务,实现对环境参数的实时监测和数据采集。此外,无源无线传感器网络还可以应用于军事侦察、医疗健康等领域,为相关应用提供支持。 4. 无源无线传感器网络的挑战 尽管无源无线传感器网络技术具有许多优势,但也面临一些挑战。首先,能量采集技术的效率和稳定性需要进一步提高,以满足节点的能量需求。其次,数据传输的可靠性和安全性是无源无线传感器网络的关键问题,需要设计合理的协议和算法进行优化。此外,无源无线传感器网络的节点密度和网络规模对系统性能有一定影响,需要进行合理的网络拓扑设计和资源分配。
无线传感器网络国内外研究现状概要

无线传感器网络国内外研究现状摘要:无线传感器网络(WSN综合了传感器技术、微电子机械系统(MEMS嵌入式计算技术.分布式信息处理技术和无线通信技术,能够协作地实时感知、采集、处理和传输各种环境或监测对象的信息.具有十分广阔的应用前景,成为国内外学术界和工业界新的研究领域研究热点。
本文简要介绍了无线传感器网络的网络结构、节点组成,分析了无线传感器网络的特点及其与现有网络的区别。
进而介绍现有无线传感器网络中的MAC层技术、路由技术、节点技术和跨层设计等关键技术。
最后展望无线传俄器网络的应用和发展并指出关键技术的进步将起到决定性的促进作用。
关键词:无线传感器网络节点MAC层路由协议跨层设计Abstract: Wireless sensor network (WSN is integration of sensor techniques, Micro-Electro-Mechanical Systems, embedded computation techniques, distributed computation techniques and wireless communication technique. They can be used for sensing, collecting, processing and transferring information of monitored objects for users. As a new research area and interest hotspot of academia and industries, Wireless Sensor Network(WSN has a wide application future. This paper briefly introduced the wireless sensor network of networks, nodes, the analysis of the characteristics of wireless sensor networks and the differences wihthe existing networks. And the MAC layer technology, routing technology, joint cross-layer design technology and key technology are introduced . At last the prospects of wireless sensor network are discussed in this article.Key Words: Wireless Sensor Network, node, MAC, routing protocol, Cross-layer design一、概述随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展进步,包括微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS以及相关的接口、信号处现技术的飞速发展和日益成熟,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器网络引起了人们的极大关注。
无线传感器网络节点定位问题研究

质心算法 的定位精度与两个相邻参考节点之间的距离有 关,参考节 点的部署位置 、网络 的拓扑结构将影响到定位精 度,质心 算法 实现 的是粗糙定位 。
( )D - OP算 法 2 VH
( )基于 T A/D 2 O T OA的定位 技术
两种 方 法 通 过 测 量 传 输 时 间来 估 算 两 节 点 之 间 的 距 离 。
件 设 施 的依赖都不 同,根据不 同的应用场景,研 究者应 当采用适合 的定位机制 。
1、 基于测距的定位算法
( )基 于 R S 的 定 位 技 术 1 SI
基 收信 号强度 指示 ( S I 于接 R S)的定位方法 ,是 已知发射节 点的发射信 号强度 ,根据接收节点收到 的信 号 强 度 计算出信号的传播损耗 ,将传输 损耗 转化为距离 ,最后计算节 点的位置 。该技术使用理论或经验的
DVHO - P算法基本过程就是将未知节点到锚点间的距离
用 网络 中节 点平 均 每 跳 距 离 和 到 锚 点 间 的 跳 数 乘 积 来 估 计 , 再 使 用 三 边 定位 法 来 得 未 知 节 点 的位 置 信 息 。平 均 每 跳 的 距
T OA利用信号传播时间与距 离的关系测距 , 需要节点问精确 的时间同步:T A 利用 无线电波和超声波两种信号的到达 DO 时间差进行测距 ,因此 ,通信开销 比较大 ,精度 比较 好,但 由于无线信 号的传输速度很快 ,因此对节点的时间精度 、硬
Si gna|Pr ocess and Syst em
无 线传感器 网络
节瓿霆谯 起卿究
摘要: 节点定位技术是无线传感器网络信息采集 、 传输和处理能力的基础技术之一。研究和分析 了各类无
无线传感器网络改进型节点定位算法的研究

1 算 法 演 进 D — o 算 法 需 要 锚 节 点 经 过 两 次 洪 泛 广 播 , 加 VH p 增 了通信开销 , 而通 信 中 能 量 消 耗 在 节 点 能 耗 中 占有 很 大 的 比重 。 Y n u g o agSnw n和 Y ion i yu g等 人 分 析 D — o J VH p 定 位 机 制 , 次 提 出 了 tC L to—o n—ai b sdl a— 首 l R (t C u t t ae cl p R o o i zt n 定 位 算 法 , 节 点 仅 向 未 知 节 点 洪 泛 广 播 一 次 自 己 ai ) o 锚
e eg o s mpin i o aiain c luain a mp o e n d lc l ain ag rh n ryc n u t n lcl t ae lt , n i rv d o e o ai t loi m.( .e e ev d in l o z o o z o t i .rc ie sg a
中图 分 类 号 :T 9 P33 文 献 标 识 码 :A 文章 编 号 :1 0- 7 7 2 1 ) 105 -3 0 09 8 (0 0 0 -0 20 -
Re e r h o m pr v d no e l c lz to l o ihm o sa c n i o e d o a i a i n a g rt fr
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无线传感器网络节点的系统研究 摘要:本文通过总结无线传感器网络硬件节点的设计原则,提出了一种无线传感器网络通用节点设备的基本构架,设计实现了基于超低功耗处理器Atmega128L和射频芯片CC2420的无线传感器网络节点设备,其组成的网络系统性能稳定、通信效率高、功耗低,可以广泛应用于控制、信号采集与传输等领域。
关键词:无线传感器网络、节点设计、通信网络技术 中图分类号:F626 文献标识码:A 文章编号
Abstract: this paper summarizes the wireless sensor network hardware node of the design principle, put forward a kind of wireless sensor network general node the basic framework of the equipment, design realized based on low power consumption processor Atmega128L and rf chip CC2420 of wireless sensor network node equipment, its network of system has stable performance, communication with high efficiency, low power consumption, and can be widely used in control, signal acquisition and transmission, and other fields.
Keywords: wireless sensor network, node design, communication network technology
1 引言 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。
本文就是面向具体的应用,以实现无线传感器网络无所不能的感知能力为目标,研究无线传感器节点的系统结构、组成和实现技术。
通过总结无线传感器网络硬件节点的设计原则,提出了一种无线传感器网络通用节点设备的基本构架,设计实现了基于超低功耗处理器Atmega128L和射频芯片CC2420的无线传感器网络节点设备。该设备具有能量自检测功能,并可以改变通用硬件接口上的数据采集部分实现多种不同类型的应用。采用模块化 软件设计,引入有限状态机进行系统模式调度,设计实现了既能独立运行又支持嵌入式操作系统的节点适应层软件。
2 无线传感器网络硬件结构及通信 2.1 传感器网络硬件结构 无线传感器网络典型的体系结构如图1所示。传感器节点分布于网络的各个部分,用于收集数据,并且将数据路由至信息收集节点(Sink)。信息收集节点与信息处理节点通过广域网络(如Internet网络或卫星网络)进行通信,从而对收集到的数据进行处理。
图1 无线传感器网络通信体系结构图 无线传感器网络节点一般由4个部分组成:传感器模块、处理模块、无线收发模块和能量供应模块,如图2所示。其中,传感器模块负责信息采集和数据转换;处理模块控制整个传感器节点的操作,处理本身采集的数据和其他节点发来的数据,运行高层网络协议;无线收发模块负责与其他传感器节点进行通信;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量,通常是微型蓄电池。
图2 传感器节点的体系结构 2.2 无线传感器网络通信 2.2.1 数据采集 最底层的传感数据采集应用由自主的传感器节点提供的。每个传感器节点收集关于它周围环境的即时数据。由于传感器节点离观察点很近,故对传感器的精 度要求并不高,降低了成本。高的空间分辨率可以通过布置密集的传感器节点来达到。而传统的传感应用方法是使用一些有着精密复杂的信号处理能力的高质量传感器。无线传感器网络结构则通过布置密集的传感器节点提供较高的健壮性,单个节点阻塞和组件失效不会造成太大的破坏。
2.2.2 传感数据到Internet 我们可以将来自传感器节点的数据传输到Internet上,这些数据可能是原始的,或者被过滤过,或者被处理过。建立到每个传感器节点的直接的广域网的连接是不可行的,因为设备代价太昂贵,它需要消耗传感器节点大量的能量,设备安装也容易对环境带来一些很大的干扰。因此在我们的传感器网络的系统结构中,到广域网的连接功能由基站完成,我们为基站设备提供足够的能量和存储空间。基站可以使用无线局域网与布置了传感器的小块领域通信(通过silk节点)。为了向终端用户提供数据,基站提供WAN连接,并且为传感器区域集合提供了永久性数据存储。
3 节点系统设计 3.1 节点系统结构 节点硬件采取模块化结构设计如图3所示,由运算及通信子板、传感器子板、充电及状态显示子板构成。运算及通信子板由微处理器、数据存储电路、无线通信模块、电源管理模块等组成,主要作用是储存、处理数据,完成节点间的无线通信,并为系统提供能量。传感器子板由若干传感器组成,负责监测区域内信息的采集。充电及状态显示子板由充电模块和LCD 液晶显示模块组成,用来显示节点电池充电情况节点的工作状态以及电池的电量。
图3 节点系统接口 (1)微处理器电路采用Atmel公司的ATmega128L微控制器[9],它采用低功耗CMOS工艺生产,基于RISC结构,具有片内128KB的程序存储器(Flash)、4KB的数据存储器(SRAM)和4KB的EEPROM;
(2)数据存储电路选用512KB串行FLASH AT45DB041存储数据。与普通的数据存储器相比,该芯片具有功耗低、体积小、串行接口、外部电路简单等特点,适合传感器节点使用。
(3)无线通信模块采用无线射频CC2420[11-12]模块。它是Chipcon公司在2003年底推出的一款兼容2.4GHz IEEE802.15.4标准的无线收发模块,基于Chipcon公司的SmartRF03技术,使用CMOS工艺生产,工作电压低、能耗低、体积小,具有输出强度和收发频率可编程等特点。 (4)电能是传感器网络非常宝贵的资源,为了保证硬件电路的低功耗设计,节点芯片的选择均使用低功耗、低电压工作的芯片。系统采用普通电池或者可充电的锂离子电池工作。电源管理芯片采用AD公司的ADP3338—3.3, SOT一223封装。
(5)充电模块使用达拉斯公司的DS2770和电池保护芯片DS2720设计,具有充电控制、电源控制、电量计数、电池保护等功能。处理器与DS2770用一线接口来传递信息,并需外接一个约4.7 的上拉电阻。
(6)节点外部接口包括JTAGE接口、ISP编程接口、RS232接口、充电接口、传感器接口、SMA天线座接口等。节点使用JTAGE、ISP多种方法下载程序;使用RS232接口直接与PC机串口连接; 可根据不同需求经传感器接口挂接不同的传感器模块;在有充电条件的情况下, 可通过充电接口迅速为节点补充能量。
3.2 节点设计要点 射频部分是本设计的重点与难点,也是系统设计成功的关键。在模块设计过程中遇到的主要问题及解决方法有:
CC2420的载波频率是2.4GHz,每5MHz增加一个频道,而晶振的精确度将影响载波的频率,从而影响通信的建立和稳定性。CC2420要求时钟源的精度在40ppm以内。如果使用外部晶振应尽量使用精度高、性能稳定的四脚贴片晶振。
CC2420射频电路工作在2.400GHz~2.4835GHz高频率工作频段,抗干扰设计直接关系到射频性能和整个传感器节点的运转情况。在射频部分布线时,合理的布局与布线及采用多层板既是布线所必须的也是降低电磁干扰提高抗干扰能力的有效手段。
对于无线通信网络来说,天线起着举足轻重的作用,天线的选择和设置会直接影响整个无线通信网络的运行质量。本节点射频芯片CC2420可以使用金属倒F型PCB引线天线和单极天线两种设计方案。PCB引线天线是印制在电路板上的导线,通过它来感应空中电波,接收信息。PCB天线的形状、尺寸应严格按照数据手册设计。
4 结论 本文阐述了传感器网络硬件节点的设计原则,提出了一种无线传感器网络通用节点设备的基本构架,设计实现了基于超低功耗处理器Atmega128L、射频芯片CC2420和温度传感器DS18B20的一种具有实用价值的低功耗通用节点硬件平台。
本设计是在归纳国内外无线传感器网络研究成果的基础上,设计的低功 耗、低成本、实用型无线传感器网络节点。节点采用了独立可选的充电模块、LCD状态显示模块和丰富的对外接口,具有较强的实用性,可在多种环境中工作,按多种需要进行配置完成系统功能,并且在成本、功耗、灵活性等方面具有较明显的优势。
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莫庆龙,男,1984年2月出生,主要从事自动控制设计及服务工作。