2007_用于环境监测的无线传感器网络节点的设计与实现_测控技术(AA)
基于无线传感器网络的环境监测与控制系统设计
基于无线传感器网络的环境监测与控制系统设计一、引言无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量分布式传感器节点组成的网络系统，用于监测和控制环境中的物理和化学参数。
WSN已经广泛应用于环境监测、农业、工业自动化等领域。
本文旨在设计一种基于无线传感器网络的环境监测与控制系统，通过对环境参数的实时监测和控制来提高资源利用效率、降低能源消耗，实现对环境的智能化管理。
二、系统架构设计2.1 传感器节点传感器节点是WSN中最基本的组成单元，负责采集环境参数并将数据传输给基站。
在本系统中，每个传感器节点由一个或多个传感器模块、一个微处理器和一个无线通信模块组成。
其中，传感器模块负责采集温度、湿度等环境参数，并将数据转换为数字信号；微处理器负责对采集到的数据进行处理和分析；无线通信模块则负责将处理后的数据发送给基站。
2.2 基站基站是WSN中负责接收并处理来自各个传感器节点数据的设备。
在本系统中，基站由一台高性能计算机和一个无线通信模块组成。
无线通信模块负责接收传感器节点发送的数据，并将数据传输给计算机进行处理。
计算机通过对接收到的数据进行分析和处理，得到环境参数的变化趋势，并根据需求制定相应的控制策略。
2.3 控制器控制器是根据基站分析得到的环境参数变化趋势，对环境进行控制的设备。
在本系统中，控制器由一个执行机构和一个控制算法组成。
执行机构负责根据控制算法给出的指令，对环境参数进行调节；控制算法则根据基站分析得到的数据和预设的目标值，通过数学模型计算出相应的调节策略。
三、系统工作流程3.1 环境参数采集传感器节点通过传感器模块采集环境中温度、湿度等参数，并将采集到的数据转换为数字信号。
3.2 数据传输传感器节点通过无线通信模块将采集到的数据发送给基站。
基站接收到来自各个传感器节点发送过来的数据，并将其存储在计算机中。
3.3 数据处理与分析基站上运行着一套完善的数据处理与分析算法，通过对接收到的数据进行分析，得到环境参数的变化趋势。
无线传感网络在环境监测中的应用与系统设计
无线传感网络在环境监测中的应用与系统设计概述随着社会的发展和人们对环境保护意识的提高，环境监测的重要性日益凸显。
无线传感网络（Wireless Sensor Network, WSN）作为一种新兴的技术，已经成功应用于环境监测领域。
本文将探讨无线传感网络在环境监测中的应用和系统设计，并分析其优势和挑战。
应用领域无线传感网络可应用于多个环境监测领域，包括但不限于以下几个方面。
1. 大气环境监测：无线传感网络可以通过传感器节点实时监测空气质量、温度、湿度、气压等气象参数。
通过定期采样和数据传输，可以实现对大气环境的实时监测和预警。
2. 水环境监测：无线传感网络可以部署在水域内，监测水质、水温、水位等关键指标。
通过节点间的数据传输，可以建立水环境监测系统，实现对水体污染和变化的实时监测和预警。
3. 土壤环境监测：无线传感网络可以通过分布在土壤中的传感器节点，监测土壤湿度、土壤温度、土壤酸碱度等参数。
这些数据可以帮助农药的施用和水分的管理，提高农作物的产量和质量。
系统设计无线传感网络在环境监测中的系统设计包括节点设计、网络架构设计和数据处理与管理。
1. 节点设计：传感器节点是无线传感网络的核心组成部分，节点的设计应考虑到环境监测的特点和需求。
节点应具有较小的体积和低功耗的特点，以便部署在各种环境中。
同时，节点需要具备适当的传感器和处理器，以收集和处理环境参数。
2. 网络架构设计：在环境监测中，无线传感网络通常采用分层的架构设计。
典型的架构包括感知层、网络层和应用层。
感知层负责采集环境数据，网络层负责节点间的通信和数据传输，应用层负责数据分析和决策。
3. 数据处理与管理：无线传感网络产生的数据量庞大，因此需要设计合适的数据处理和管理系统。
数据处理可以包括数据的预处理、压缩、传输和存储等。
数据管理则负责对数据进行组织和存储，以便后续的分析和应用。
优势与挑战无线传感网络在环境监测中具有许多优势，但也面临一些挑战。
基于无线传感器网络的环境监测系统设计研究
基于无线传感器网络的环境监测系统设计研究随着科技的发展和人们环保意识的不断提高，环境监测已经成为一个非常重要的领域。
无线传感器网络（WSN）已经成为一种非常有效的方式来实现环境监测。
在这篇文章中，我们将探讨如何设计和研究基于无线传感器网络的环境监测系统。
一、传感器节点设计传感器节点是WSN中最基本的组成部分。
在设计无线传感器节点时，我们首先需要选择一个合适的传感器器件来测量环境参数。
传感器器件应具有以下几个特点：高灵敏度、低功耗、高可靠性和低成本。
其次，我们需要选择一个适当的微控制器（MCU）来处理传感器数据，并将处理后的数据通过一个无线模块传输到基站。
在选择微控制器时，我们应该考虑其处理速度、内存、功耗和成本等因素。
最后，我们需要考虑电源管理问题。
传感器节点应该设计成低功耗、高效能的模式，以确保长时间的运行。
这可以通过选择低功耗的MCU、使用睡眠模式、优化程序代码等方式来实现。
二、路由方案设计无线传感器网络包含大量的传感器节点，这些节点通过无线信道通信。
在设计WSN时，我们需要考虑如何选择节点路由在网络中的路径。
优秀的路由方案可以提高网络的可靠性和能效。
常用的路由方案有基于距离、基于时间和基于集中式等几种。
基于距离的路由方案是最常见的方案之一，它根据节点之间的距离来确定路由路径。
基于时间的路由方案则根据节点之间的通信延迟来确定路由路径。
基于集中式的路由方案是由一个中心控制节点来管理整个网络的路由。
三、能效优化能效优化是无线传感器网络设计中非常重要的一部分。
传感器节点需要设计成低功耗、高效能的模式，以确保长时间的运行。
在能效优化方面，我们需要考虑以下几个因素。
首先，我们应该使用低功耗的传感器器件、微控制器和无线模块。
其次，传感器节点应该使用睡眠模式，只有在需要测量和传输数据时才将其唤醒。
最后，我们应该优化应用程序代码，减少不必要的计算和通信，从而减少功耗。
四、数据处理与存储在设计基于无线传感器网络的环境监测系统时，我们需要考虑如何处理和存储传感器节点发送的数据。
基于无线传感器网络的智能环境监测与控制系统设计
基于无线传感器网络的智能环境监测与控制系统设计智能环境监测与控制系统设计基于无线传感器网络随着科技的不断发展，智能化的生活方式逐渐成为现实。
智能环境监测与控制系统就是其中一种应用，它利用无线传感器网络实现对环境的监测与控制。
本文将介绍基于无线传感器网络的智能环境监测与控制系统的设计原理、组成部分以及相关技术。
一、设计原理智能环境监测与控制系统的设计原理是通过无线传感器网络将环境中的数据收集并传输给中央控制器，中央控制器实现对环境的监测与控制。
传感器网络由多个节点组成，每个节点都配备有多种传感器，可以采集环境的各种参数数据，如温度、湿度、光照等。
这些节点通过无线通信相互连接，形成一个网络。
二、组成部分智能环境监测与控制系统主要由以下几个组成部分构成：1. 传感器节点：传感器节点是整个系统的基础。
每个节点配备有多种传感器，可以采集不同环境参数的数据。
这些节点通过无线通信与中央控制器进行数据传输。
2. 无线通信模块：无线通信模块用于传输传感器节点采集到的数据。
它可以通过无线信号将数据传输给中央控制器，并接收来自中央控制器的指令。
常见的无线通信技术包括Wi-Fi、Zigbee等。
3. 中央控制器：中央控制器是智能环境监测与控制系统的核心部分，负责管理整个系统。
它接收传感器节点采集到的数据，并通过算法分析、处理这些数据。
同时，中央控制器也可以向传感器节点发送指令，实现对环境的控制。
4. 数据存储与处理单元：数据存储与处理单元用于存储和处理采集到的数据。
它可以将数据存储在数据库中，并通过数据分析算法对数据进行处理，以提供决策支持。
三、相关技术在智能环境监测与控制系统的设计过程中，涉及到一些相关的技术：1. 无线传感器技术：无线传感器技术是实现智能环境监测与控制系统的基础。
它包括传感器的选择和布置、传感器节点的设计与制造等方面的技术。
2. 数据传输与通信技术：数据传输与通信技术是无线传感器网络中数据传输的关键。
安全可靠的无线传感器网络环境检测系统设计与实现
安全可靠的无线传感器网络环境检测系统设计与实现无线传感器网络（WSN）是一种由大量分布式、自组织的传感器节点构成的网络，用于采集、处理和传输环境信息。
传感器节点通常具有有限的计算、储存和通信能力，因此面临着一系列的安全和可靠性挑战。
设计一个安全可靠的无线传感器网络环境检测系统，需要考虑以下几个关键方面：节点安全、数据传输安全、能量管理和可靠性。
首先，节点安全是无线传感器网络的基础。
传感器节点容易受到恶意攻击和物理攻击，因此需要采取一系列的安全机制来保护节点的安全。
例如，可以使用加密算法对节点之间的通信进行加密，防止信息被窃取或篡改。
此外，还可以采用物理层安全技术来防御物理攻击，如物理层加密和信号干扰技术。
其次，数据传输安全是保护数据完整性和隐私的重要环节。
由于无线传感器网络中的数据传输通常通过无线信道进行，容易受到窃听、数据篡改和重播攻击。
为了保护数据传输的安全，可以采用数据加密技术和身份认证机制。
数据加密技术可以通过加密算法来保护数据的机密性，而身份认证机制可以验证通信双方的身份，防止伪造节点参与数据传输。
另外，能量管理是无线传感器网络中需要重点考虑的问题之一。
由于传感器节点通常由有限的电池供电，能量消耗必须合理管理，以延长网络的生命周期。
能量管理的方法包括节点休眠技术、能量平衡协议和能量收集技术。
节点休眠技术通过使节点进入低功耗休眠状态来节省能量。
能量平衡协议可以通过调整节点之间的通信和数据传输方式，使网络中的能量均衡。
能量收集技术可以通过利用环境能源来为节点供电，如太阳能电池板和振动发电器。
最后，可靠性是无线传感器网络中的另一个重要考虑因素。
在环境检测系统中，数据的准确性和可靠性至关重要。
为了提高数据的可靠性，可以采用冗余传输和数据融合技术。
冗余传输技术可以通过多次传输同一数据来消除传输过程中的错误。
数据融合技术可以将多个节点收集到的数据进行整合和分析，提高数据的准确性和可靠性。
在设计和实现安全可靠的无线传感器网络环境检测系统时，需要综合考虑节点安全、数据传输安全、能量管理和可靠性等方面的需求。
基于无线传感器网络的环境监测与控制系统设计
基于无线传感器网络的环境监测与控制系统设计I. 简介无线传感器网络（WSN）是一种由众多分布式、自组织的传感器节点组成的网络系统，用于收集、处理和传输环境数据。
本文将探讨基于无线传感器网络的环境监测与控制系统的设计。
II. 无线传感器网络的特点无线传感器网络具有以下几个主要特点：1. 分布式节点：无线传感器节点分布在特定的监测区域内，形成网络结构；2. 自组织性：传感器节点能够根据环境的变化自动组织网络，适应节点的加入和退出；3. 低功耗：无线传感器节点通常由电池供电，因此功耗应尽可能低，以延长节点寿命；4. 数据采集和传输：节点能够采集环境数据，并通过网络传输到监测中心；5. 数据处理和分析：监测中心可以对传输的环境数据进行处理和分析，提供实时监测和控制。
III. 设计要求和功能基于无线传感器网络的环境监测与控制系统的设计需要满足以下要求和提供相应的功能：1. 多节点布置：节点应根据环境特点和监测需求进行合理布置，以覆盖监测区域；2. 数据采集和传输：节点需要能够采集各种环境数据，并通过无线网络传输到监测中心；3. 实时监测：监测中心应能够实时接收和显示传感器节点发送的环境数据；4. 数据处理和分析：监测中心需要对接收到的环境数据进行处理和分析，提供相关统计和报表；5. 远程控制：监测中心应具备对传感器节点的控制功能，如开启/关闭设备或调节设备参数；6. 告警功能：系统应具备异常检测和告警功能，及时通知相关人员并采取相应措施；7. 数据存储和备份：环境数据应进行存储和备份，以便后续查阅和分析。
IV. 系统组成和工作原理基于无线传感器网络的环境监测与控制系统主要由以下组成部分构成：1. 传感器节点：由传感器和无线通信模块组成，负责采集环境数据并通过无线网络传输；2. 网络通信：传感器节点之间通过无线通信方式进行数据传输和组网；3. 监测中心：负责接收传感器节点的数据并进行处理、分析、显示和控制；4. 数据存储：环境数据可以存储在本地服务器或云端服务器上，便于后续查看和分析。
基于无线传感器网络的环境监测与控制系统设计
基于无线传感器网络的环境监测与控制系统设计无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是指由大量无线传感器节点构成的自组织、分布式网络。
这些传感器节点能够感知环境中的物理和化学特征，并将这些信息通过无线信号传输到数据聚集节点。
基于无线传感器网络的环境监测与控制系统设计起着重要的作用，可以实现对环境的实时监测和控制，具有广阔的应用前景。
一、无线传感器网络架构设计无线传感器网络主要包括传感器节点、通信模块、数据聚集节点和监控中心。
传感器节点是网络的基本组成单元，负责感知环境信息；通信模块用于节点之间的通信；数据聚集节点负责接收传感器节点发送的数据，并进行处理和存储；监控中心用于显示和管理环境监测数据。
无线传感器网络的架构设计需考虑以下几个因素：1. 节点的布局和部署：传感器节点的数量、位置和部署方式需根据监测场景的需求来确定，保证网络覆盖率和监测质量。
2. 能量管理：无线传感器节点的能量是有限的，因此需要设计合理的能量管理机制，延长网络的寿命。
可以采用能量均衡算法、睡眠模式等措施来降低能量消耗。
3. 网络拓扑结构：传感器节点通常组成多跳网络，数据从传感器节点通过多个中间节点传输到数据聚集节点。
合理设计网络拓扑结构可以提高传输效率和稳定性。
4. 数据安全性：在环境监测中，数据的安全性很重要。
可以采用加密算法和认证机制来保护传感器数据的安全。
二、环境监测与控制系统设计1. 温度和湿度监测：传感器节点可以通过温湿度传感器感知环境的温度和湿度，并将数据传输到数据聚集节点。
数据聚集节点收集到的数据可以用于分析环境的变化趋势，实现温湿度的实时监测。
2. 光照强度监测：通过光照传感器，传感器节点可以感知环境的光照强度。
这对于植物生长环境的调控和节能照明系统的优化具有重要意义。
3. 空气质量监测：通过气体传感器，传感器节点可以感知环境中的气体浓度，如CO2浓度、一氧化碳浓度等。
这对于空气污染的监测和环境保护具有重要意义。
基于无线传感器网络的环境监测与控制系统设计
基于无线传感器网络的环境监测与控制系统设计基于无线传感器网络的环境监测与控制系统设计摘要随着社会的发展和人们生活水平的提高，对环境质量的要求也越来越高。
而环境监测与控制系统在改善环境质量方面起着至关重要的作用。
本文基于无线传感器网络技术，设计了一种环境监测与控制系统，系统能够实时监测环境中的温度、湿度、光强等参数，并能够通过控制设备对环境进行智能化的调控，以达到改善环境质量的目的。
通过实验验证，系统具有稳定性、可靠性和高效性等特点，有望在实际应用中发挥重要的作用。
关键词：无线传感器网络；环境监测；环境控制；智能化调控第一章引言1.1 研究背景随着工业化和城市化的不断发展，环境污染问题逐渐显现。
环境监测与控制成为维持人类生存环境的重要手段。
传统的环境监测与控制系统大多采用有线传感器网络，但其存在着布线困难、成本高昂以及可扩展性差等问题。
而无线传感器网络技术的出现为环境监测与控制系统的设计提供了一种新的解决方案。
1.2 研究目的本文旨在基于无线传感器网络技术，设计一种环境监测与控制系统，实时监测环境参数，通过智能化调控达到改善环境质量的目的。
系统具有可靠性、稳定性和高效性等特点，有望在实际应用中发挥重要的作用。
第二章相关技术综述2.1 无线传感器网络无线传感器网络是由大量的分布式、自组织的传感器节点组成的，具有自适应、低功耗、覆盖广等特点。
其主要组成包括传感器节点、无线通信、数据处理和能量管理等模块。
2.2 环境监测环境监测主要包括温度、湿度、光强、气压等参数的监测。
其中，温度和湿度是环境质量的两个重要指标，光强则与能源利用和光照条件等密切相关。
2.3 环境控制环境控制是对环境参数进行智能化调控的过程，旨在改善环境质量。
环境控制可以通过调节温度、湿度等参数，以及控制设备的开启和关闭等方式来实现。
第三章系统设计与实现3.1 系统架构设计本系统采用无线传感器网络技术，由传感器节点、无线通信模块、数据处理模块和环境控制模块等组成。
基于无线传感器网络的环境监测系统设计
基于无线传感器网络的环境监测系统设计第一章：简介无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是一种由大量分布式传感器节点组成并通过无线通信进行协作的网络系统。
环境监测系统依托于无线传感器网络的特点，能够实时感知和监测环境中的各种参数，为环境管理和资源调度提供决策支持。
本章将介绍基于无线传感器网络的环境监测系统的设计意义和主要研究内容。
第二章：无线传感器网络的组成与工作原理2.1 无线传感器节点的组成2.2 无线传感器网络的工作原理2.3 无线传感器网络的特点第三章：环境监测系统的需求分析3.1 环境监测系统的意义和应用3.2 环境监测系统的基本要求3.3 环境监测系统的功能模块第四章：无线传感器网络环境监测系统的设计方案4.1 无线传感器节点的选择和布置4.2 网络拓扑结构的选择4.3 数据采集与传输机制的设计4.4 数据处理与分析方法的选择第五章：无线传感器网络环境监测系统的性能评估5.1 性能指标的选择5.2 实验环境的搭建5.3 实验结果的分析与评估第六章：系统优化与改进6.1 节点能量管理策略6.2 数据传输机制的优化6.3 网络拓扑结构的改进第七章：实验结果与分析7.1 实验结果的展示7.2 实验结果的分析与讨论第八章：总结与展望8.1 主要研究内容的总结8.2 存在的问题和不足8.3 发展趋势和展望第一章：简介无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是一种由大量分布式传感器节点组成并通过无线通信进行协作的网络系统。
环境监测系统依托于无线传感器网络的特点，能够实时感知和监测环境中的各种参数，为环境管理和资源调度提供决策支持。
第二章：无线传感器网络的组成与工作原理2.1 无线传感器节点的组成无线传感器节点通常由传感器、处理器、无线通信模块和能源模块组成。
传感器负责感知环境中的各种参数，处理器负责处理和分析传感器数据，无线通信模块用于节点之间的通信，能源模块为节点提供能量供给。
基于无线传感器网络的环境监测系统设计与研究
基于无线传感器网络的环境监测系统设计与研究无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是一种由大量分布式无线传感器节点组成并具备自组织、自适应、自愈合等特点的网络系统。
它广泛应用于环境监测领域，例如空气质量监测、水质监测、温湿度监测等。
本文将针对基于无线传感器网络的环境监测系统进行设计与研究，探讨该系统的基本原理、架构设计、数据采集与处理以及应用前景等方面内容。
一、基本原理基于无线传感器网络的环境监测系统是利用分布式无线传感器节点感知环境参数，并将采集的数据通过无线方式传输到数据处理中心进行分析与处理的系统。
其主要原理包括环境参数采集、无线传输、数据处理与分析。
1.1 环境参数采集通过在地理位置上广泛分布的传感器节点，环境参数如温度、湿度、气体浓度等可以被实时监测。
每个传感器节点都可以感知周围环境的变化，并将采集的数据传输给主节点。
传感器节点的部署密度和分布范围需要根据监测需求和环境特征进行合理设计，以充分覆盖监测区域。
1.2 无线传输传感器节点通过无线通信技术将采集的数据传输到主节点或基站。
无线传输技术如WiFi、蓝牙、Zigbee等被广泛应用于无线传感器网络中，提供了灵活和便捷的数据传输能力。
传感器节点之间通过多跳通信方式，从而实现远距离的数据传输。
1.3 数据处理与分析主节点或基站接收到传感器节点传输的数据后，需要进行数据的处理和分析。
这包括数据清洗、去噪、数据融合等过程，以得到准确、可靠的数据信息。
经过处理后的数据可以被用于环境模型的建立和预测，或用于提供实时的环境监测结果。
二、架构设计基于无线传感器网络的环境监测系统的架构设计主要包括传感器节点、传输网络、数据处理与管理三个层次。
2.1 传感器节点传感器节点是环境监测系统的基本组成单元，包含传感器、存储器、通信模块、能量管理模块等组件。
传感器节点通过感知环境参数并将数据传输给主节点，实现环境数据的采集功能。
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收稿日期:2006-12-09
基金项目:江苏省普通高校高新技术产业发展重点项目(JHB05-05);
江苏省高技术研究项目(BG2006341);南京市科技发展计划专项(200701067)作者简介:王雪梅(1981—),女,山东省金乡县人,在读硕士生,主要研究方向为无线传感器网络;徐本崇(1982—),男,山东省淄博市人,在读硕士生,主要研究方向为无线传感器网络;陈俊杰(1958—),男,江苏南通人,博士,教授,主要研究方向为无线传感器网络,机器人感知及控制技术,虚拟测控技术及系统。
用于环境监测的无线传感器网络节点的设计与实现王雪梅,徐本崇,陈俊杰(东南大学仪器科学与工程学院,江苏南京 210096)
摘要:无线传感器网络具有很强的应用相关性,在不同应用要求下需要配套不同的硬件平台和软件系统。以核化污染区域环境和气象环境监测为应用背景,以温度和湿度等为检测参量,设计并研制无线传感器网络小型节点。实验测试表明节点能够有效地采集和处理数据,并可以在节点间成功地进行通信。关键词:无线传感器网络;应用相关性;温度;湿度;小型节点中图分类号:TP216;TP393 文献标识码:A 文章编号:1000-8829(2007)11-0001-03
DesignandImplementationofWirelessSensorNetworkNodeApplyingtoMonitoringEnvironment
WANGXue2mei,XUBen2chong,CHENJun2jie(SchoolofInstrumentScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)
Abstract:Wirelesssensornetworkhasverystrongapplicationrelativity,anddifferenthardwareplatformsandsoftwaresystemsareneededunderdifferentapplicationrequirements.Bytakingmonitoringtheareapollutedbynuclearradiationandchemicalsandweatherenvironmentasapplicationbackground,temperatureandhumidityetcasinspectingparameters,tinywirelesssensornetworknodesaredesignedanddeveloped.Theexperimentsresultsoftestingnodesindicatethatnodescangatherandprocessdataeffective2lyandcommunicatesuccessfullybetweennodes.Keywords:wirelesssensornetwork;applicationrelativity;temperature;humidity;tinynode
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价小型或微型无线传感器网络节点组成,通过无线通信方式形成一个多跳的自组织智能网络系统。其应用前景非常广阔,现正逐步深入到人类生活的各个领域,比如医疗护理[1～4]、建筑结构健康监测[5]等。环境监测也是一类典型的无线传感器网络应用,如加州大学伯克利分校计算机系的Intel实验室和大西洋学院联合开发了一个名为“in2situ”的利用无线传感器网络监测海岛生态环境的项目,并在大鸭岛(GreatDuckIsland)开展了对海燕栖息地生态环境的研究[6]。实际上,无线传感器网络就是在特定应用背景下,以一定的网络模型规划的一组传感器节点的集合,因此传感器节点不仅是网络硬件系统的主体,而且也是整个网络软硬件系统最主要和最核心的部分,因此传感器节点成为许多研究人员研究的热点[7～9]。以下介绍的就是一种用于监测核化污染区域和气象环境的无线传感器网络节点的设计与实现,主要检测监测环境中的温度、湿度和大气压。
1 节点总体设计思想无线传感器网络系统的核心是传感器节点,以核化污染区域和气象环境为应用背景进行节点设计必须满足以下几个主要条件:
①网络性:节点必须能够自组织地形成采集、处理和收发监测数据的多跳无线网络系统,这就要求节点必须要有足够的存储空间和数据采集、处理速度等。②小型化:无线传感器网络的具体应用要求节点的体积足够小,以保证不会对目标系统本身的特性造成影响;另外有限的硬件资源也限定了软件代码应尽量精简。③低成本:低成本是无线传感器网络节点的基本要求,也是大规模无线传感器网络广泛应用的前提,因此必须保证低成本。④低功耗:由于设备的体积有限性及无线传感器网络监测环境的特殊性(比较恶劣),不可能使用通常的工业电能,只能靠电池长期供电,所以要使用低功耗的器件以节约能源。⑤灵活性:节点通过提供一系列软硬件标准,实现面向应用的编程。⑥稳定性:要求节点的各个部件都能够在给定的外部环境变化范围内正常工作,硬件节点在恶劣环境下稳定工作,在硬件出现问题时能够通过软件及时感知并采取积极的措施,如系统重新启动或者对采集的数据进行非线性校准等。根据上述几点要求,本设计节点的总体框图如图1所示。
・1・用于环境监测的无线传感器网络节点的设计与实现图1 无线传感器网络节点总体框图2 具体方案实施在图1所示中,无线传感器网络节点由处理器模块、传感器模块、无线通信模块和能量供应模块4部分组成。处理器模块负责控制整个节点的操作、转换、存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;传感器模块负责采集监测区域内的信息,并将所采集数据传送给处理器模块;无线通信模块与其他节点进行无线通信,交换控制信息和收发采集数据;而能量供应模块为无线传感器网络节点提供运行所需的能量。2.1 处理器模块处理器模块是无线传感器网络节点的计算核心,所有的设备控制、任务调度、能量计算和功能协调、通信协议、数据整合和数据转储程序都将在这个模块的支持下完成,所以处理器的选择在节点设计中至关重要。根据传感器节点所使用的处理器要求外形尽量小、集成度尽量高、功耗低而且支持睡眠模式、运行速度尽量快、成本尽量低以及要有足够的外部通用IO端口等特点,本设计选用AT公司的高档8位单片机ATmega128L作为节点的微处理器芯片,其具有以下特点:①最高8MHz的工作频率,大多数指令在一个周期内完成,运算速率高;②片内128KB
Flash,4KBSRAM和4KBE2PROM;③支持省电模式、掉电模式等多种睡眠模式;④具有多种总线和充足的IO接口;⑤具有A/D、D/A接口;⑥低电压,体积小。本设计的处理器模块如图2所示。温湿度传感器U7、大气压传感器U8(见图4)均通过多
路模拟开关U3将采集到的数据送给单片微处理器单元芯片U1
进行处理。在实际环境中,可能会有很多不能实时转发的数据或者需要缓存的数据,这时内部的Flash容量可能就不能满足要求,所以使用外部存储器单元U2来存储这些数据。2.2 无线通信模块无线通信模块是耗能的主要模块,因此必须慎重选择。考虑到无线传感器网络节点的通信模块必须是能量可控的,并且收发数据的功耗要非常低,所以选用了Chipcon公司的cc1000
无线收发芯片。cc1000具有低供电电压,极低功耗,工作频带为315,433,866,915MHz,-109dBm的高灵敏度,-20～10
dBm的可编程输出功率和大约200m的传输范围,TSSOP228封装,集成了位同步器等特点。其FSK数传可达72.8kb/s,具有250Hz步长可编程频率能力,适用于跳频协议;主要工作参数能通过串行总线接口编程改变,使用非常灵活。无线收发模块的原理如图3所示。cc1000编程线与数据线是分别与处理器芯片连接的,这样就可以在收发数据的同时方便地读到cc1000内部寄存器的状态,从而就能更有效地控制通信过程。图2 处理器模块原理图图3 无线收发模块原理图2.3 传感器模块本设计中需要监测的环境参量主要是温度、湿度和大气压,所以传感器选择温湿度传感器U7、大气压传感器U8,二者经多路模拟开关U3将采集到的数据通过I2C总线传送给单片微处理器芯片U1进行处理。其原理如图4所示。图4 传感器模块原理图2.4 能量供应模块本设计的无线传感器网络节点是针对核化污染区域和气象环境而设计的,如果按照传统做法采用普通干电池供电,由于电池容量有限,即使节点本身功耗极小,电池漏电流的存在也将大大缩短电池的寿命,特别是在较潮湿的环境中使用而未采用一定保护措施,或电池本身的质量问题等造成电池的自身放电,节点也将由于能量耗尽而很快失效。考虑到在核化污染区域环和气象环境中或多或少地总有直射光或反射光,这就使得利用太阳能对节点供电成为可能。由于存在太阳能的非连续性和节点工作连续性的矛盾,不能直接利用太阳能对节点进行供电,所以采用充电电池给节点充电,并用电池电压测量单元对充电电池电压进行监测,当低于某个阈值时,控制太阳能电池板给充电电
・2・《测控技术》2007年第26卷第11期图6 测试程序流程图池充电,直到电压高于某值时,切断太阳能电池板对充电电池的充电。这种充电可以是断续的,即太阳能电池板的电压足以给充电电池充电时就自动给充电电池充电,直到监测到电压高于某值。具体实现电路如图5所示。图5 电源电路设计图由图5可知:本设计的电源单元主要包括电源电压检测芯片U9、电源指示LED、太阳能电池板充电控制电路(RT1、V1、V2、V3)等。VCCT接太阳能电池板正极,Vcc是充电电池正极,芯片U9提供参考电压,用来检测电池的剩余电压。处理器周期性检测剩余电压,并与阈值进行比较,发现超出阈值时,控制V3,进而控制V2的通断,从而控制太阳能电池板VCCT对充电电池的充电。要注意的一点是,下限阈值的设定应满足下面的原则,即在监测到电池电压低于阈值时,剩余电量仍能够让节点继续工作很长时间,也就是说即使在太阳能充电状态下,很长时间都没有足够的阳光也不会导致节点失效。如果设置得偏低,在太阳能充电状态下很长时间没有阳光,可能导致因电压过低使节点停止工作。3 样机测试实验3.1 测试软件设计为了验证所设计节点的有效性,设计了相应的测试软件,其程序流程如图6所示。在通信过程中,数据必须有统一的格式。数据包的格式如下:在测试过程中,只对两个节点进行测试,所以目的地址和源地址就是确定的。而地址字节由级别和编号两部分组成,高3位表示级别,低5位表示编号。所以在这里就假设两个节点分别编号为1号节点和2号节点,级别分别为1和2(默认基站为0)。若1号节点向2号节点发送#20H、#22H、#2EH3个字节的数据,则数据包为:42H21H03H20H22H2EH70H 其中,校验码是由所有有效数据相加得到的一个字节无符号数。此数据由微控制器发给cc1000后,cc1000还会对其进行包装,加入字头和CRC校验。3.2 实验结果所设计节点实物如图7所示。通过JTAG调试接口对处理器芯片内部的Flash进行编程,传感器节点能够成功地采集和处理数据,本次测试以所在实验室为测试环境,