自组织无线传感器网络设计方案

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   引言

 
  传感测试技术正朝着多功能化、微型化、智能化、网络化、无线化的方向发展。自组织无线传感器网络(SelfOrganizingWirelessSensorNetworks)作为新兴技术,是目前国外研究的热点,其在军事、环境、健康、家庭、商业、空间探索和灾难拯救等领域展现出广阔的应用前景。早在2003年美国自然科学基金委员会已经斥巨资来支持这方面的研究,并且出现了一些致力于无线传感器网络的公司,其中Crossbow公司已推出了Mica系列传感器网络产品。国内很多大学现已经开展相关领域的研究,但大部分工作仍处在自组织无线网络协议性能仿真和硬件节点小规模实验设计阶段。本文就国防科技大学传感器教研室开展可应用于环境监测方面无线传感器网络设计与实现进行介绍。
 
  1 无线传感器网络硬件设计
 
  无线传感器网络模型(如图1所示)是不同于传统无线网络的无基础设施网,通过在监测区域内随意布撒大量传感器节点(简称节点),由各节点自行协调并迅速组建通信网络,在能量利用率优先考虑原则下进行工作任务划分以获取监视区域信息。网络的自组织特性体现在当节点失效或新节点加入时网络能够自适应重新组建,以调整全局的探测精度,充分发挥资源优势,即网络中的各节点除具备数据采集功能外兼有数据转发实现多跳的路由功能。
 
无线传感器网络模型
 
图1 无线传感器网络模型
 
  1.1 节点组成
 
  典型的无线传感器网络节点由数据采集、处理、传输和电源4个主要部分组成。传感探测单元由传感器进行监测区域内待测对象的信息采集;微控制单元实现数据的分析、处理和存储等功能;无线传输单元负责低功耗短距离节点间通信;供电单元选取小型化、高容量的电池,以确保节点的长寿命和微型化。具体节点设计如图2和图3所示。
 
无线传感器网络节点结构
图2 无线传感器网络节点结构
 
无线传感器网络节点实物图片锁定
图3 无线传感器网络节点实物图片锁定
 
  (1)无线传输单元
 
  无线收发模块选用挪威Nordic公司推出的nRF401芯片。nRF401是工作在ISM频段433.92MHz/434.33MHz的单片无线收/发一体芯片,是包括了高频发射/接收、PLL合成、FSK调制/解调和双频道切换等单元的高集成度无线数传产品。其最高传输速率可达20Kb/s,接收灵敏度为-105dBm,最大发射功率为10dBm,较其他类别射频收发芯片外围电路设计简单。设计中工作频率在434.33MHz,微控制单元仅须提供四根口线:收发状态切换TXEN、待机与工作状态切换PWRUP和数据通信接口线DIN/DOUT。射频信号输出设计采用环形差分输出天线。
 
  (2)微控制单元
 
  TI公司MSP430系列单片机是一种具有集成度高、功能丰富、功耗极低等技术特点的16位单片机。超低功耗的混合信号控制器、丰富的片内外设、节能考虑的多种工作模式和对C语言程序设计的支持,使得MSP430系列单片机非常适合于应用在嵌入式系统中。设计中选用带有Flash存储器可进行在线编程的MSP430x13x、MSP430x14x系列单片机;外围模块有看门狗、定时器A/B、同步/异步串行通信接口、10/12位A/D以及6个8位并行端口等多种组合形式。其实现功能如下:
 
  操作无线收发芯片,为nRF401提供工作状态控制线和两条单向串行传输数据线;
  实现传感器的数据采集———加速度、温度、声音和感光强度探测;
  本地数据处理———剔除冗余数据,以减少网络传输的负载和对无线传输数据的封装与验证;
  应答远控中心查询,完成数据的转发与存储;
  区域内节点的路由维护功能;
  节点电源管理,合理地设置待机状态,以节省能量消耗,延长节点使用寿命。
  (3)传感探测单元
 
  根据实际需要选择合适传感器对监测区域内温度、湿度、振动、声音和光线等物理信号进行测试。实验设计选用了两种外围电路简单的数字式传感器、光敏器件和驻极体话筒,分别对振动、温度、光强和声音进行探测。
 
  AD公司的ADXL202是双轴向加速度传感器。其采用先进的MEMS技术,在同一硅片中刻蚀了一个多晶硅编码微机械传感器,集成精密的信号处理电路,可测静态及动态加速度,输出为周期的占空比调制(DCM)循环数字信号。测试范围为-2~+2g,测试带宽为0.01Hz~5kHz(外置单电容可调),60Hz带宽下分辨率为5mg。
  该传感器可广泛应用于惯性导航、地震监测、车辆安全和电池供电设备的运动状态测试等领域。
 
  Maxim公司的DS18B20是一线式数字温度传感器。测量结果可选用9~12位串行数据输出,测量范围为-55~125℃,在-10~85℃测量准确度为±0.5℃。
 
  光敏电阻5516是基于半导体光电效应工作的光导管,对光强感应灵敏度相当高。当受到一定波长范围的光照时,其阻值(亮电阻)急剧减小,电流迅速增加,通过参考电阻分压后进行A/D采样即可获得光敏电阻的阻值,进而换算出光照强度。
 
  驻极体话筒HX034P是电容式微麦克风。输入信号为声音信号,输出信号经MAX4466构成的前置放大电路后进行电压值A/D采样,处理器的A/D采样频率可达200kHz,可捕获到声音信号。
 
  结合使用上述几种传感器和敏感器件的无线传感器网络节点,能够实现温度、加速度(震动)的准确测量与探测;光敏电阻有其自身的光谱特性和温度特性,因此在实验中不作精确标定;另外对声音信号的捕获和复现需要进行大量的数据处理,从能量利用和传感器节点功能的精简角度考虑,实验中对声光强弱的探测通过设定阈值来给出布尔型(0或1)输出。
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