无线传感器论文

无线传感器网络在车位控制中的应用摘要本文介绍了WSN的组成结构、网络平台组建、通信机制等内容，提出了一种基于WSN的智能车位控制系统的实现方案。着重讨论该方案的实现原理、关键技术等问题。关键词WSN；车位控制；超声波传感器1引言无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，在现实生活中得到了越来越广泛的应用。随着通信技术、嵌入式技术、传感器技术的发展，传感器正逐渐向智能化、微型化、无线网络化发展［1。目前，国内外主要研究无线传感器网络节点的低功耗硬件平台设计拓扑控制和网络协议、定位技术等。这个设计以检测超声波强度的传感器为例，实现了一个无线传感器网络，根据传感器所检测的超声波强弱来决定开启或关闭车位指示灯，从而判断是否有车辆进入检测区域。这种传感器网络综合了嵌入式技术、传感器技术、短程无线通信技术，有着广泛的应用。该系统不需要对现场结构进行改动，不需要原先任何固定网络的支持，能够快速布置，方便调整，并且具有很好的可维护性和拓展性。科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术一一传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。具有感知能力、’十算能力和通信能力的无线传感器网络(WSN,wirelesssensornetworks)综合了传感器技术、嵌人式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。由于WSN的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的广泛关注，被广泛地应用于军事，工业过程控制、国家安全、环境监测等领域。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域，是当前计算机网络研究的热点。早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展，IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学(BostonUniversity)还于最近创办了传感器网络协会(SensorNetworkConsortium)，期望能促进传感器联网技术开发。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。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。2无线传感器网络的定义和特点无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点各节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。无线传感器网络操作系统TinyOS141的研制者，JasonHill博士把WSN定义为：Sensing+CPU+Radio=Thousandsofpotentialapplication哈尔滨工业大学的李建中教授将WSN定义为：WSN是由一组传感器节点以自组织的方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。从硬件上看,WSN节点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线数据收发单元以及小型电池单元组成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特点；从软件上看，它借助于节点中内置传感器有效探测所处区域的温度、湿度、光强度、压力等环境参数以及待测对象的电压、电流等物理参数，并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心进行处理、分析和转发。WSN与传统传感器和测控系统相比具有明显的优势。它采用点对点或点对多点的无线连接，大大减少了电缆成本，在传感器节点端即合并了模拟信号/数字信号转换、数字信号处理和网络通信功能，节点具有自检功能，系统性能与可靠性明显提升而成本明显缩减。无线传感器网络具有以下特点：1、硬件资源有限。WSN节点采用嵌入式处理器和存储器，计算能力和存储能力十分有限。所以，需要解决如何在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理的难题。2、电源容量有限。为了测量真实世界的具体值，各个节点会密集地分布于待测区域内，人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量或者自己从外汲取能量(太阳能)。当自身携带的电池的能量耗尽，往往被废弃，甚至造成网络的中断。所以，任何WSN技术和协议的研究都要以节能为前提。3、无中心。在无线传感器网络中所有节点的地位都是平等的，没有预先指定的中心，是一个对等式网络。各节点通过分布式算法来相互协调,在无人值守的情况下，节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没有中心，网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。4、自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。5、多跳(Multi-hop)路由。WSN节点通信能力有限，覆盖范围只有几十到几百米，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。WSN中的多跳路由是由普通网络节点完成的。6、动态拓扑oWSN是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。7、节点数量众多，分布密集。WSN节点数量大、分布范围广，难于维护甚至不可维护。所以，需要解决如何提高传感器网络的软、硬件健壮性和容错性。8、传输能力的有限性。无线传感器网络通过无线电波进行数据传输虽然省去了布线的烦恼，但是相对于有线网络,低带宽则成为它的天生缺陷。同时，信号之间还存在相互干扰，信号自身也在不断地衰减，诸如此类。不过因为单个节点传输的数据量并不算大这个缺点还是能忍受的。9、安全性的问题。无线信道、有限的能量分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此^安全性在网络的设计中至关重要。3无线传感器网络的实现3.1网络平台组建无线传感器网络平台由超声波传感器模块、微处理器模块、无线发射模块三个部分组成，如图1所示。微处理器模块和无线发射模块集成在一块板子上，而超声波传感器模块通过接口与微处理器相连，这样可以通过更换不同的传感器模块来应用于各种场合。3.1.1超声波传感器模块由于超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现［4］。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。为了使汽车能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。本文所介绍的三方向（前、左、右）超声波测距系统，就是为后台工作人员了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息［5］。图1无线传感器网络节点结构图2无线传感器网络节点通信拓扑结构SL-SRF-25超声波传感器，接上电源，可以单独作为超声波测距使用，由3位LED数码管显示障碍物距离，3位LED数码管采用积木式插装方式，便于调试检查及使用在不同场合。测量范围10cm-250cm，测距小于100cm时，误差是1〜2cm.,大于100cm时，误差是4〜5cm。SL-SRF-25超声波传感器，还可以指定从单片机I/O端口上输出分段距离检测信号。3.1.2微处理器模块处理器模块选择美国加州伯克利大学的Mica2模型节点。节点板上提供如下功能：433MHz中心频率的无线通信接口，通过编程可以定制多种功能：能够提供-20db~10db多种通信功率；能够在曼彻斯特编码方式下提供从0.3kbps〜38.4kbps多种传输速率；能够在433M附近设置多种通信频率，频率间隔为76k。它高速和大容量RAM的特性，为处理数据包提供了便利。3.1.3无线发射模块无线发射模块采用桑锐电子科技公司的SRWF-501型微功率无线模块射频收发器。该芯片只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。该收发器提供3个串口3种接口方式，COM1为TTL电平UART接口，COM2为标准的RS-232接口标准的RS-485接口；晶体稳频，内置数字锁相环，频点根据用户需要在300—1000MHz范围内可以灵活设置；自动过滤噪声，简化了用户接口的编程，做到与有线一样方便；“收”“发”自动切换，无需专用的收发控制线，不发数据时为常态“收”状态；发数据时自动转换为“发”状态，“发”完后自动回到“收”；微发射功率：最大发射功率10mW。SRWF-501的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。3.2系统软件平台选择美国加州伯克利大学开发的TinyOS系统开发环境。TinyDB是TinyOS的查询处理系统，它能够从无线网络中的sensor节点上提取数据和信息。TinyOS为TinyDB提供了一个可视化的JAVAAPI窗口，可以进行实时查询。3.3组网类型在本文中，无线传感器网络采取星型拓扑结构(如图2),由一个网络协调器作为中心节点，可以跟任何一个普通节点通信。普通节点上含有超声波传感器对周围环境中的超声波信号强度参数进行测量、采样，将采集到的数据发往中心节点，并且可以对中心节点发来的数据、命令进行分析处理，完成相应的操作。若两个普通节点之间要传送数据则必须经过中心节点，由中心节点把数据传送到相应的节点上。3.4组网流程无线传感器网络是一个自组织的网络，如果一个全功能节点被激活，它就可能建立一个网络并把自己设为网络协调器，其它的普通节点可以申请加入该网络⑹。这样就可以建成一个具有星型拓扑结构的无线传感器网络。本文中的无线传感器网络支持超帧结构，网络协调器经过能量扫描、主动信道扫描后，按照设定的参数周期性的发送信标帧。普通节点首先经过能量扫描和被动信道扫描后，获取信标帧中包含网络特征的参数，如信标序号、超帧序号和网络标号等。通过同步请求与网络协调器同步，再通过匹配请求与网络协调器关联。在与网络协调器关联的过程中，网络协调器为每个请求关联的普通节点分配16位的短地址［7］。这样在以后的数据传送中就可以用短地址进行通信,提高通信效率、降低发射中的能量消耗,从而延长网络的使用寿命。3.5数据传输机制3.5.1数据格式在IEEE802.15.4标准中定义了四种帧，分别是信标帧、数据帧、命令帧、确认帧2］。信标帧：用以网络协调器在支持超帧结构的第一个时槽向其临近节点广播信标，当附近的节点接受到信标帧后就可以申请加入该网络。由于本文中的无线传感器网络系统采用相对简单的星型拓扑结构，在信标帧的结构上与IEEE802.15.4标准有所不同：在信标帧的地址域中仅包含源节点的网络标号和短地址，不包含目的节点信息(因为采用广播方式发送)。数据帧：用来传送含有超声波度信息的数据。在地址域中包含源节点和目的节点的网络标号和短地址。由于数据帧的传送方向有两种：从普通节点传向中心节点和从中心节点发送给普通节点。命令帧：用于组建无线传感器网络、传输同步数据等。命令帧在格式上和其它类型的帧没有太多的区别。确认帧：用以确认目标节点成功接收到数据帧或命令帧。当目标节点成功接收到数据帧或命令帧后，就发送一个确认帧给发送方。发送方接收到这个确认帧说明发送成功。若在规定的时间内没有接收到确认帧，则重发该数据帧或命令帧。在帧控制域中定义了帧的类型为确认帧。确认帧的序列号要与被确认帧相同，并且负载长度为零。确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用CSMA-CA机制竞争信道⑻。3.5.2传输流程在整个无线传感器网络中，采取的是普通节点定时读取其传感器上的超声波数据，并将超声波数据发送给中心节点。中心节点对接受到的数据进行处理后传送给相应的节点用以控制其上的车位置位标志。首先，网络协调器对接收到的数据帧进行检验，图2中的"中心节点判断"是判断是否为指定节点的传感器数据。若接收的数据是指定节点上的数据，则将该数据与一个超声波度阈值进行比较来设定控制变量（用来控制车位的开关状态）［9］。反之，则不进行发送操作。然后，判断带有空闲的节点是否加入网络。若在网络中找到带有空闲的节点，则中心节点将控制变量作为数据帧负载发送给它。反之，则不发送带有控制变量的数据帧。4需要解决的问题就目前的技术水平来说，让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题：1．网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。2．成本问题。在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。3．系统能量供应问题。目前主要的解决方案有：使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。其中后两者备受关注。4．高效的无线传感器网络结构。无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。在这里面，还包括网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。总之。无线传感器网络应用前景非常诱人。无线传感器网络（WSN）被认为是影响人类未来生活的重要技术之一，这一新兴技术为人们提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径。由于WSN本身的特点，使得它与现有的传统网络技术之间存在较大的区别，给人们提出了很多新的挑战。由于WSN对国家和社会意义重大，国内外对于WSN的研究正热烈开展，希望能够引起测控领域对这一新兴技术的重视，推动对这一具有国家战略意义的新技术的研究、应用和发展。5结束语在我们设计的无线传感器网络车位控制系统中，