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無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理技術，在現實生活中得到了越來越廣泛的應用。隨著通信技術、嵌入式技術、傳感器技術的發展，傳感器正逐漸向智能化、微型化、無線網絡化發展。目前，國內外主要研究無線傳感器網絡節點的低功耗硬件平臺設計、路南算法和拓撲控制、網絡協議、定位技術等。這個設計以檢測光線強度的傳感器為例，實現了一個無線傳感器網絡，根據傳感器所檢測的光線強弱來關閉或開啟指示燈。這種傳感器網絡綜合了嵌入式技術、傳感器技術、短程無線通信技術，有著廣泛的應用。該系統不需要對現場結構進行改動，不需要原先任何固定網絡的支持，能夠快速布置，方便調整，并且具有很好的可維護性和拓展性。 IEEE 802.15.4標準 IEEE 802.15.4標準適用于低速率、低功耗、低復雜度和短距離數據傳輸的無線個域網(WPAN)。在網絡內的無線傳輸過程中，采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問機制(CSMA／CA)，支持超幀結構和時槽保障機制(GTS)。網絡拓撲結構可以是星型網或點對點的對等網。該標準定義了3種數據傳輸頻率，分別為868MHz、915MHz、2.4GHz。前兩種傳輸頻率采取BPSK的調制方式，后一種采取0-0PSK的調制方式。各種頻率分別支持20 kbit／s，40kbit／s和 250 kbit／s的無線數據傳輸速率，傳輸距離在0m～70m之間。本義中采用的是頻率為2.4GHz的無線發射模塊。 無線傳感器網絡的實現 網絡平臺組建 無線傳感器網絡平臺由光強傳感器模塊、微處理器模塊、無線發射模塊三個部分組成，如圖1所示。微處理器模塊和無線發射模塊集成在一塊板子上，而光強傳感器模塊通過接口與微處理器相連，這樣可以通過更換不同的傳感器模塊來應用于各種場合。 光強傳感器模塊 由于各種不同的應用場合中需要采集的模擬量千籌萬刖，網絡平臺中傳感器模塊采用了擁有50針插針的通用接口。這樣可以通過更換不同的傳感器模塊子板來應用于各種場合。傳感器電路部分設計采用power。gating技術在無數據采集任務時降低功耗。 微處理器模塊 微處理器選用8位低功耗微控制器ATMEGA128，數據吞吐率很高，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。相對于其他通用的8位微處理器來說，它具有非常豐富的資源，具有片內128k字節的程序存儲器(Flash)，4k字節的數據存儲器(SRAM，可外擴到64k)和4k字節的EEPROM。它高速和大容量RAM的特性，為處理數據包提供了便利。 無線發射模塊 無線發射模塊采用的是Chipcon公司的CC2420芯片。CC2420是TI-Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發器。該芯片只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。 組網類型 在本文中，無線傳感器網絡采取星型拓撲結構，由一個網絡協調器作為中心節點，可以跟任何一個普通節點通信。普通節點上含有光強傳感器對周圍環境中的光信號強度參數進行測量、采樣，將采集到的數據發往中心節點，并且可以對中心節點發來的數據、命令進行分析處理，完成相應的操作。若兩個普通節點之間要傳送數據則必須經過中心節點，由中心節點把數據傳送到相應的節點上。 組網流程 無線傳感器網絡是一個自組織的網絡，如果一個全功能節點被激活，它就可能建立一個網絡并把自己沒為網絡協調器，其他的普通節點可以申請加入該網絡。這樣就可以建成一個具有星型拓撲結構的無線傳感器網絡。本文中的無線傳感器網絡支持超幀結構，網絡協調器經過能量掃描、主動信道掃描后，按照設定的參數周期性的發送信標幀。普通節點首先經過能量掃捕和被動信道掃描后，獲取信標幀中包含網絡特征的參數，如信標序號(beaconorder)、超幀序號(superframeorder)和網絡標號等。通過mlmeSyncRequest()函數(根據MLME-SYNC.request原語編寫)請求與網絡協調器同步，再通過mlmeAssociateRequest()函數(根據MLME-ASSOCIATE.request原語編寫)請求與網絡協涮器關聯。在與網絡協調器關聯的過程中，網絡協調器為每個請求關聯的普通節點分配16位的短地址。這樣在以后的數據傳送中就可以用短地址進行通信，提高通信效率、降低發射中的能量消耗，從而延長網絡的使用壽命。 數據傳輸機制 數據格式 在IEEE 802.15.4標準中定義了四種幀，分別是信標幀、數據幀、命令幀、確認幀。存燈光控制的無線傳感器網絡中，這四種幀都得到了應用。 (1) 信標幀：用以網絡協調器在支持超幀結構的第一個時槽向其臨近節點廣播信標，當附近的節點接受到信標幀后就可以申請加入該網絡。信標幀的結構如表1所示，在幀控制域中定義了幀的類型為信標幀。 由于本文中的無線傳感器網絡系統采用相對簡單的星型拓撲結構，在信標幀的結構上與IEEE802.15.4標準有所不同：在信標幀的地址域中儀包含源節點的網絡標號和短地址，不包含目的節點信息(因為采用廣播方式發送)。在信標幀中沒有GTS域，不支持時槽保障機制。 (2) 數據幀：用來傳送含有光強度信息的數據。數據幀的結構如表2所示，在幀控制域中定義了幀的類型為數據幀。 在地址域中包含源節點和目的節點的剛絡標號和短地址。由于數據幀的傳送方向有兩種：從普通節點傳向中心節點和從中心節點發送給普通節點。它們的數據負載域的長度不同，分別20字節和1字節。 (3) 命令幀：用于組建無線傳感器網絡、傳輸同步數據等。命令幀在格式上和其他類型的幀沒有太多的區別，其結構如表3所示。 在幀控制域中定義了幀的類型為命令幀，其地址域根據不同的命令存存兩種長度，命令幀的具體功能由幀的負載數據表示。負載數據是一個變長結構，所有命令幀負載的第一個字節是命令類型字節，后面的數據針對不同的命令類型有不同的含義。在本文所建立的無線傳感器網絡中，用到的命令類型有關聯請求(association request)、關聯響應(Association response)、數據請求(Data request)等。 (4) 確認幀：用以確認目標節點成功接收到數據幀或命令幀。當目標節點成功接收到數據幀或命令幀后，就發送一個確認幀給發送方。發送方接收到這個確認幀說明發送成功。若在規定的時間內沒有接收到確認幀，則重發該數據幀或命令幀。確認幀的結構如表4所示。 在幀控制域中定義了幀的類型為確認幀。確認幀的序列號要與被確認幀相同，并且負載長度為零。確認幀緊接著被確認幀發送，不需要使用CSMA-CA機制競爭信道。 傳輸流程 在整個無線傳感器網絡中，采取的是普通節點定時讀取其傳感器上的光強數據，并將光強數據發送給中心節點。中心節點對接受到的數據進行處理后傳送給相應的節點用以控制其上的指示燈。在中心節點上的數據處理流程如圖2所示。 首先，網絡絡協調器對接收到的數據幀進行檢驗，圖中的"節點判斷"是判斷是否為指定節點的傳感器數據。若接收的數據是指定節點上的數據，則將該數據與一個光強度閾值進行比較來設定控制變量(用來控制燈的開關狀態)。反之，則不進行發送操作。然后，判斷帶有指示燈的節點是否加入網絡。若在網絡中找到帶有指示燈的節點，則中心節點將控制變量作為數據幀負載發送給它。反之，則不發送帶有控制變量的數據幀。 結束語 在我們設計的無線傳感器網絡中，普通節點將它采集的光強數據發送給網絡協調器，網絡協調器將含有控制變量的數據幀發送給帶有指示燈接點的同時，還可以通過串口將光強度數據傳送給計算機。通過安裝存計算機上的后臺軟件，可以看出光強度信號的變化。如圖3所示，通過遮蓋光強傳感器可以改變采集到的光強數據，當光強度比較低時曲線下降，反之曲線上升。從圖3中，可以明顯看出，在這一段時間中傳感器被遮蓋了兩次。 設計實現了無線傳感器網絡，從無線傳輸協議的制定、傳輸過程控制等幾個方面進行了論述。在實際運用中，只要對具體的傳感器進行更換，就可以適用于各種各樣的傳感器網絡。此系統適用于家庭、大廈內部環境質量的監控及智能化處理。由于無線傳感器系統組網靈活，采用模塊化的設計，故具有很好的移植性和擴展性，隨著人們生活水平的提高，此系統在智能家電、家庭環境的智能調節上有著廣闊的前景。 |
