無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與應(yīng)用

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由散布在工作區(qū)域中大量的體積小、成本低、具有無線通信、傳感和數(shù)據(jù)處理能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可能具有不同的感知形態(tài)，例如聲納、震動(dòng)波、紅外線等，節(jié)點(diǎn)卻可以完成對(duì)目標(biāo)信息的采集、傳輸、決策制定與實(shí)施，實(shí)現(xiàn)區(qū)域監(jiān)控、目標(biāo)跟蹤、定位和預(yù)測(cè)等任務(wù)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有存儲(chǔ)、處理、傳輸數(shù)據(jù)的能力。通過無線網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以相互交換信息，也可以把信息傳送到遠(yuǎn)程端。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通訊體系結(jié)構(gòu)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)需要自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，相對(duì)于一般意義上的自組織網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)有以下一些特點(diǎn)，需要在體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中特殊考慮。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，這就對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性提出了要求，由于傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目多、開銷大，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常不具備全球唯一的地址標(biāo)識(shí)，這使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層相對(duì)于一般網(wǎng)絡(luò)而言有很大的簡(jiǎn)化。

　　自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的特點(diǎn)就是能量受限，傳感器節(jié)點(diǎn)受環(huán)境的限制，通常由電量有限且不可更換的電池供電，所以在考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)以及各層協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)，節(jié)能是設(shè)計(jì)的主要考慮目標(biāo)之一。

　　由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的環(huán)境的特殊性，無線信號(hào)不穩(wěn)定以及能源受限的特點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)受損的概率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因此自組織網(wǎng)絡(luò)的健壯性保障是必須的，以保證部分傳感器網(wǎng)絡(luò)的損壞不會(huì)影響全局任務(wù)的進(jìn)行。

　　傳感器節(jié)點(diǎn)高密度部署，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快。對(duì)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的維護(hù)也提出了挑戰(zhàn)。

　　根據(jù)以上特性分析，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求設(shè)計(jì)適應(yīng)自身特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法的標(biāo)準(zhǔn)化提供統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，使其能夠滿足用戶的需求。無線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，即橫向的通信協(xié)議層和縱向的傳感器網(wǎng)絡(luò)管理面。通信協(xié)議層可以劃分為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。而網(wǎng)絡(luò)管理面則可以劃分為能耗管理面、移動(dòng)性管理面以及任務(wù)管理面，管理面的存在主要是用于協(xié)調(diào)不同層次的功能以求在能耗管理、移動(dòng)性管理和任務(wù)管理方面獲得綜合考慮的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

　　圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通訊體系結(jié)構(gòu)

　　基于CC2510的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。從小體積、低功耗和高可靠性節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和自組織協(xié)議的角度，基于CC2510的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)能方便地實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)自組織和數(shù)據(jù)多點(diǎn)跳傳的無線通訊協(xié)議。

　　Chipcon公司的CC2510芯片是一塊內(nèi)嵌8051單片機(jī)的單片可編程UHF收發(fā)器芯片。該芯片除了以8051技術(shù)為核心外，還內(nèi)嵌32kB的Flash存儲(chǔ)器、4kB的SRAM，以及8通道8-14 b i t A/D轉(zhuǎn)換器、1個(gè)16位定時(shí)器和3個(gè)8位定時(shí)器、2個(gè)UART/SPI、RTC、看門狗電路、DES編碼和21個(gè)通用I/O.芯片的高度集成結(jié)構(gòu)使其具有高速度、高靈敏度性、低功耗、低成本、集成單片機(jī)和位判決、同步、頻率靈活性等特點(diǎn)。

　　以往的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是將數(shù)據(jù)處理控制模塊和通信模塊分開，至少使用兩塊芯片。CC2510芯片使原有的數(shù)據(jù)處理控制和通信兩大模塊的設(shè)計(jì)只需要1塊6mmx6mm芯片就可以完成，減少了整個(gè)系統(tǒng)體積，降低了成本。而且無線收發(fā)電路和8051單片機(jī)系統(tǒng)有機(jī)地整合在同一晶片上，最大限度地減少了單片機(jī)數(shù)字電路對(duì)高頻模擬電路的干擾，提高了可靠性。圖2為應(yīng)用CC2510芯片的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框架。

　　圖2 基于CC2510芯片的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框架

　　該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)基站和若干個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，文中以6個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)為例。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)中轉(zhuǎn)其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包和采集、處理、壓縮數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。基站節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)出控制命令和接收各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)回的數(shù)據(jù)，并通過RS232接口把數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)。PC機(jī)對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理。網(wǎng)絡(luò)組成如圖3所示。

　　圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成

　　工廠“可穿戴設(shè)備”的無線傳感器網(wǎng)

　　工廠的“可穿戴”設(shè)備通過無線傳感器網(wǎng)可以隨時(shí)聯(lián)網(wǎng)測(cè)量、隨時(shí)移動(dòng)、數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)、可分析、可聯(lián)網(wǎng)查看數(shù)據(jù)等。以某公司基于CC2510的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為例，它可以測(cè)量環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、設(shè)備表面溫度、冷庫(kù)內(nèi)部溫度等多種物理量，并通過900M無線網(wǎng)絡(luò)將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端。該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安裝時(shí)不需要技術(shù)員，自己就能完成安裝;在非特殊場(chǎng)合時(shí)，不需要設(shè)置參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)接數(shù)據(jù);無線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)互聯(lián)，不需要邊安裝邊調(diào)試，極大的縮短了安裝工期。

　　圖4 無線接收端

　　圖4所示的無線接收端分為可記錄接收端和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接收端兩種，其中可記錄接收端配有存儲(chǔ)卡和大屏顯示，使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示一體化并可手持移動(dòng)收數(shù)。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接收端可以將收到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)、無線3G等多種連接方式，實(shí)時(shí)的將數(shù)據(jù)傳遞到公網(wǎng)，并利用云數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)，可方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程訪問。

　　整個(gè)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以接入多達(dá)200個(gè)無線傳感器，每個(gè)無線設(shè)備的無障礙傳輸半徑為500米，產(chǎn)品采用電池供電，2年左右需要更換一次電池。每一個(gè)無線傳感器終端均可以顯示如圖5所示的中文界面。

　　圖5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端顯示界面

　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通過圖5所示的界面可以得到中繼器接收到的數(shù)據(jù)條數(shù)，通過這個(gè)界面也可以直觀看到網(wǎng)絡(luò)通訊的穩(wěn)定性，如果有一個(gè)溫度采集端的接收數(shù)據(jù)明顯少于其它的采集端，則說明該采集端的通訊不穩(wěn)定，需要進(jìn)行位置或者方向上的調(diào)整。如果用戶對(duì)與功耗要求比較高，通過觀察計(jì)數(shù)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通訊一直很穩(wěn)定，那么將采集端的發(fā)射功率降低一級(jí)，再觀察計(jì)數(shù)，如果通訊依然穩(wěn)定則可以試著進(jìn)一步降低采集端的發(fā)射功率，以此達(dá)到降低電流消耗，從而延長(zhǎng)采集端的工作時(shí)間。

　　結(jié)束語

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的通信應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用可以涉及到人類生活和社會(huì)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來的一個(gè)無孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò)，需要各種技術(shù)支撐。目前，成熟的通信技術(shù)都可能經(jīng)過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，形成新的市場(chǎng)增長(zhǎng)點(diǎn)，創(chuàng)造無線通信的新天地。