無線感測器網路技術的實現方法

『壹』 如何開始設計無線感測器網路系統

1、如何選擇合適的無線感測器技術

無線感測器網路系統的基本架構包括三部分,第一部分是無線收發晶元,其職責是將數字信息轉換為高頻無線信號傳送出去和將接收到的高頻無線信號恢復成數字信息。無線感測器收發晶元而言,IEEE 802.15.4能為無線感測器應用提供最佳方案,這是因為IEEE 802.15.4規范可能是主要且可能唯一的實用標准。目前全球有多家公司提供這方面的收發晶元。像TI公司的CC2420,CC2520等晶元都特別適用於鈕扣電池和低電能應用的低功耗特性。實現一個典型的無線感測器網路節點和路由器,可以採用多晶元方案,如圖3所示,由一個無線收發晶元和一個微控制器(單片機)組成,微處理器可以採用低功耗的MSP430,無線晶元可以採用CC2520,CC2420等;

典型的無線感測器網路節點或者路由器隨著技術不斷發展,已經有越來越多的公司,將無線收發器晶元和微控制器和無線收發器做成了一個片上系統(SoC),例如TI公司採用8051內核的CC2430、CC2431等ZIGBEE無線單片機,隨著無線感測器網路對計算能力提高要求,最近Freescale公司也推出了ARM內核的32位ZIGBEE無線單片機. 使用這些SoC無線單片機設計無線感測器網路,將使無線感測器節點具有更小的體積,更低的功耗和更低的價格;TI公司在國內的技術合作夥伴深圳無線龍科技公司等,也同時提供這些晶元,開發工具的相關技術支持;無線感測器網路構架第二部分是運行於單片機或者無線單片機內部的嵌入式軟體,也稱軟體協議棧(network stack), 網路堆棧有兩個職責。

首先,它必須要處理節點間的無線鏈接通信質量的頻繁變化和環境因數對無線通訊造成的干擾,具有對網路自組織,自恢復的能力;網路堆棧的第二個職能是要具有很強的路由演算法能力,確保訊息可靠高效地通過各種網路拓撲(星狀,網狀等等)從源節點(如果現有,可以通過成百上千路由節點)發送到目標節點。確保通訊的實時性要求。

ZigBee聯盟是由眾多技術供應商和開發商組成的獨立標准組織。也是目前世界是最大的,基於IEEE 802.15.4平台的網路軟體協議棧標准提供聯盟;

該組織從ZIGBEE2004,ZIGBEE2006,ZIGBEE2007 ,不斷發展,目前提供的的兩個網路棧是:ZigBee和ZigBee PRO。從使用角度看,ZigBee堆棧很適合一般包含十到幾百個節點的小型網路。而ZigBee PRO是ZigBee的超集,它增加了一些功能,可對網路進行擴展並更好地應對來自其他技術的無線干擾,而且可以適應更大型的網路和具有更加可靠的路由通訊演算法和無線通訊可靠性;無線感測器網路構架第三部分應用軟體,這部分包括各種根據用戶現有開發的軟體代碼,這些代碼目前大部分是採用C語言來進行開發,可以之間以介面和API方式,調用軟體協議棧的功能;在多種無線感測器網路技術中,我們認為採用802.15.4國際標准和ZIGBEE技術,作為我們設計無線感測器系統的起步,有如下優點:

1)兼容一個全球化的可靠的國際標准;

2)可以通過TI, Freescale這樣的大型晶元供應商.獲得穩定的無線收發晶元和無線單片機來源,也可以獲得免費的ZIGBEE協議棧和相關源代碼,降低開放門檻;

3)能夠採用KEIL和IAR這樣的高性能軟體編譯調試環境,可以大大加快開放速度,縮短上市周期;

2、開始無線感測器網路系統設計准備些什麼?

首先,我們現需要進行一些知識准備,對無線感測器網路需要的技術和知識,進行准備,雖然可能我們已經熟悉單片機和相關軟體開發技術,但是無線收發器和無線SoC(無線單片機)還是有獨特的地方,而且IEEE802.15.4和ZIGBEE協議棧等,也是具有一定難度的知識領域;好在目前在無線感測器網路和無線單片機方面,已經有大量的技術書籍可供參考,圖四是一些無線感測器相關技術書籍,對入門無線感測器網路可能開卷有益;

其次,我們仍然需要一套容易使用的無線感測器網路(WSN)開發系統,這是因為:

1)我們需要一套完整的軟體編譯開發平台,包括IAR和KEIL的編譯調試環境,在線模擬器等必要的開發工具;

2)我們進入無線感測器系統設計的難度重心,是盡快掌握無線感測器網路協議棧軟體使用,同時盡快進入相關應用軟體開發,所以我們需要一套已經完成高頻測試的無線節點,網關,路由器和無線模塊來進行硬體評估和運行我們的嵌入式應用軟體和協議棧軟體;

3)我們需要相關溫度,壓力,加速度,光線,濕度等感測器介面到這個系統,方便我們系統設計;

4)我們在進入一個陌生的技術領域時,往往會有很多的困難,我們需要相應的技術支持和知識支持;

目前,很多國內企業,都已經推出了各種無線感測器網路開發工具,圖五是國內企業成都無線龍通訊科技公司的一種最新的,支持美國德州儀器TI CC2520無線收發器和TI ZIGBEE 2007/PRO協議棧的無線感測器網路(WSN)開發系統的新產品,包括在線模擬器,PC GUI網路監視控制軟體,相關源代碼無線感測器網路示範代碼包裝等,是快速進入無線感測器網路系統設計的可選擇國產工具之一;

3、設計無線感測器系統具體過程

當我們完成了上述的知識准備和相關開發工具准備後,我們就可以開始一個無線感測器設計過程了,下面,我們以一個家庭節能無線感測器網路系統為實例,看看一個無線感測器網路的實際過程;家庭節能系統框圖如圖六所示:

家庭中的電器,包括空調,洗衣機,冰箱等,構成一個典型的無線感測器網路,通過能源管理網關和安裝在戶外的無線轉發路由器,實時傳輸到能源公司電腦化管理網路和資料庫,實現對家庭能源的管理;設計任務包括設計嵌入到家電內部的無線感測器網路單元(無線節點),家庭無線顯示單元和家庭能源控制單元(無線節點或者無線路由器),能源管理網關(無線網關)等;

『貳』 ZigBee無線感測器網路拓撲結構有哪幾種

ZigBee技術具有強大的組網能力，可以形成星型、樹型和網狀網，可以根據實際內項目需要來選擇合適的網容絡結構；星型和族樹型網路適合點多多點、距離相對較近的應用。

ZigBee節點是可以組建Mesh網路的，設置一個ZigBee節點為網路協調器，其他每個ZigBee節點都可以當做路由節點來使用，也可以設置為終端節點但是就失去了路由功能。由於ZIGBEE一般都是用2。4G頻段傳輸，其實際應用中傳輸距離及穿透性都很差，一般只能傳輸幾十米到上百米。

(2)無線感測器網路技術的實現方法擴展閱讀：

相較於傳統式的網路和其他感測器相比，無線感測器網路有以下特點：

（1）組建方式自由。無線網路感測器的組建不受任何外界條件的限制，組建者無論在何時何地，都可以快速地組建起一個功能完善的無線網路感測器網路，組建成功之後的維護管理工作也完全在網路內部進行。

（2）網路拓撲結構的不確定性。從網路層次的方向來看，無線感測器的網路拓撲結構是變化不定的，例如構成網路拓撲結構的感測器節點可以隨時增加或者減少，網路拓撲結構圖可以隨時被分開或者合並。

『叄』 無線感測器網路組網要素有哪些

無線感測器網路的實現需要自組織(Ad hoc)網路技術。盡管已有許多Ad hoc網路的協議和演算法，但並不能夠滿足感測器網路的需求。具體來說，相對於一般意義上的自組織網路，感測器網路有以下一些特色，需要在體系結構的設計中特殊考慮[2]。(1)無線感測器網路中的節點數目高出Ad hoc網路節點數目幾個數量級，這就對感測器網路的可擴展性提出了要求。由於感測器節點的數目多開銷大，感測器網路通常不具備全球唯一的地址標識，這使得感測器網路的網路層和傳輸層相對於一般網路而言，有很大的簡化。此外，由於感測器網路節點眾多，因此，單個節點的價格對於整個感測器網路的成本而言非常重要。(2)自組織感測器網路最大的特點就是能量受限。感測器節點受環境的限制，通常由電量有限且不可更換的電池供電，所以在考慮感測器網路體系結構以及各層協議設計時，節能是設計的主要考慮目標之一。(3)由於感測器網路應用的環境的特殊性、無線信道不穩定以及能源受限的特點，感測器網路節點受損的概率遠大於傳統網路節點，因此自組織網路的健壯性保障是必須的以保證部分感測器網路的損壞不會影響到全局任務的進行。(4)感測器節點高密度部署，網路拓撲結構變化快，對於拓撲結構的維護也提出了挑戰。 http://www.schneider-electric.cn/sites/china/cn/procts-services/automation-control/procts-offer/function-presentation.page?p_function_id=5007

『肆』 無線感測器網路可能採用哪些無線通信方式

基於XL.SN智能感測網路的無線感測器數據採集傳輸系統，可以實現對溫度，壓力，氣體，溫濕度，液位，流量，光照，降雨量，振動，轉速等數據參數的實時採集，無線傳輸，無線監控與預警。在實際應用中，無線感測器數據採集傳輸系統常見的包括深圳信立科技農業物聯網智能大棚環境監控系統，智慧養殖環境監控系統，智慧管網管溝監控系統，倉儲館藏環境監控系統，機房實驗室環境監控系統，危險品倉庫環境監控系統，大氣環境監控系統，智能製造運行過程監控系統，能源管理系統，電力監控系統等。
無線感測器數據採集傳輸系統，比較常用的的無線數據傳輸組網技術包括433MHZ，Zigbee（2.4G），運營商網路(GPRS)等三種方式，其中433MHZ，Zigbee（2.4G）屬於近距離無線通訊技術，並且都使用ISM免執照頻段。運營商網路(GPRS)屬於遠距離無線通訊技術，按數據流量收費。
1、基於Zigbee（2.4G）的智能感測網路
ZigBee的特點是低功耗、高可靠性、強抗干擾性，布網容易，通過無線中繼器可以非常方便地將網路覆蓋范圍擴展至數十倍，因此從小空間到大空間、從簡單空間環境到復雜空間環境的場合都可以使用。但相比於WiFi技術，Zigbee是定位於低傳輸速率的應用，因此Zigbee顯然不適合於高速上網、大文件下載等場合。對於餐飲行業的無線點餐應用，由於其數據傳輸量一般來說都不是很大，因此Zigbee技術是非常適合該應用的。

2、基於433MHz的智能感測網路
433MHz技術使用433MHz無線頻段，因此相比於WiFi和Zigbee，433MHz的顯著優勢是無線信號的穿透性強、能夠傳播得更遠。但其缺點也是很明顯的，就是其數據傳輸速率只有9600bps，遠遠小於WiFi和Zigbee的數據速率，因此433Mhz技術一般只適用於數據傳輸量較少的應用場合。從通訊可靠性的角度來講，433Mhz技術和WiFi一樣，只支持星型網路的拓撲結構，通過多基站的方式實現網路覆蓋空間的擴展，因此其無線通訊的可靠性和穩定性也遜於Zigbee技術。另外，不同於Zigbee和WiFi技術中所採用的加密功能，433Mhz網路中一般採用數據透明傳輸協議，因此其網路安全可靠性也是較差的。

3、基於運營商的智能感測網路
GPRS無線傳輸設備主要針對工業級應用，是一款內嵌GSM/GPRS核心單元的無線Modem，採用GSM/GPRS網路為傳輸媒介，是一款基於移動GSM短消息平台和GPRS數據業務的工業級通訊終端。它利用GSM 移動通信網路的簡訊息和GPRS業務為用戶搭建了一個超遠距離的數據傳輸平台。
標准工業規格設計，提供RS232標准介面，直接與用戶設備連接，實現中英文簡訊功能，彩信功能，GPRS數據傳輸功能。具有完備的電源管理系統，標準的串列數據介面。外觀小巧，軟體介面簡單易用。可廣泛應用於工業簡訊收發、GPRS實時數據傳輸等諸多工業與民用領域。

『伍』 無線感測器網路的組網

WSN按我的理解是分為了三部分，
1、硬體，這部分可做的東西不多，應為射頻模塊一般都是購買的，擴展板或者網關點可以自製；
2、軟體，包括協議棧（多層），無線感測操作系統（tinyos,contiki），還有一些應用程序；
3、模擬，利用NS2，OMNET+，matlab等軟體來模擬某一層的協議；

建議如下：
1、先去圖書館看看關於無線感測的書籍，還有802.15.4的資料，還有Zigbee的書籍；
2、購買一套Zigbee平台跑跑，現在大部分都是Ti的套件；
3、從你需要的題目內容一步步入手！