无线传感器网络技术的实现方法

『壹』 如何开始设计无线传感器网络系统

1、如何选择合适的无线传感器技术

无线传感器网络系统的基本架构包括三部分,第一部分是无线收发芯片,其职责是将数字信息转换为高频无线信号传送出去和将接收到的高频无线信号恢复成数字信息。无线传感器收发芯片而言,IEEE 802.15.4能为无线传感器应用提供最佳方案,这是因为IEEE 802.15.4规范可能是主要且可能唯一的实用标准。目前全球有多家公司提供这方面的收发芯片。像TI公司的CC2420,CC2520等芯片都特别适用于钮扣电池和低电能应用的低功耗特性。实现一个典型的无线传感器网络节点和路由器,可以采用多芯片方案,如图3所示,由一个无线收发芯片和一个微控制器(单片机)组成,微处理器可以采用低功耗的MSP430,无线芯片可以采用CC2520,CC2420等;

典型的无线传感器网络节点或者路由器随着技术不断发展,已经有越来越多的公司,将无线收发器芯片和微控制器和无线收发器做成了一个片上系统(SoC),例如TI公司采用8051内核的CC2430、CC2431等ZIGBEE无线单片机,随着无线传感器网络对计算能力提高要求,最近Freescale公司也推出了ARM内核的32位ZIGBEE无线单片机. 使用这些SoC无线单片机设计无线传感器网络,将使无线传感器节点具有更小的体积,更低的功耗和更低的价格;TI公司在国内的技术合作伙伴深圳无线龙科技公司等,也同时提供这些芯片,开发工具的相关技术支持;无线传感器网络构架第二部分是运行于单片机或者无线单片机内部的嵌入式软件,也称软件协议栈(network stack), 网络堆栈有两个职责。

首先,它必须要处理节点间的无线链接通信质量的频繁变化和环境因数对无线通讯造成的干扰,具有对网络自组织,自恢复的能力;网络堆栈的第二个职能是要具有很强的路由算法能力,确保讯息可靠高效地通过各种网络拓扑(星状,网状等等)从源节点(如果现有,可以通过成百上千路由节点)发送到目标节点。确保通讯的实时性要求。

ZigBee联盟是由众多技术供应商和开发商组成的独立标准组织。也是目前世界是最大的,基于IEEE 802.15.4平台的网络软件协议栈标准提供联盟;

该组织从ZIGBEE2004,ZIGBEE2006,ZIGBEE2007 ,不断发展,目前提供的的两个网络栈是:ZigBee和ZigBee PRO。从使用角度看,ZigBee堆栈很适合一般包含十到几百个节点的小型网络。而ZigBee PRO是ZigBee的超集,它增加了一些功能,可对网络进行扩展并更好地应对来自其他技术的无线干扰,而且可以适应更大型的网络和具有更加可靠的路由通讯算法和无线通讯可靠性;无线传感器网络构架第三部分应用软件,这部分包括各种根据用户现有开发的软件代码,这些代码目前大部分是采用C语言来进行开发,可以之间以接口和API方式,调用软件协议栈的功能;在多种无线传感器网络技术中,我们认为采用802.15.4国际标准和ZIGBEE技术,作为我们设计无线传感器系统的起步,有如下优点:

1)兼容一个全球化的可靠的国际标准;

2)可以通过TI, Freescale这样的大型芯片供应商.获得稳定的无线收发芯片和无线单片机来源,也可以获得免费的ZIGBEE协议栈和相关源代码,降低开放门槛;

3)能够采用KEIL和IAR这样的高性能软件编译调试环境,可以大大加快开放速度,缩短上市周期;

2、开始无线传感器网络系统设计准备些什么?

首先,我们现需要进行一些知识准备,对无线传感器网络需要的技术和知识,进行准备,虽然可能我们已经熟悉单片机和相关软件开发技术,但是无线收发器和无线SoC(无线单片机)还是有独特的地方,而且IEEE802.15.4和ZIGBEE协议栈等,也是具有一定难度的知识领域;好在目前在无线传感器网络和无线单片机方面,已经有大量的技术书籍可供参考,图四是一些无线传感器相关技术书籍,对入门无线传感器网络可能开卷有益;

其次,我们仍然需要一套容易使用的无线传感器网络(WSN)开发系统,这是因为:

1)我们需要一套完整的软件编译开发平台,包括IAR和KEIL的编译调试环境,在线仿真器等必要的开发工具;

2)我们进入无线传感器系统设计的难度重心,是尽快掌握无线传感器网络协议栈软件使用,同时尽快进入相关应用软件开发,所以我们需要一套已经完成高频测试的无线节点,网关,路由器和无线模块来进行硬件评估和运行我们的嵌入式应用软件和协议栈软件;

3)我们需要相关温度,压力,加速度,光线,湿度等传感器接口到这个系统,方便我们系统设计;

4)我们在进入一个陌生的技术领域时,往往会有很多的困难,我们需要相应的技术支持和知识支持;

目前,很多国内企业,都已经推出了各种无线传感器网络开发工具,图五是国内企业成都无线龙通讯科技公司的一种最新的,支持美国德州仪器TI CC2520无线收发器和TI ZIGBEE 2007/PRO协议栈的无线传感器网络(WSN)开发系统的新产品,包括在线仿真器,PC GUI网络监视控制软件,相关源代码无线传感器网络示范代码包装等,是快速进入无线传感器网络系统设计的可选择国产工具之一;

3、设计无线传感器系统具体过程

当我们完成了上述的知识准备和相关开发工具准备后,我们就可以开始一个无线传感器设计过程了,下面,我们以一个家庭节能无线传感器网络系统为实例,看看一个无线传感器网络的实际过程;家庭节能系统框图如图六所示:

家庭中的电器,包括空调,洗衣机,冰箱等,构成一个典型的无线传感器网络,通过能源管理网关和安装在户外的无线转发路由器,实时传输到能源公司电脑化管理网络和数据库,实现对家庭能源的管理;设计任务包括设计嵌入到家电内部的无线传感器网络单元(无线节点),家庭无线显示单元和家庭能源控制单元(无线节点或者无线路由器),能源管理网关(无线网关)等;

『贰』 ZigBee无线传感器网络拓扑结构有哪几种

ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和网状网，可以根据实际内项目需要来选择合适的网容络结构；星型和族树型网络适合点多多点、距离相对较近的应用。

ZigBee节点是可以组建Mesh网络的，设置一个ZigBee节点为网络协调器，其他每个ZigBee节点都可以当做路由节点来使用，也可以设置为终端节点但是就失去了路由功能。由于ZIGBEE一般都是用2。4G频段传输，其实际应用中传输距离及穿透性都很差，一般只能传输几十米到上百米。

(2)无线传感器网络技术的实现方法扩展阅读：

相较于传统式的网络和其他传感器相比，无线传感器网络有以下特点：

（1）组建方式自由。无线网络传感器的组建不受任何外界条件的限制，组建者无论在何时何地，都可以快速地组建起一个功能完善的无线网络传感器网络，组建成功之后的维护管理工作也完全在网络内部进行。

（2）网络拓扑结构的不确定性。从网络层次的方向来看，无线传感器的网络拓扑结构是变化不定的，例如构成网络拓扑结构的传感器节点可以随时增加或者减少，网络拓扑结构图可以随时被分开或者合并。

『叁』 无线传感器网络组网要素有哪些

无线传感器网络的实现需要自组织(Ad hoc)网络技术。尽管已有许多Ad hoc网络的协议和算法，但并不能够满足传感器网络的需求。具体来说，相对于一般意义上的自组织网络，传感器网络有以下一些特色，需要在体系结构的设计中特殊考虑[2]。(1)无线传感器网络中的节点数目高出Ad hoc网络节点数目几个数量级，这就对传感器网络的可扩展性提出了要求。由于传感器节点的数目多开销大，传感器网络通常不具备全球唯一的地址标识，这使得传感器网络的网络层和传输层相对于一般网络而言，有很大的简化。此外，由于传感器网络节点众多，因此，单个节点的价格对于整个传感器网络的成本而言非常重要。(2)自组织传感器网络最大的特点就是能量受限。传感器节点受环境的限制，通常由电量有限且不可更换的电池供电，所以在考虑传感器网络体系结构以及各层协议设计时，节能是设计的主要考虑目标之一。(3)由于传感器网络应用的环境的特殊性、无线信道不稳定以及能源受限的特点，传感器网络节点受损的概率远大于传统网络节点，因此自组织网络的健壮性保障是必须的以保证部分传感器网络的损坏不会影响到全局任务的进行。(4)传感器节点高密度部署，网络拓扑结构变化快，对于拓扑结构的维护也提出了挑战。 http://www.schneider-electric.cn/sites/china/cn/procts-services/automation-control/procts-offer/function-presentation.page?p_function_id=5007

『肆』 无线传感器网络可能采用哪些无线通信方式

基于XL.SN智能传感网络的无线传感器数据采集传输系统，可以实现对温度，压力，气体，温湿度，液位，流量，光照，降雨量，振动，转速等数据参数的实时采集，无线传输，无线监控与预警。在实际应用中，无线传感器数据采集传输系统常见的包括深圳信立科技农业物联网智能大棚环境监控系统，智慧养殖环境监控系统，智慧管网管沟监控系统，仓储馆藏环境监控系统，机房实验室环境监控系统，危险品仓库环境监控系统，大气环境监控系统，智能制造运行过程监控系统，能源管理系统，电力监控系统等。
无线传感器数据采集传输系统，比较常用的的无线数据传输组网技术包括433MHZ，Zigbee（2.4G），运营商网络(GPRS)等三种方式，其中433MHZ，Zigbee（2.4G）属于近距离无线通讯技术，并且都使用ISM免执照频段。运营商网络(GPRS)属于远距离无线通讯技术，按数据流量收费。
1、基于Zigbee（2.4G）的智能传感网络
ZigBee的特点是低功耗、高可靠性、强抗干扰性，布网容易，通过无线中继器可以非常方便地将网络覆盖范围扩展至数十倍，因此从小空间到大空间、从简单空间环境到复杂空间环境的场合都可以使用。但相比于WiFi技术，Zigbee是定位于低传输速率的应用，因此Zigbee显然不适合于高速上网、大文件下载等场合。对于餐饮行业的无线点餐应用，由于其数据传输量一般来说都不是很大，因此Zigbee技术是非常适合该应用的。

2、基于433MHz的智能传感网络
433MHz技术使用433MHz无线频段，因此相比于WiFi和Zigbee，433MHz的显著优势是无线信号的穿透性强、能够传播得更远。但其缺点也是很明显的，就是其数据传输速率只有9600bps，远远小于WiFi和Zigbee的数据速率，因此433Mhz技术一般只适用于数据传输量较少的应用场合。从通讯可靠性的角度来讲，433Mhz技术和WiFi一样，只支持星型网络的拓扑结构，通过多基站的方式实现网络覆盖空间的扩展，因此其无线通讯的可靠性和稳定性也逊于Zigbee技术。另外，不同于Zigbee和WiFi技术中所采用的加密功能，433Mhz网络中一般采用数据透明传输协议，因此其网络安全可靠性也是较差的。

3、基于运营商的智能传感网络
GPRS无线传输设备主要针对工业级应用，是一款内嵌GSM/GPRS核心单元的无线Modem，采用GSM/GPRS网络为传输媒介，是一款基于移动GSM短消息平台和GPRS数据业务的工业级通讯终端。它利用GSM 移动通信网络的短信息和GPRS业务为用户搭建了一个超远距离的数据传输平台。
标准工业规格设计，提供RS232标准接口，直接与用户设备连接，实现中英文短信功能，彩信功能，GPRS数据传输功能。具有完备的电源管理系统，标准的串行数据接口。外观小巧，软件接口简单易用。可广泛应用于工业短信收发、GPRS实时数据传输等诸多工业与民用领域。

『伍』 无线传感器网络的组网

WSN按我的理解是分为了三部分，
1、硬件，这部分可做的东西不多，应为射频模块一般都是购买的，扩展板或者网关点可以自制；
2、软件，包括协议栈（多层），无线传感操作系统（tinyos,contiki），还有一些应用程序；
3、仿真，利用NS2，OMNET+，matlab等软件来仿真某一层的协议；

建议如下：
1、先去图书馆看看关于无线传感的书籍，还有802.15.4的资料，还有Zigbee的书籍；
2、购买一套Zigbee平台跑跑，现在大部分都是Ti的套件；
3、从你需要的题目内容一步步入手！