無線傳感器系統的應用研究

支高飛 王蒙嘉 李國星

中國飛行試驗研究院, 陜西 西安 710089

無線傳感器系統的應用研究

支高飛 王蒙嘉 李國星

中國飛行試驗研究院, 陜西 西安 710089

本論文是關于無線傳感器網絡系統的應用性研究，其中硬件平臺選用了tmotesky低功耗節點，而軟件協議采用了Tinyos操作系統。首先將此系統布置在兩個不同的環境中，其次對無線網絡的通信距離和數據丟失率等性能進行對比，最后對上述問題從環境因素和路由協議兩方面分別做出解釋分析。通過此次實驗，希望能對類似系統的應用起到借鑒作用。

無線傳感器網絡;應用性研究;路由協議;環境因素

引言

無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理技術，該系統由檢測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網絡系統，適合在布線和電源供給困難、人員難以到達或危險的區域環境。因此，對該系統的應用性研究有重要的現實意義。

此次實驗當中，我們分別選取防空坑道和地下煤礦坑道這兩種背景環境差異較大的試驗現場，系統硬件采用moteiv公司的tmotesky系列低功耗節點，而軟件協議采用tinyos操作系統。根據實驗情況，對無線網絡的通信距離和數據接收情況等相關性能進行分析和對比，以此進一步分析影響數據傳輸的客觀環境因素和tinyos操作系統的路由協議機制，為今后類似系統的實際應用起到借鑒作用。

1 tmotesky節點和Tinyos操作系統介紹

1.1 tmotesky節點介紹

tmotesky節點是第四代超低功耗的無線傳感器網絡模塊，廣泛應用于傳感器網絡、監測應用。其具有如下典型特點：

1）數據傳輸性能：通信模塊中，采用了chipcon公司支持IEEE 802.15.4協議的CC2420無線收發器，可確保短距離通信的有效性和可靠性，支持數據傳輸率高達250kbps。

2）處理器：采用了TI公司的MSP430F1611處理器。超低功耗體現以下兩方面：一是極低的工作電壓，在1.8V～3.6V之間均可以正常工作；二是極低的功耗，在活動模式時，工作電流僅為280uA，在休眠模式下，只需要1.6uA。

3）節點結構圖和實物圖形

圖1.1為tmotesky節點的結構圖，節點由處理器、射頻芯片、外部FLASH、USB橋接芯片和其他外圍設備組成。圖1.2為tmotesky節點的實物圖形。

1.2 TinyOS操作系統

TinyOS操作系統是由美國伯克利大學開發的，專用于傳感器網絡的嵌入式操作系統。其采用模塊化設計，內核代碼非常小，能夠有效地運行在傳感器網絡上并執行相應的操作。

1）TinyOS的體系結構：

操作系統可分為硬件抽象組件、綜合硬件組件和高層軟件組件。組件層次結構如同一個網絡協議棧，底層組件負責接收和發送最原始的數據位，而高層的組件對這些位數據進行編碼、解碼，更高層的組件負責數據打包、路由和傳輸數據。其體系結構如圖1.3所示。

圖1.3 TinyOS操作系統體系結構圖

2）TinyOS的路由機制

其路由協議負責將數據分組從源節點通過網絡轉發到目的節點，這包括兩方面的功能：尋找源節點和目的節點的優化路徑，將數據分組沿著優化路徑轉發。系統采用LEPS (Link Estimation and Parent Selection)多跳路由協議。該協議通過鄰居節點間交換控制信息，以節點間通信跳數作為主要標準，同時考慮鏈路質量的因素，建立起網絡中各節點到sink節點的最短通信路徑，依此來建立一個樹型的網絡拓撲，各個節點采集的數據傳輸到匯聚節點，適合于數據采集應用。

2 試驗安排

實驗場合分別在人防坑道和地下煤礦坑道下進行，測試無線網絡系統的組網情況，記錄其性能參數。以下為具體的分類試驗步驟和內容：

2.1 人防坑道試驗

1）環境說明：防空坑道內，其環境為高3米，寬1.5米，四周墻壁光滑。圖2.1為現場圖形。

圖2.1現場圖片

2）節點間通信距離測試：

將4號節點作為匯聚節點，連接至筆記本電腦的USB口。運行Trawler軟件，在網絡拓撲圖界面上會顯示出4號節點和3號節點的圖標，表示兩者之間建立了連接關系，如圖2.2所示：

圖2.2 節點連接關系圖

固定4號節點，然后移動3號節點，測得兩者之間穩定的傳輸距離為45m。

3）網絡鏈接測試：

此試驗共使用5個節點，其節點間隔距離均在40m左右。系統布置示方案如圖2.3所示：

圖2.3系統布置圖

運行Trawler軟件，網絡動態變化拓撲圖如圖2.4所示。

圖2.4 網絡動態變化拓撲圖

通過圖2.4可以看到網絡拓撲結構的動態變化。在整個變化過程中，2號和5號節點出現了與整個網絡的鏈接失敗的情況。除此之外，各節點的父節點也出現了交替變化（例如：2號節點的父節點從開始的5號節點變至最后的1號節點）。

4）試驗結果

根據表2.1節點數據統計情況，2號和5號節點的數據丟失率最大，其他節點數據接收穩定。

2.2 礦井開采實驗情況

1）環境說明：礦井開采面現場和節點布置效果如圖2.5所示：

圖2.5系統布置圖

2）節點間通信距離測試：

將2號作為匯聚節點。采用上述類似方法，測得3號節點與其可靠通信距離為7m。

3）網絡鏈接測試：

由于1、5號節點發生損壞，此次試驗只用了其余三個節點進行網絡鏈接測試。其中2、3、4號節點基本成直線排列，間隔約為7米，布置示意圖如圖2.5所示。

實驗過程中，有限的改變子節點的所處位置，觀察網絡動態鏈接情況。

3號節點保持不變，上下移動移動4號節點。網絡動態拓撲圖如下圖2.6所示（紅色節點4位于左上角，紅色節點3處于左中部，匯聚節點2和筆記本相連）：

圖2.6網絡動態變化拓撲圖

由圖中看出，當子節點4位置發生移動之后，其父節點由先前3號變為2號。

采用同樣方法，移動3號節點。網絡變化如下圖2.7所示（各節點位置和上圖一致）：

圖2.7網絡動態變化拓撲圖

4）試驗結果：

表2.2為移動4號節點位置時各節點的數據丟失情況：

表2.2節點數據統計表

表2.3為移動3號節點位置時各節點的數據丟失情況：

表2.3節點數據統計表

3 實驗現象與問題分析

3.1 實驗現象：

通過在不同環境下的應用比對實驗，發現有以下幾方面突出問題：

一）無線網絡的通信距離大為縮短。如：在防空洞中的穩定傳輸距離45米變為煤礦坑道中的7米。

二）在某些時候，子節點的父節點會發生變化。例如：人防坑道中，5號節點的父節點從起始的1號→4號→丟失→1號。

三）出現網絡鏈接失敗和父節點更替的情況，數據丟失率較大。

3.2 問題分析：

針對上述實驗過程中的問題現象，經分析討論可將原因分為兩類：一個是環境因素導致通信距離縮短，而另一個是網絡協議會引起數據丟失等問題。

一）環境因素分析：與人防坑道相比，在礦井開采面現場有以下特殊之處：

（1）開采面現場四壁粗糙，凹凸不平，引起信號的散射，這部分信號中很大一部分能量被散射掉。

（2）在每次反射時，都相應存在透射情況。這部分能量就永久性的消失，消耗了信號的能量。

二）網絡協議因素分析：

（1）LEPS路由原理采用跳數作為首要的父節點選擇標準，即使到父節點的鏈路質量不好，但由于跳數小，節點仍然會選擇該節點作為父節點。（例如：在防空坑道中，5號的父節點從1號變為4號的匯聚節點。而此時5號與4號之間的空間距離遠超出了穩定傳輸距離）

（2）在跳數相同時，子節點經常會在幾個鏈路質量比較接近的父節點之間搖擺，造成拓撲的不穩定，出現了數據丟失的情況（例如：在煤礦坑道中，移動4號節點位置發生父節點的變化，同時出現數據丟失的情況）。

4 結束語

本論文關于WSN數據采集系統的應用性研究。實驗背景選取了兩種截然不同的應用場合，對比分析無線傳感器網絡的相關性能。針對實驗當中所存在的突出問題，我們分別從環境因素和網絡協議做出解釋說明。

從總體上講，該實驗存在以下不足：一、節點數量偏少，觀測時間較短；二、仍需對LEPS網絡協議進行深入研究，解決系統應用過程中出現的網絡鏈路質量和跳數之間的矛盾。

[1]任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網絡.軟件學報.2003，14(2):1145-1157

[2]馬祖長，孫怡寧，梅濤.無線傳感器網絡綜述.通信學報.2004，4(4):114-116

[3]楊冕，秦前清.基于無線傳感器網絡的協議.計算機工程與應用.2004(32):198-201

[4]唐金騰.無線傳感器網絡智能節點的研究與實現.[碩士學位論文].哈爾濱:哈爾濱工業大學.2005

[5]于海斌，曾鵬，梁韋華.智能無線傳感器網絡[M].北京:科學出版社.2005

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.062