無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其研究進(jìn)展解讀

王光玉　張肖

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以傳感器為載體，以無(wú)線通信協(xié)議為基礎(chǔ)構(gòu)建而成的一個(gè)具有強(qiáng)大應(yīng)用功能的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系。在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，可以同時(shí)容納多種不同類(lèi)型的傳感器，微傳感技術(shù)和無(wú)線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)賦予了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)極為廣闊的應(yīng)用空間。目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域當(dāng)中，如國(guó)防軍事、醫(yī)療、環(huán)境、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等等，它的價(jià)值也隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大而逐步顯現(xiàn)。基于此點(diǎn)，本文就無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其研究進(jìn)展進(jìn)行論述。

【關(guān)鍵詞】傳感器 無(wú)線通信控制 自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)稱WSN，它是一種非常典型的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，所有的傳感器均可以通過(guò)無(wú)線的方式進(jìn)行通信，由此使得WSN具有了極高的靈活性。除此之外，WSN還具有如下優(yōu)點(diǎn)：規(guī)模大、密度高、安全、可靠等等，由此使得其在多個(gè)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用，如國(guó)防軍事、環(huán)境科學(xué)、生物醫(yī)療、智能城市等等。下面本文重點(diǎn)對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1.1 WSN的框架結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的WSN系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)及上位PC機(jī)。

1.1.1 傳感節(jié)點(diǎn)

主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，并通過(guò)路由協(xié)議將采集到的這些數(shù)據(jù)傳給其它的傳感節(jié)點(diǎn)，最終達(dá)到匯聚節(jié)點(diǎn)。

1.1.2 匯聚節(jié)點(diǎn)

主要負(fù)責(zé)接收由各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，并將這些信息以串口通信的方式傳給上位PC機(jī)。同時(shí)，還能將上位PC機(jī)下發(fā)的一些指令傳給各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)。

1.1.3 上位PC機(jī)

主要負(fù)責(zé)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，并對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)督管理。同時(shí)，PC機(jī)可以提供圖形化的操作界面，能夠直接接收用戶的具體需求，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)信息的顯示。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中終端節(jié)點(diǎn)的硬件由以下幾個(gè)模塊組成：處理器、無(wú)線通信、傳感器、電源等。圖1為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。

1.2.1 MCU

這是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，它除了能夠接收由傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行計(jì)算處理之外，還能將處理后的數(shù)據(jù)傳給無(wú)線通信模塊，同時(shí)，可對(duì)硬件平臺(tái)中其它模塊進(jìn)行操控。通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比選之后，決定采用美國(guó)TI公司研發(fā)的一款混合信號(hào)處理器，MSP430F1611，這款處理器具有超低的功耗和強(qiáng)大的處理能力，其運(yùn)行穩(wěn)定性較高。

1.2.2 射頻芯片

為了能夠與MCU更好地進(jìn)行配合，本系統(tǒng)中的射頻芯片也選用了美國(guó)TI公司的產(chǎn)品，型號(hào)CC1101，這款射頻芯片在研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)主要就是為低功耗的無(wú)線應(yīng)用服務(wù)的，它的成本比較低，是一款真正的UHF收發(fā)器，其電路可以設(shè)定在多個(gè)頻率波段上。

1.2.3 傳感器

本系統(tǒng)中選用的傳感器型號(hào)為SHT11，它是一款單芯片的數(shù)字傳感器，將溫濕度感測(cè)、A/D轉(zhuǎn)換等多種功能全部集成到一塊芯片上，這種傳感器最為突出的特點(diǎn)是可靠性高、穩(wěn)定性好。

1.2.4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

RTC采用的是Maxim公司自主研發(fā)的DS1337芯片，它的特點(diǎn)是能夠在1.8-5.5V電壓之間保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，并且具有較低的功耗，芯片處于休眠狀態(tài)時(shí)，電流僅為15μA。

1.2.5 電源

本系統(tǒng)的電源采用的是微型電池。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在整個(gè)WSN系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，軟件設(shè)計(jì)是重中之重，具體包括MAC協(xié)議層、路由層、上位PC機(jī)軟件等幾個(gè)方面。

1.3.1 MAC協(xié)議層的設(shè)計(jì)

MAC協(xié)議是WSN數(shù)據(jù)鏈路層的研究重點(diǎn)，其需要憑借數(shù)量眾多的節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用目標(biāo)。對(duì)于WSN而言，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)消耗能量最多的環(huán)節(jié)是空載偵聽(tīng)，為了盡可能降低這部分能耗，采用了S-MAC協(xié)議，在該協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間能夠通過(guò)協(xié)商的方式形成一個(gè)虛擬簇，利用它可以使空閑偵聽(tīng)的時(shí)間大幅度縮短，由此便可達(dá)到節(jié)能的效果。在具體設(shè)計(jì)中，采用了如下改進(jìn)方法，使S-MAC協(xié)議進(jìn)行選擇性休眠，并通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的方式對(duì)其占空比進(jìn)行調(diào)整。在每一次數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，選擇性休眠節(jié)約的能量可用下式進(jìn)行計(jì)算：

（1）

上式當(dāng)中，△E表示可節(jié)能的能量；Tlisten表示偵聽(tīng)時(shí)間；Pidle和Psleep表示空閑和休眠狀態(tài)下的功耗；DC代表占空比。由式（1）可知，通過(guò)對(duì)占空比的有效調(diào)節(jié)，能夠使選擇性休眠節(jié)省更多的能量。在該協(xié)議中，雖然可以通過(guò)對(duì)占空比的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，但卻可能引起休眠延遲及吞吐量下降等問(wèn)題，為了有效解決這一問(wèn)題，可采取如下方法，即上一個(gè)T時(shí)間內(nèi)的負(fù)載過(guò)大時(shí)，節(jié)點(diǎn)在保持偵聽(tīng)時(shí)間不變的前提下，自行減少休眠時(shí)間，以此來(lái)增加占空比。

1.3.2 路由層設(shè)計(jì)

對(duì)于WSN而言，它的生命周期與路由層協(xié)議有著非常密切的聯(lián)系，合理且有效的路由方法能夠使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的能量消耗達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，由此可以使網(wǎng)絡(luò)的生命周期獲得大幅度地延長(zhǎng)。本次設(shè)計(jì)中，采用了當(dāng)前比較流行的一種路由算法，即MEACO，該算法在尋找最優(yōu)路徑時(shí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的能量平衡予以了充分的考慮，通過(guò)它可以對(duì)節(jié)點(diǎn)及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗進(jìn)行有效的控制，這樣一來(lái)，便能夠達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。

1.3.3 上位PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)當(dāng)中，上位PC的主要作用是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并為用戶的使用需求服務(wù)，因此，在上位PC軟件的設(shè)計(jì)上，應(yīng)當(dāng)使其以Web網(wǎng)站的形式存在，這樣能夠方便遠(yuǎn)程用戶的訪問(wèn)與控制。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)展望

WSN自誕生到現(xiàn)在經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，在業(yè)內(nèi)專家學(xué)者的不懈努力下，使其得到了逐步的完善，目前，WSN已經(jīng)滲透到了多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，它的價(jià)值也在不斷地應(yīng)用中得到了展現(xiàn)。鑒于WSN擁有著無(wú)限的應(yīng)用前景，因此，加大對(duì)它的研究力度顯得非常重要，在不久的將來(lái)，WSN將會(huì)進(jìn)入一個(gè)高速發(fā)展階段，它的應(yīng)用價(jià)值也必將隨著它的持續(xù)發(fā)展和完善獲得進(jìn)一步提升。

3 結(jié)論

綜上所述，本文在對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，展望了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值逐步提升，它在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍必將不斷擴(kuò)大，為了能夠進(jìn)一步推動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，應(yīng)當(dāng)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上加大對(duì)其的研究力度，使該網(wǎng)絡(luò)更加完善。

參考文獻(xiàn)

[1]萬(wàn)喬喬，張俊然，趙斌.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015（7）：102-103.

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作者單位

1.山東淄博市淄博市中心醫(yī)院 山東省淄博市 255036

2.山東淄博市山東輕工職業(yè)學(xué)院 山東省淄博市 255300