无线传感器网络篇（1）

中图分类号：TP393文献标识码：A

1概述

无线传感器网络是新一代的网络，有着非常广泛的应用前景，将来会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。近十年来，无线传感器网络已经掀起了新的产业浪潮。我国未来20年预见技术的调查报告中，信息领域157项技术课题有7项与传感器网络直接相关。2006年初的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与无线传感器的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。可以预计，无线传感器网络的研究与应用是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。

2无线传感器网络的定义及体系结构

无线传感器网络的定义：无线传感器网络就是由安装在监测区域内大量的微型传感器组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的网络系统，其目的是感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。

传感器，感知对象和观察者是传感器网络的三个基本要素。

无线传感器网络和传统无线网络有着不同的体系结构。无线传感器是由节点结构，网络结构以及网络协议体系结构来描述的。

传感器节点由四部分组成：传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块，

传感器模块负责采集监测区域内的信息，并进行数据格式的转换，将原始的模拟信号转换成数字信号，将交流信号转换成直流信号，以供后续模块使用；处理器模块又分成两部分，分别是处理器和存储器，它们分别负责处理节点的控制和数据存储的工作；无线通信模块专门负责节点之间的相互通信；电源模块为传感器节点提供能量，一般都是采用微型电池供电。

无线传感器网络系统是由传感器节点、汇聚节点和管理节点组成。大量传感器节点随机部署在监测区域，通过自组织的方式构成网络。传感器节点采集的数据通过其它传感器节点逐跳地在网络中传输，传输过程中数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到达数据处理中心。也可以沿着相反的方向，通过管理节点对传感器网络进行管理，监测任务以及收集监测数据。

网络协议体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件应完成功能的定义与描述。由网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术组成。

分层的网络通信协议结构类似于传统的TCP/IP协议体系结构，由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。

网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理。网络管理模块是网络故障管理、计费管理、配置管理、性能管理的总和。其他还包括网络安全模块、移动控制模块、远程管理模块。传感器网络的应用支撑技术为用户提供各种应用支撑，包括时间同步、节点定位，以及向用户提供应用服务接口。

3无线传感器网络的特点

目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Adhoc网络等，与无线传感器网络在通信方式、动态组网以及多跳通信等方面有许多相似之处，但同时也存在很大的差别。无线传感器网络具有许多鲜明的特点：

3.1 电源能量有限

传感器节点体积微小，电池的能量有限，且传感器节点数量多，分布区域广，部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何产生新的能源，最大化网络的生命周期，是传感器网络面临的首要挑战。

3.2 通信能力有限

传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器节点之间的通信断接频繁，经常容易导致通信失败。由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，也是传感器网络面临的挑战。

3.3 网络规模大，分布广且计算能力有限

传感器网络中的节点分布广泛且密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。这一特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，因此传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性。然而传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。

3.4 以数据为中心的网络和自组织、动态性网络

传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。在传感器网络中，传感器节点不需要地址之类的标识。所以传感器网络是一种以数据为中心的网络。

在传感器网络应用中，传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，而是通过随机布撒的方式。这就要求传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监控数据的多跳无线网络系统。同时，由于部分传感器节点能量耗尽或环境因素造成失效，以及经常有新的节点加入，这就要求传感器网络必须具有很强的适应网络拓扑结构的动态变化。

传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。不同的传感器关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然有很大差别，在开发传感器网络应用时，更关心传感器网络差异。针对每个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。

4无线传感器网络的关键技术及应用

4.1 无线传感器网络的关键技术

无线传感器网络目前研究的难点涉及通信、组网、管理、分布式信息处理等多个方面。主要关键技术如下：

4.1.1 网络拓扑管理

无线传感器网络是自组织的。目前的研究方向是在满足网络覆盖度和连通度的情况下，通过选择路由路径，生成一个能高效的转发数据的网络拓扑结构。拓扑管理有节点功率控制和层次型拓扑控制两种。前一种方法是控制每个节点的发射功率，均衡节点单跳可达的邻居数目。而层次型拓扑控制采用分簇机制，有一些节点作为簇头，它将作为一个簇的中心，簇内每个节点的数据都要通过它来转发。

4.1.2 网络协议

因为传感器节点具有计算能力、存储能力、通信能力且携带的能量有限，每个节点都只能获得局部网络拓扑信息，在节点上运行的网络协议也要尽可能的简单。目前研究的重点主要集中在网络层和MAC层上。网络层的路由协议主要控制信息的传输路径。好的路由协议不但能考虑到每个节点的能耗，还要能够关心整个网络的能耗均衡，使得网络的寿命尽可能的保持的长一些。MAC层协议主要控制介质访问，控制节点通信过程和工作模式。设计无线传感器网络的MAC协议首先要考虑的是节省能量和可扩展性。由于能量消耗主要发生在载波侦听，碰撞重传和接收到不需要的数据处理等方面，MAC层协议的研究也主要在如何减少上述3种情况从而降低能量消耗以延长网络和节点寿命。

4.1.3 网络安全

数据的安全性，这主要从两个方面考虑：一方面是从维护路由安全的角度出发以保证网络的安全。现已提出了一种叫“有安全意识的路由”的方法，其思想是找出真实值和节点之间的关系，然后利用这些真实值来生成安全的路由。另一方面是把重点放在安全协议方面。在具体的技术实现上，先假定基站总是正常工作的，并且总是安全的，满足必要的计算速度、存储器容量，基站功率满足加密和路由的要求；通信模式是点到点，通过端到端的加密保证了数据传输的安全性。基于以上前提，典型的安全问题可以总结为：信息被非法用户截获；一个节点遭破坏；识别伪节点；如何向已有传感器网络添加合法的节点等四个方面。

4.1.4 定位技术

位置信息是传感器节点采集数据中重要的一部分，没有位置信息的监测消息可能毫无意义。节点定位是确定传感器的每个节点的相对位置或绝对位置。节点定位在军事侦察、环境检测、紧急救援等应用中尤其重要。节点定位分为集中定位方式和分布定位方式。定位机制也必须要满足自组织性，鲁棒性，能量高效和分布式计算等要求。定位技术也主要有两种方式：基于距离的定位和距离无关的定位。其中基于距离的定位对硬件要求比较高，通常精度也比较高。距离无关的定位对硬件要求较小，受环境因素的影响也较小，虽然误差较大，但是其精度已经足够满足大多数传感器网络应用的要求，所以这种定位技术是研究的重点。

4.1.5 时间同步技术

传感器网络中的通信协议和应用，比如基于TDMA的MAC协议和敏感时间的监测任务等，要求节点间的时钟必须保持同步。有人曾提出了一种简单实用的同步策略。其基本思想是，节点以自己的时钟记录事件，随后用第三方广播的基准时间加以校正，精度依赖于对这段间隔时间的测量。这种同步机制应用在确定来自不同节点的监测事件的先后关系时有足够的精度，设计高精度的时钟同步机制是传感网络设计和应用中的一个技术难点。

4.1.6 数据融合

传感器网络为了有效的节省能量，可以在传感器节点收集数据的过程中，利用本地计算和存储能力将数据进行融合，取出冗余信息，从而达到节省能量的目的。数据融合可以在多个层次中进行。在应用层中，可以应用分布式数据库技术，对数据进行筛选，达到融合效果。在网络层中，很多路由协议结合了数据融合技术来减少数据传输量。MAC层也能减少发送冲突和头部开销来达到节省能量的目的。当然，数据融合是以牺牲延时等代价来换取能量的节约。

4.2 无线传感器网络的应用

无线传感器网络的应用前景非常广阔，随着无线传感器网络的深入研究和广泛应用，无线传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。

4.2.1 军事方面

传感器网络具有可快速部署，可自组织，隐蔽性强和高容错等特点，因此非常适合在军事上应用。传感器网络是由大量随机分布的节点组成，即使一部分传感器网络节点被敌方破坏，剩下的节点依然能够自组织地形成网络。利用传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控，战场的实时监视，目标的定位，战场评估，核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。例如，传感器网络可以通过分析采集到的数据，得到十分准确的目标定位，从而为火控和制导系统提供准确的制导。利用生物和化学传感器，可以准确地探测到生化武器的成分，及时提供情报信息，有助于正确防范和实施有效的反击。

4.2.2 环境科学

随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便，比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，传感器网络也可以应用在精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。传感器网络还有一个重要应用就是生态多样性的描述，能够进行动物栖息的生态监控。

4.2.3 智能家居

无线传感器网络还能够应用在家居系统中。例如，2004年3月英特尔公司演示了家庭护理的无线传感器网络系统。该系统通过在鞋、家具以家用电器等设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、以及残障人士的家庭生活，利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。智能家居网络系统是将家庭中各种与信息有关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持家庭设施与住宅环境的和谐与协调的系统。

4.2.4 医疗健康

如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来不便。此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而独特的应用。总之，传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。

4.2.5 空间探索

探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。NASA的JPL实验室研制的Sensor Webs就是为将来的火星探测进行技术准备的，已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善。

4.2.6 其他商业应用

自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特点，这些特点决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会。比如，嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与Internet连接在一起将会为我们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境；城市车辆监测和跟踪系统中成功地应用了传感器网络；美国某研究机构正在利用传感器网络技术为足球裁判研制一套辅助系统，以减小足球比赛中越位和进球的误判率，这套设备现在已经研制成功。此外，在灾难拯救、仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具、工厂自动化生产线等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。

5结束语

由于具有覆盖区域广阔、监测高精度、可远程监控、可快速部署、可自组织和高容错性等特点，尽管目前无线传感器网络仍处于初步应用阶段，网络安全研究等方面还面临着许多不确定的因素和有待解决的问题，但已经展示出了非凡的应用价值。相信在不久的将来，会对人们的生产生活起到不可估量的作用。

参考文献：

[1] 肖俊芳. 无线传感器网络的若干关键技术研究[D]. 上海交通大学工学博士学位论文,2009.

[2] 李建中,高宏. 无线传感器网络的研究进展[J]. 计算机研究与发展, 2008(1).

[3] 王艳琴, 彭刚, 刘宇. 浅析无线传感器网络及其路由技术[J]. 电脑知识与技术, 2010(1).

[4] 杨卓静, 孙宏志, 任晨虹. 无线传感器网络应用技术综述[J]. 中国科技信息, 2010(13).

无线传感器网络篇（2）

随着近距离、低功耗无线通信技术的发展，无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）应运而生。WSN是由具有感知、计算和通信能力的微型传感器以Adhoc方式构成的无线网络，通过大量节点间的分工协作，实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的数据，并对这些数据进行处理，获得详尽而准确的信息，最终传送到需要这些信息的用户。WSN可广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾乃至商业和家庭等诸多领域，正受到政府、军队、研究机构、商业界的广泛关注和高度重视，具有十分广阔的应用前景，是目前非常活跃的一个领域。WSN是在移动AdHoc网络的基础上发展起来的，在自组织的组网方式和多跳通信等方面与移动Adhoc网络具有相似性，但WSN在组网方式和具体应用上存在一些新的特点，主要表现为：与Adhoc网络中节点的动态移动相比，WSN的节点位置相对固定，网络拓扑会因节点能量耗尽而发生变化；由于节点体积较小，传感器网络具有许多资源上的限制，比如有限的电池功率和有限的网络通信带宽等；传感器节点间更多的是一种协作而非竞争的关系，为了完成共同目标而相互协作；不同节点采集的数据间具有一定相关性，需要进行数据会聚以减小冗余信息的转发，降低通信负荷；WSN中的应用多为多对一的情形，即存在一个Sink节点来收集数据并与外界通信等等。无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家，非常重视无线传感器网络的研究和发展，如美国国防部和各军事部门都对WSN给予了高度重视，在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把WSN作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国自然科学基金委员会（NSF）2003年制定了WSN的研究计划，投资3400万美元，支持相关基础理论的研究。在NSF的推动下，美国的加州大学伯克利分校、麻省理工学院、洛克维尔研究中心、加州大学洛杉矶分校等机构开始了WSN的基础理论和关键技术的研究。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。学术界的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上，也开展了一些感知数据查询处理技术的研究，取得了一些初步研究结果。

IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。

一、无线传感器网络的组成

一个完整的无线传感器网络的体系结构主要由传感器节点、汇聚节点、用户节点三部

分组成。大量传感器节点被放置在监测区域（云图包围部分），假定传感器节点A有监测数据要上报到用户节点，则通过自组织路由协议建立A，B，C，D之间的无线链路，D再通过与之连接的汇聚节点将数据经由卫星、互联网或移动通信网等传输网络送达用户节点。由于被监测区域往往不方便建立固定设施及有线链路，因此传感器节点之间的数据传输通常采取无线方式，而汇聚节点与用户节点之间的传输既可采用有线方式，也可采用无线方式。

在无线传感器网络中，传感器节点是整个网络的基础，它们担负着感知数据、处理数据、存储数据及传输数据的功能。

传感器节点主要由传感器、模数转换模块、计算模块、存储模块、通信模块、电源模块几部分组成，并在嵌人式软件系统的支持下完成传感器节点的各项功能。传感器负责各种监测数据的获取，将感知对象转变成电信号。模数转换模块将非数字监测信号转变成数字信号，方便后期处理。计算模块和存储模块主要处理传感器和模数转换送来的监测数据。通信模块将计算模块的处理结果通过无线方式传输到下一个节点。

二、无线传感网的热点研究问题

2.1 安全问题

2.1.1 安全路由

通常，在无线传感器网络中，大量的传感器节点密集分布在一个区域里，消息可能需要经过若干节点才能到达目的地，而且传感器网络具有动态性和多跳结构，要求每个节点都应具有路由功能。由于每个节点都是潜在的路由节点，因此更易受到攻击，使网络不安全。网络层路由协议为整个无线传感器网络提供了关键的路由服务，安全的路由算法会直接影响无线传感器网络的安全性和可用性。安全路由协议一般采用链路层加密和认证、多路径路由、身份认证、双向连接认证和认证广播等机制，有效提高网络抵御外部攻击的能力，增强路由的安全性。

2.1.2 安全协议

在安全保障方面主要有密钥管理和安全组播两种方式。1）密钥管理：无线传感器网络有诸多限制，例如节点能力限制，使其只能使用对称密钥和Hash技术；电源能力限制，应使其在无限传感器网络中尽量减少通信，因为通信的耗电将大于计算的耗电；传感器网络还应考虑汇聚等减少数据冗余的问题。在部署节点前，将密钥预先配置在节点中，通常，预配置的密钥方案通过预存的秘密信息计算会话密钥，由于节点存储和能量的限制，预配置密钥管理方案必须考虑节省存储空间和减少通信开销。2）安全组播：无线传感器网络可能设置在敌对环境中，为了防止供给者向网络注入伪造信息，需要在无线传感器网络中实现基于源端认证的安全组播。

2.2 能量问题

传感器的节点分布众多，并且需要进行监测、数据处理等活动，而无线传感器网络中的节点一般用电池供电，可使用的电量非常有限，并且对于有成千上万节点的无线传感器网络来说，更换电池非常困难，甚至是不可能的，但是却要求无线传感器网络的生存时间长达数月甚至数年，因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能节约无线传感器网络的电池能量成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题。现在已有一些解决方法，在大多数网络应用中，由于传感器节点监测事件的偶发性，没有必要让所有单元均工作在正常状态下，可采用休眠模式，能自适应的休眠和唤醒，进行突发工作，节省能量。还可将所有功耗单元有机组合，形成不同状态，让传感器节点能根据需要在不同状态间切换，这样既可以满足系统需要，又节省了能源。还可以动态调节电压以节省能量，根据负载状态动态调节供电电压，形成一个闭环控制系统，节省能量。总之，在满足系统要求的情况下，采用各种方法降低耗电量非常必要。

三、总结

本文总结了当前制约无线传感器网络实际应用的因素及目前的研究热点。无线传感网络最终将成为联系信息世界和客观物理实际的接口，从而人类可以通过传感器网络获得客观物理世界的信息并采取相应措施。

无线传感器网络篇（3）

无线传感器网络技术（wireless sensor network，WSN）是一种多学科交叉的产物，涉及了包括传感器技术、微机电技术、嵌入式技术、通讯技术在内的多种学科。因为其应用的广泛性和技术的前沿性而受到国际和国内的广泛关注。自本世纪以来，大量的科研工作者投身其中，使得这项技术的进展快速推进。

无线磁场传感器网络技术是WSN技术中的一个重要分支，由于钢铁类铁磁性材料在各种日常生活用品、汽车、船舶、飞机中广泛使用，无线磁场传感器网络在对这些目标的监控方面有很大应用前景。国际上美国在这方面工作做得较为突出，主要源自本身在实用领域、尤其是军事方面的迫切需求。通过无线磁场传感器网络技术对战场实施监控可以获得许多珍贵的态势情报，从而增强己方的战斗力。美国国防部支持大学等研究机构研发名为智慧微尘（smart dust）的陆地武器装备探测系统。该研究的核心磁敏感元件为磁阻元件，通过微机电技术将磁场传感器和相应电路集成化、微型化，研制小尺寸的传感器节点。然后将这些节点组成网络布置在作战区域，在敌方极难察觉的情况下侦探测查敌方武器装备。但和国外相比，起步还较晚，较多的工作还集中在理论模拟方面，实用器件方面的研究还相对较少。从无线磁场传感器网络技术的发展趋势来看主要分两个方面。首先是提高探测节点的分辨率和测量精度。这是决定无线磁场传感器网络测量能力的最核心和最根本的问题。只有磁性传感器的性能提高了才能测量更加微小的磁场变化，从而测量更小、更远的物体。其次是减小探测节点的尺寸和功耗。

巨磁阻抗效应（GMI）是指即磁性材料的交流阻抗在外加直流磁场的作用下发生显著变化的现象。最经几年GMI效应传感器由于其极高的分辨率被人们寄予厚望。研究者们开始尝试将其引入到人体生物学测量的应用范围中来。在T. Uchiyama、K. Mohri、N.Hamada等人的努力下，基于非晶丝材料和CMOS IC工艺的GMI效应传感器分辨率达到了令人兴奋的几百pT的GMI传感器。而且GMI效应元件对环境的要求不高，不需要任何屏蔽条件就能正常工作，这大大方便了在实际应用中GMI效应传感器的使用。

1 磁场无线传感器网络

本文采用GMI传感器为网络节点布置传感器网络，对进入其中的车辆目标进行检测。首先各个磁场传感器节点测量其周围的磁场分布，其次各个节点的信息通过传输模块汇聚到网关，之后由网管送入终端PC或网络。在终端中，这些信息被融合成一张磁场地图，实时的监控着测量范围之内的磁场变化情况。当有铁磁性的目标进入监控区域时，区域内的磁场会被测量目标所扰动，从而在磁场地图上反应出相应的变化。

应用该传感器W络对进入其测量范围的目标进行测量，信号响应如图1所示。Bx1、By1、Bz1、Bx2、By2、Bz2分别为布置在位置1和位置2的传感器对空间三轴磁感应强度分量的测量结果。从图中可以分析出当目标靠近某个传感器的时候，目标会对该传感器所在位置的地磁场产生扰动。该扰动信号就会被传感器记录下来并传输到数据终端。以Bx1、Bx2为例，可以认为当信号出现最大值的时候，目标距离传感器的位置最近。在数据终端中记录了各个网络节点布置时的位置信息结合测量到的不同节点响应信号的时间信息就可以分析出目标的轨迹、速度等信息。

2 结论

无线磁场传感器网络能够通过测量监控范围内地磁场的扰动，来测量进入其中的目标的信息。将测量的的多节点的磁场变化信号结合网络节点位置信息可以对目标的轨迹、速度等多种信息进行检测。

参考文献

[1]B.Chen.Wireless sensor networks and application development，Wind Technology，1，30-35.，2010.

[2]X.M.Du，Y.Chen，Research in wireless sensor networks and applica tions，Science News，1，41-44，2008.

[3]Y.Zhou，D.Z.Tan，Wireless sensor network applications and research status，Sensors World，5，35-39，2009.

作者简介

无线传感器网络篇（4）

中图分类号： TP393.17

文献标识码：A

0引言

无线传感器网络(WSNs)是一种由大量传感器节点以自组网方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖地理区域中感知对象的信息，并对这些数据进行处理后传送给所需用户[1,2]。由于要在有限的区域内，布撒大量节点，每个节点都有着特定的网络传输半径，共享有限的无限信道。因此，如何有效地确保网络连通性，避免由“孤儿节点”所造成的网络分割便成为了传感器网络所面临的一项重要课题[3]。

造成WSNs网络分割的因素有很多，有通信因素，也有物理及几何因素[4]。在物理层方面，诸如由于能量或其他原因导致的节点“死亡”，由于发送功率等所致的节点发射半径过小等；在链路层方面，由于分组冲突致使节点长期不能发送数据，形成“孤儿节点”，由于随机接入算法[5,6]的不理想，造成节点接入信道的“马太效应”，形成某些节点长期不能争抢到信道而被“饿死”；网络覆盖区域内的节点个数、节点发送半径及节点的移动等同样会导致WSNs的网络分割，造成网络拓扑结构的变化，网络路由的变化，从而最终影响到网络的性能。

尽管造成WSNs网络分割的原因有多种，但节点数、面积比等因素对不同网络场景、不同网络应用下的网络分割比的影响是相同的。本文重点讨论节点数、面积比对无线传感器网络分割的影响，通过构建模拟WSNs的网络运行环境，采用曲线族拟合法[7]对实验数据进行分析，得出WSNs的一个网络分割模型，从而为无线传感器网络的应用布点及拓扑控制提供理论依据。

1网络分割及其产生因素

无线传感器网络节点单跳的传输距离较短，IEEE 802.15.4所规定的通信距离为10m[8]，端到端的通信往往要依靠多跳才能完成。传感器节点利用自身的无线收发设备交换信息，当相互之间不在彼此的通信范围内时，可以借助其他中间节点中继来实现多跳通信。当某一个中间节点帮助其他节点中继时，先接收前一个节点发送的分组，然后再向下一个节点转发以实现中继。

然而并不是所有时刻网络中的节点之间都可以直接或通过中继进行通信，某些时刻节点之间可能无法通信，造成网络分割。图1为一个网络分割的示意图，图中形成了5个子网，其中有两个子网只有一个节点，我们称其为“孤儿节点”。

定义1网络节点之间由于缺少连接，使网络从单一的、连通的网络形成了互不连通的若干个子网，节点之间不能相互通信，称为网络分割(network division)。

网络分割就是节点之间失去连接，网络从单一的、连通网络形成了互不连通的不同子网。而造成WSNs网络分割的原因多种多样：如物理层原因，可能是节点失去电能造成节点“死亡”，或是邻居节点之间的距离超出了通信半径，进而形成了不同的子网，使网络覆盖面积内的节点之间无法通信；链路层原因，可能会由于产生隐藏终端、暴露终端等问题，引起数据冲突致使节点失去连接，也可能由于接入协议设计的不理想，造成接入信道时产生逻辑上的“孤立”；网络层路由问题，有些路由算法不能准确地路由，造成的节点之间不能及时、准确的通信。但更普遍的网络分割的形成则是受某些几何因素、物理运动方式的影响。

在无线传感器网络中，网络分割与同时可以发送信号而不互相干扰的节点个数相关，节点发射半径的大小也会影响网络分割。因此，网络覆盖范围内可同时传送数据的节点数、移动节点的发射半径是影响WSNs网络分割的物理及几何因素。下面假设网络覆盖区域一定，通过模拟节点的运动导致网络拓扑结构变化，采样大量的数据，并借助于曲线族拟合法来得到节点个数、节点传输半径（面积比）与网络分割比三者之间的定量变化关系。

2实验环境

本文的实验平台为东北大学嵌入式技术实验室自主开发的网络模拟平台WSNet1.0，该平台分别对物理层（节点运动模型，节点大小，节点发射半径，网络场景大小），数据链路层、网络层协议进行了描述。WSNet1.0可以对网络运行环境进行灵活设置，可以设置的参数包括：网络覆盖区的大小、节点数、节点发送功率、节点发射半径、节点的运动方式、节点运动速度、MAC协议、网络层协议等。图2为WSNet1.0试验平台的界面。

通过WSNet1.0，可以实时采集所需要的网络数据，试验要求的计算参数，如连接变化率、网络分割比、空间复用率等重要参数通过数据库接口记录到数据库内，并进行分析。针对网络分割问题，按照不同节点数、不同节点发射半径，进行了数十种组合，千余个样本点数据的采集，数据库中已经存储数万条记录。

3网络分割模型

由于无线传感器网络是面向应用的网络，而节点数、节点发射半径与网络覆盖范围会因具体的应用不同而不同，因此有必要抽象出它们之间的相对量，而忽略具体应用尺度不同的影响。本文通过定义网络分割比和面积比，来统一考虑现实世界不同应用背景情况下的WSNs的物理尺度差异。

定义2网络分割存在的时间比上整个的网络运行时间，这个比值称为网络分割比(network division ratio)，满足下面公式：

其中，Td表示网络分割时间、Tr表示网络运行时间。

定义3网络覆盖面积比上单个节点发射半径覆盖的面积，这个比值称为网络面积比(network acreage ratio)，简称面积比，满足下面公式：

(2)

其中Snet表示网络覆盖面积,Snode表示节点发射半径覆盖面积。本文后续内容中，面积比即代表的是网络面积比。

利用本文第2节所提到的实验环境，设定网络覆盖面积为1B099×800，节点数分别从10取到860，面积比分别取1到30，网络运行50B000个单位时间，运行结果的网络分割数据分布如图3所示。

图3中X轴表示网络中的节点数N，Y轴表示面积比Ra，Z轴表示网络分割比Rd。可以看出，在网络覆盖面积一定的情况下，网络分割比与节点密度、节点通信半径之间存在着一定的变化关系，为了定量地确定三者之间的数学关系，下面采用曲线族拟合法对其进行拟合。

3.1节点数―网络分割比

将图3在XOZ面上投影，可以得到节点数N~网络分割比Rd面投影。根据投影得到的结果，我们能得到如下几点结论：

1) 网络分割比Rd随着节点数N的增加而降低。当网络覆盖面积一定，节点密度越大网络分割出现的机会越小；反之，节点密度越小网络分割出现的越频繁。

2) 面积比Ra会对N~Ra关系曲线造成影响。在Ra从1到30的变化过程中，网络由分割走向连通的趋势不同。当Ra较小，即取Ra∈(1, 10)时，节点数N在低端对网络分割比Rd影响明显；而当Ra较大，即取Ra∈(20, 30)时，节点数N在高端对网络分割比Rd影响明显。3) 无论面积比Ra如何变化，只要节点数足够大，网络终将趋向连通，即Rd渐近于0。

3.2面积比―网络分割比

与本文3.1节处理方法相类似，将图3在YOZ面上投影，得到面积比Ra~网络分割比Rd面投影。根据投影结果，可以得出如下几点结论：

1) 网络分割比Rd随着面积比Ra的增加而增加。即当网络覆盖面积Snet一定时，节点发射半径越小，面积比Ra越大，则网络分割出现越频繁；反之，节点发射半径越大，面积比Ra越小，网络分割出现越不频繁。

2) 节点数N会对Ra~Rd关系曲线产生影响。当节点数分别从10取到860的过程中，Ra~Rd关系曲线由陡峭上升逐渐变成平滑上升。这说明，当网络中节点数较小时，面积比（节点发射半径）对网络分割起决定作用。

3) 当节点数量N增加到一定程度时，网络分割比Rd对面积比Ra的变化关系将变得平缓。这表明，当网络密度足够大时，尽管节点发射半径较小，网络仍然会倾向于全连通。在本文的测试数据中，当N>620时，网络基本上处于全连通状态。

3.3网络分割比模型

为了得到节点数N、面积比Ra与网络分割比Rd的函数关系，首先要确定投影函数族及曲面方程形式。选择节点数―网络分割比(XOZ面)作为投影面，借助于统计分析工具SPSS12.0所提供的11种基本函数(对数曲线、S曲线、幂函数曲线、Logistic曲线等)[9]进行回归分析与曲线拟合。各曲线拟合优度如表1所示。为了节约篇幅，表1只显示了几组有代表性曲线的拟合优度值，从左至右依次为复合曲线、三次曲线、幂率曲线、S曲线、等比级数曲线、指数曲线以及Logistic曲线，节点数N≤500时的数值。

表格(有表名)

从表1可以看出三次多项式曲线拟合优度最好。然而，由于三次多项式中含有四个参数B0,B1,B2及B3，进一步拟合确定这些参数将变得非常困难，拟合精确度很难把握。为此，从拟合优度表中，选择拟合参数较少、拟合优度次优的S型曲线进行拟合，则其曲面方程形式表示如下：

Rd=eB0+B1Ra

(3)

其中，Rd代表网络分割比，参数B0、B1是节点数N的函数。

接下来要确定式(3)中的参数B0、B1的值。表2为参数B0、B1与节点数N（N≤500）的对应取值。

表格(有表名)

表2S曲线参数与节点数N的对应取值情况

オ

再次利用回归分析，拟合参数B0、B1与节点数N的关系模型。根据曲线族拟合的拟合优度值，可以得出参数B0、B1与节点数N的关系模型最接近三次曲线。经过计算，最终曲面方程确立如下：

将式(4)、(5)代入式(3)中，于是得到网络分割比的曲面方程如下：

其中Ra为网络的面积比，N是节点数，Rd为网络分割比。公式(6)最终确定了本文所提出的WSNs的网络分割模型。根据此公式所确定的曲面形状如图4所示。比较图4与图3，可以直观地看出二者形状非常相似，这也验证了本文所建立的网络分割比模型的正确性。

无线传感器网络篇（5）

在这个快速发展的信息时代中，无线网络深入生活的各个方面，为人们的生活带来了便利，被广泛应用。无线传感器网络是以物联网为基础，可以在不同时间、地点、环境等条件下，为人们提供有价值的信息，对于战争的环境定位、事故定位、交通系统等多领域发挥着不可替代的作用。在这个需求不断增加的时代中，必须对无线传感器网络的性能进行优化，才能更好地服务社会。

1 物联网与无线传感器网络概述

1.1 物联网（loT）

物联网（loT）是信息化时展的重要阶段，是信息技术的关键部分。其特点主要是将物体与物体相互连接，并实现信息共享。物联网是以互联网为基础，并在其基础上对网络进行延伸。物联网通过物体与物体之间进行延伸，实现资源共享。物联网通过识别技术、信息采集等通信感知技术，被广泛融合于网络中，也是信息时展的新浪潮。物联网是以创新为核心，为产业发展开拓新的机遇，推动信息技术的发展，促进就业。

1.2 无线传感器网络（WSN）

无线传感器网络（WSN）可以通过其末梢对外部传感器进行感知和检查，网络设置非常灵敏，可以将设备更改，与无线和有线网络进行连接。对网络安全的具有保护作用，净化网络环境。无线传感器网络对数据具有处理、采集、传输的功能，其成本低并且易部署，通过传感器节点，采集并检测网络信息，对信息的传送进行检测。对于我国当前的复杂网络环境来说，对无线传感器网络的要求严格，其性能要求比较高。为了适应时展的需要，在无线传感器网络中，必须配备性能比比较高的系统平台，保障网络安全，对其传输的信息进行实时跟踪、监测。物联网的出现方便了人们的信息交流，而无线传感器网络能够保障人们在信息交流时的安全，更好地提高了物联网技术。

2 面向物联网的无线传感器网络的关键技术

2.1 网络通信协议

在现代信息技术的网络运行中，网络通信必须遵循网络协议的规定，如果没有一定网络协议，网络通信就没有规则可循，很难完成信息的传输，阻碍网络信息技术的发展。对于无线传感器网络系统来说，以TCP和IP协议为网络基础协议，能够使向无线传感器网络信息的传输。在无线传感器网络传输中，一般都是利用路由协议传输，关系到无线传感器网络的节点消耗。采用路由协议，可以使每个节点都能够得到有效利用，提高网络性能。信息的处理以物联网为重要工具，而处理数据是无线传感网络的核心，为了满足更多元化的需求，在对数控信息进行处理时，通过网络协议与路由协议的有效规定，促进信息的有效传输。

2.2 网络安全设计

网络安全是网络技术发展的关键问题，人们通过物联网进行信息共享、交流，而互联网的开放性给物联网的使用带来了很大的安全隐患。一旦网络遭到攻击，人们的重要信息被窃取，损害了网络用户的利益，带来重大的损失。针对这一问题，人们对无线传感器网络采用加密技术，对网络信息传输中的安全进行保障，通过加密技术、消息认证等先进技术，进而有效保证了信息的完整性。

2.3 定位技术

无线传感器网络的广泛应用，人们对其产生了依赖。定位技术结合了现代先进的计算机技术，以无线传感器网络的节点数据的采集为核心，通过数据采集对事故发生的地点进行准确定位。人们可以运用无线传感器网络进行地理位置监控，对定位信息进行准确把握，有效促进我国科研工作的发展，为科学研究提供可靠数据。

2.4 网络拓扑技术

由于网络结构中的点与点的连接都是有一定顺序的，通过网络拓扑技术对网络传输设备连接的物理布局，形成有层次的拓扑结构。无线传感器网络是以网络拓扑技术，消除网络冗余，拓展网络通信通道，提高网络信息传输和无线网络传感器的效率。网络拓扑技术的优化逐渐被人们重视，具有良好自控型的网络拓扑结构能够提高路由歇息的效率，降低节点能量消耗，提高网络性能，满足信息化时展的需要。

3 物联网的无线传感器网络的优化

无线传感器网络是物联网基础网络的重要组成，伴随着先进网络技术、人工智能等多种技术的迅速发展，物联网技术随之出现，无线传感器网络是感知信息的载体，利用物联网的先进技术，建立一个可以满足不同需求的网络协议，从而有效避免无线传感器网络设计的复杂性；同时，研究人员采用IP技术，通过对通信协议和IPv6协议进行优化，在IP上下文网络统一的基础上，进行深度挖掘、智能选择，使得采集的信息更有针对性，更有价值，保证了信息传输的灵活程度；由于无线传感器网络的节点体积微小，能量消耗是其面临一系列技术的挑战。目前的无线传感器网络没有系统的低能耗优化设计，与传统的网络不同，硬件的优化能够最大限度降低能源的消耗。

4 结论

信息技术的快速发展，无线传感器网络作为网络中的重要感知技术，深入到人们生活的各个方面，被视为改变社会的核心力量。信息技术快速发展的今天，对无线传感器网络进行优化能够有效提高我国技术领域的核心地位，对国家经济、科技等方面的发展具有重要意义。

参考文献

[1]钱志鸿，王义君.面向物联网的无线传感器网络综述[J].电子与信息学报，2013，17（01）：215-227.

[2]卢瑞琪，陈望，宋振豪.面向物联网的无线传感器网络综述[J].计算机光盘软件与应用，2014，12（23）：39-40.

无线传感器网络篇（6）

1 ZigBee技术

ZigBee技术是一种低成本的双向通信技术，与其他无线通信技术相比，ZigBee技术的优点突出表现在以下几个方面：通信速率高、使用掌握该技术简单、能耗低、传输速率虽低但相对其他无线传输技术速率有较大提高、安全性能较高。

ZigBee协议栈自上而下由应用层、应用支持子层、网络层、介质访问层和物理层组成。其中，每一层都由下层来提供服务，数据传输服务由数据实体来提供，而其余服务由管理实体来提供。通过服务接入点SAP，服务实体给上层提供接口，而每个SAP都会支持一定数目的服务原语，从而完成所需要的功能。ZigBee的分层架构是在OSI七层模型的基础上根据实际应用制定的。

2 组网流程

本设计采用星型结构。中心节点是由全功能设备协调器实现的，协调器节点主要是建立网络和管理网络，同时还可以实现与终端节点的数据交换。而终端节点在该网络中是下位机，主要完成数据采集，以及向协调器发送采集到的数据。

ZigBee网络实现的大概顺序为：

（1）协调器建立网络；

（2）终端节点发现网络；

（3）终端节点申请加入网络，协调器响应该请求；

（4）节点间开始数据通信。

其组网流程图如图1所示。

在TI公司推出的Z-stack的协议栈里应经定义了三种网络拓扑方式的语句，只需要在头文件里调用相应的函数就能实现组网功能。

3 协调节点程序设计

网络协调器是网络中的首要设备，负责启动整个网络。在一个ZigBee网络中，仅仅可以存在一个网络协调器，但允许有多个路由器和终端设备存在。网络协调器的软件设计主要包括协调器新建网络、向上位机传输数据及接收传感器节点发送数据。

4 终端节点程序设计

ZigBee传感器节点一般只能收发数据，它主要接收并处理传感器采集的数据，并发送数据到网络协调器或路由节点。它的软件设计主要包含传感器采集部分和网络通信部分，即数据的收和发，该部分设计与网络协调器部分基本类似。传感器节点不能维持网络的结构，因此当采集数据不被需要时，可以睡眠或者也可以唤醒。使传感器节点初始化是先为参数设置初始值，然后启动发现网络再选取适当的网络与其相连接。

5 总结

本文通过分析大量参考文献，对无线传感器网络技术及ZigBee技术等相关知识进行了深入的学习和理解，在全面探讨系统各个影响因素的基础上，分析研究了ZigBee网络的拓扑结构、通信方式、ZigBee协议栈，并采用CC2530无线射频芯片完成了节点之间的相互通信，完成系统的开发与调试，能够达到设计的要求和预期效果。

参考文献

[1]李道亮.农业物联网导论[M].北京:科学出版社,2012.

无线传感器网络篇（7）

【 abstract 】 smart grid environment wireless sensor network technology is the introduction of the current electric power system in the field of research focus, which have great research value and broad application prospect. In this paper the intelligent application of the power of WSN are analyzed, and the application prospect of the research and prospect.

【 key words 】 wireless sensor network, intelligent power grid, the home domain nets

中图分类号：U665.12文献标识码：A 文章编号：

一、引言

传统电力系统需要昂贵的通信电缆进行安装和定期维护，高成本，不能广泛实施，因此，迫切需要有一个可提高系统的可靠性和效率优化的电力系统。智能电网的兴起引起了政府部门、学术界的广泛关注，智能电网将最先进的传感器技术、网络技术、通信技术、新能源技术等融合到电力系统中。无线传感器网络可以获取电网运行状态、参数等物理信息，为电网运行和管理人员提供更为全面、完整的电网运营数据。[1]与传统的通信技术相比，WSN的协同运作带来显着的优势，包括快速部署，成本低，灵活性，通过并行处理的聚合智能。

在智能电网中设计和配置可靠的无线网络时，无线传感器网络的研究具有极其重要的意义，本文阐述了智能电网的特点，并在智能电网环境下对目前WSN在智能电网中的应用进行了分析。

二、智能电网功能特点

智能主要体现在：（1）可观测性——量测、传感技术；（2）可控制性——对观测状态进行控制；（3）嵌入式自主处理技术；（4）实时性分析——从数据到信息的提升；（5）自适应性；6）自愈性。

一般认为，智能电网具有以下功能特点[2]：

（1）自愈——稳定可靠。自愈是实现电网安全可靠运行的主要功能，通过进行连续的评估自测，智能电网可以检测、分析甚至恢复电力元件或局部网络的异常运行。

（2）安全——抵御攻击。智能电网均能有效抵御外界对电力系统本身的攻击伤害，一旦发生中断，也能很快恢复运行。

（3）兼容——发电资源。通过在电源互联领域引入分布式发电资源，电网可以容纳多种不同类型电源甚至是储能装置。

（4）交互——电力用户。电网在运行中可与用户设备和行为进行交互，将其视为电力系统的完整组成部分之一，促使电力用户发挥积极作用，实现电力运行和环境保护等多方面的收益。

（5）协调——电力市场。可与批发电力市场实现无缝衔接，有效的市场设计可提高电力系统的规划、运行和可靠性管理水平，促进电力市场竞争效率。

（6）高效——资产优化。引入最先进的信息和监控技术优化设备和资源的使用效益，可以提高单个资产的利用效率，从整体上实现网络运行和扩容的优化，降低它的运行维护成本和投资。

（7）优质——电能质量。电力用户的电能质量能够被有效保障，实现电能质量的差别定价。

（8）集成——信息系统。实现包括监视、控制、维护、能量管理(EMS)、配电管理(DMS)、市场运营。

三、相关工作

近年来，针对智能电网中WSN应用国内外科研机构进行了大量研究，并取得一定成果。Yang等人解决许多关于实现一个可靠和成本效益的监测系统的设计问题。这些问题，包括无线通信技术，分割线和分流阻抗测量的类型，并整合电力，遥感，通信功能。这些技术表明，ZigBee无线通信技术低成本和低功耗，无线本地接入网络（WLAN），其通信范围更远，低成本，高通量，高品质的服务，安全，因而被采用。对于检测本地干扰，测量线的分流阻抗是重要的。然而，这对于长的输电线路中的信号反射干扰是很难的，因此，分割机制被提出。

罗德里格斯和特洛提出，传输线的电压和电流的特点不单是采集到的有价值数据部分，为了进一步使用传输线传感器网络，温度传感器和加速度计，也被使用。这些传感器帮助分析线和架的结构完整性。

通过比较连续与事件对于数据的收集的查询，Gumbo and Muyingi研究线性排列的传感器网络多跳路由。基于事件的查询计划是更节能，虽然传感器节点放置的性质，使每个节点除了转发它接收到的数据包还发送自己的数据包。这表明，最接近采集器的节点接受最多的拥塞，其电池耗尽最快。虽然增加了传感器节点的数目对增加了单个采集器的利用率是重要的，但这多跳的布局对电力约束网络来说是危险的。

Chen等人使用簇方式的传感器节点，并证明两个层次的通信模式比单级通信模型更节能。但这种方式面临簇头先耗尽能量的问题。

Qing等人提出在大范围传输时，采集器充当传感器网络和蜂窝电话网到监控中心的网关。对于太多的传感器节点将需要多跳回到控制中心的县城或城市郊区的输电线路来说，这将是非常有用的。但缺点是得为每一个传感器网关购买无线电蜂窝网权限[3]。

四、WSN在智能电网中的应用及挑战

一般来说，WSN在智能电网中应用可分为传输与分布、用户端、产生端[4]。

（一）传输与分布

WSN应用在智能电网传输部分主要是对电力系统远程系统监控和设备故障诊断。涉及到的问题包括：（1）电力传输线故障（2）发达国家大城市电力欺诈和电力盗窃。

（二）用户端

无线自动抄表（WAMR）设备应用于用户端，WAMR系统是利用无线传感器网络的方法，以减少对人力的需要。另一方面，WAMR为计费系统收集能源消耗数据提供了一种低成本和简单的解决方案。WAMR的另一个优点是可以为用户提供实时电价。WSN广泛应用于智能家居中，精简功能节点（RFN）应用于家域网（HAN）来帮助用户远程控制家庭电器设备。

（三）产生端

WSN应用于发电厂，对一些重要参数（温度、电压、电流、电能质量等）进行监测。

尽管无线传感器网络在智能电网中有关阔的应用前景，但是，苛刻的电网环境使得无线传感器网络的应用存在着众多约束和挑战。从无线传感器网络在电力系统中的研究现状看，已经取得了一定的研究成果，但还未能在大规模实际应用中检验。

首先，电力系统恶劣的环境条件是WSN可靠通信的严重影响因素，无线传感器网络在电网中受到的电磁干扰，丢包现象严重。其次，电网的潜伏条件也是影响WSN的主要因素。另外，WSN的设计和实施受到能源、内存、处理三种类型资源限制，给无线传感器网络设计和实施带来了极大的障碍[5]。

五、前景展望

尽管WSN在智能电网的应用研究与实践尚处于起步阶段，但是建设智能电网已经成为世界电力行业的一种主流趋势。电网智能化的兴起与发展使得智能电网中WSN的应用存在着巨大的机会和挑战，这些应用将有效地监测电力系统运行状态，提高了电力系统的运行效率，使得无线传感器网络成为电能生产、传输、分配、消费环节的有益补充。WSN在智能电网的应用必将进一步推动和促进电力工业的发展。

【参考文献】

[1] V. C. Gungor, B. Lu, and G. P. Hancke, “Opportunities and challenges of wireless sensor networks in smart grid,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 57, no. 10, pp. 3557–3564, 2010.

[2]余贻鑫，栾文鹏．智能电网[J]．电网与清洁能源，2009，25(1)：7-11．

[3] Patrick R. Casey, Nabih Jaber. Design and Implementation of a Cross-Platform Sensor Network for Smart Grid Transmission Line Monitoring. Getting practical - Field trials, Deployments, and Lessons Learnt (IEEE SmartGridComm).2011.pp: 285-290.

无线传感器网络篇（8）

0 引言

目前我国电网分布较为广泛，对电网的安全预警和故障诊断成为必要，但电网监测方面仍存在一些问题，传统的监测数据主要通过有线传输方式，但是采用传统监测方式需要大量通信电缆，且安装困难，周期长，需要耗费大量资源，目前也缺乏有效的有线监测手段，部分线路还需要人工巡检，有些输电线路分布在恶劣的环境中，给工作人员带来了巨大的不便，若工作人员无法接近输电线路，则会产生监测盲区，就无法了解输电线路的工作状态，不利于电能的传输。若能够实时了解输电线路的参数，采取相应措施，充分发挥输电线路的输电能力，将有利于提高社会的经济效益。

随着电力系统的迅速发展，电能监测的重要性日益突显，通过恰当的监测手段及时了解电网参数，将有助于提高电网的运行能力，随着传感器和无线网络技术的出现和迅猛发展，为电网的无线监测提供了强有力的技术支持，这样将会有利于解决电网监测方面存在的问题。

1 系统设计的原理

系统有多个WSN模块，WSN模块对电网参数进行测量，得到的电网参数包括电压有效值、电流有效值、电网频率、谐波、功率因数、功率等，把测量参数处理后通过CC2530传送到异构网络通信协议融合模块，异构网络通信协议融合模块是以嵌入式微处理器为中心的网关平台，通过STM32F103对数据进行处理然后上传到互联网上。监控中心通过互联网下载数据，进行处理、分析，最后在上位机上显示。系统的整体结构框图如图1所示。

2 硬件设计电路介绍

2.1 WSN模块

2.1.1 Zigbee模块CC2530

系统设计的数据发送与接收节点均为Zigbee模块CC2530，通过CC2530组建网络，使WSN模块和异构网络通信协议融合模块加入网络，实现数据的无线传输与接收，CC2530具有RF收发器的优良性能，集成了增强型的8051CPU，自身带有射频功能，它能够建立强大的网络节点，支持低功耗、低数据速率，具有很好的抗干扰性能和极高的接收灵敏度，使传输数据安全可靠。

2.1.2 电网参数采集模块

本系统采用电流互感器和分压式电阻器进行电网参数的采集，电流互感器依据电磁感应原理，将电网中的大电流转变成小电流进行测量，由分压式电阻器得到相应的电压值，然后把数据传送到数据处理模块。

2.1.3 数据处理模块

数据处理模块首先对模拟信号进行放大、滤波等处理，得到符合要求的电网参数，由时间抽取法的基2FFT分析方法，计算出谐波参数，用二瓦特计法计算出功率参数，通过有功功率和视在功率计算出功率因数，对每相电压电流信号进行采样、计算，得到电网频率。

2.1.4 电源模块

电源模块负责给整个节点提供电能，其内部含有低压差稳压芯片LM1117，LM1117是一个低压差三端可调稳压集成电路，能够提供稳定电压，并且提供电流限制和热保护，确保电源模块正常工作。

2.2 异构网络通信协议融合模块

异构网络通信协议融合模块是以嵌入式微处理器为中心的网关平台，它能够将Zigbee协议的数据转化为TCP/IP协议的格式，实现Zigbee协议组成的无线传感器网络的数据在互联网上的远程访问、实时查询等功能，由Zigbee协调器接收WSN模块传送的数据，通过SPI串行外设接口传送到STM32F103中，通过微处理器对数据进行处理，完成协议转换，处理好的数据存放在FLASH中，并通过GPRS上传到Internet，由JTAG对芯片进行在线编程和调试，提高程序开发的效率。

2.3 监控中心

监控中心监控整个区域内电网的参数，由Internet接收网关发送的数据，在信息平台上进行处理、分析、比较，最终在上位机上显示。

3 软件设计部分

该系统软件主要有WSN模块电网参数采集处理与发送程序、异构网络通信协议融合模块数据的接收处理与发送程序。

WSN模块电网参数采集处理与发送程序流程：系统上电启动，然后硬件初始化、软件系统初始化，请求CC2530加入网络，CC2530进入低功耗模式，采集节点调度任务产生定时器中断，CC2530退出低功耗模式，传感器开始采集电网参数，接着进行数据的记录、处理、传输，关闭传感器，CC2530再次进入低功耗模式。

异构网络通信协议融合模块数据的接收处理与发送程序流程：首先系统初始化，CC2530协议栈初始化，检测到有信号输入，允许WSN模块的CC2530加入网络，接收数据并进行协议转换，最后传送到监测中心。

4 结语

本文设计了基于Zigbee电网参数的无线传感器网络监测系统，该系统实现了电网参数的无线传送，解决了有线监测和人工巡检存在的问题，有利于提高电能的输送和利用，通过无线传感器网络与Internet、GPRS等类型网络协议栈的对接与融合，实现了各模块间的通信，同时还具有网络规模大、监测节点多、可扩展性强、系统升级和改造容易等特点，在电网监测方面有较好的应用前景。

【参考文献】

[1]黎步银，张杰.基于Zigbee的智能电网高级量测体系数据采集系统[J].仪表技术与传感器，2015（10）：60-64.

[2]张浩.高速铁路基础设施监测无线传感器网络研究[D].北京交通大学，2013.

无线传感器网络篇（9）

中图分类号:TN915 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)21-076-03

Design of Transmission Circuit on Wireless Sensor Network System

CHEN Hong1,LI Wei2

(1.Nanjing College of Information Technology, Nanjing,210046,China;2.Jiangsu Provincial Electric Power Test Research Institute Company, Nanjing,210036,China)

Abstract:Wireless multi-sensor network system is composed of command center and lots of detection units.It mainly includes the following items: design of the data communication by wireless channel,design of the image sampling system and design of different units developed to system including the modem and unit of radio interface.According to the system requirement,the research has constructed under the monolithic integrated circuit control modem module,the modem and the wireless military station′s interface module in the wireless data transmission system aspect.

Keywords:wireless multi-sensor network;modem;image transmission;single chip computer

0 引 言

无线传感器网络就是一种RGS系统(远程地面传感器系统),它是一种利用多种传感器作为综合情报采集元件,进行数据融合、编码等处理后,发送给指挥中心,处理还原后在监控平台显示出来的探测系统。它集传感器技术、图像探测技术、震动探测技术、声音探测技术、无线通信技术、数字编码压缩技术、信息融合技术及计算机技术为一体,是由多种高新技术集成的综合性技术[1,2]。无线多传感器网络系统主要由以下几部分组成:

(1) 系统前端传感器[3]及GPS模块――信号采集部分:主要是由图像、声音、震动以及红外传感器组成的探测单元和GPS模块构成,负责完成战场信息监测任务。

(2) 信息传输部分:主要负责将采集到的信息压缩编码和进行远距离无线传输。

(3) 指挥中心测控平台部分:主要完成对监测单元的远程控制及信号接收任务,并对搜集到的各种信息进行融合处理、分析。将处理结果提供给指挥中心人员,使他们能及时准确地把握战场态势,做出相应的决策。本文主要是对无线传感器网络中图像传输系统[4]的硬件设计与软件编程的思想。

1 发射端调制解调器硬件电路设计和工作原理

调制解调器硬件电路在发射方和接收方,由于所需完成的任务不同,实际上是不一样的。发射方调制解调器电路原理图如图1所示。

系统使用+5 V的电源由无线电台的电池变换后供给。MSM7512B[5]使用专用的3.579 545 MHz的晶体,由于其内部有接地电容,不用外接补偿元件;单片机使用频率为11.059 2 MHz的晶体,主要是为了在波特率设置时,可以取得准确的波特率,能有效避免定时器工作产生的积累误差,外接的补偿元件是二个30 pF电容。为了防止单片机程序运行时的误操作,应将单片机EA/VPP端(31脚)置高电平,确保单片机访问内部的程序存储器。由于调制解调芯片MSM75l2B和单片机W77E58都支持TTL电平,所以单片机的第一串行通信口TXD,RXD可以直接与MSM75125B的XD和RD相连;单片机的P1.0,P1.1分别连接MSM7512B的MOD2和MOD1,按通信的要求,在收发之间转换,以控制调制解调芯片的工作状态;P1.4则控制无线电台收/发状态的转换(PTT)。MSM75125B的AO和AI分别通过接口电路与无线电台的送/受话器相连。作为系统外部监视的显示电路全部由发光二极管和电阻构成,其中红色发光二极管D1为电源指示,

亮则表示系统的初始化过程正确;黄色发光二极管D2为发送正确指示,系统每正确完成一次数据发送任务,它应闪烁一次; D3为载波检测指示,如果亮则表示调制解调器检测到了信道中的有效载波信号;D4为数据传输指示,系统在发送数据时它就开始闪烁,直至数据发送完毕。如果前端传感器有数据需要传送时,产生一个下降沿脉冲,触发单片机的外部中断INT0(P3.2),单片机响应中断后,将前方来的8位并行数据由P2口(P2.0～P2.5)读入,由于P2口内部有上拉电阻,因此作为输入口时,可用TTL或MOS电路驱动,而不要外加上拉电阻。W77E58的串行通信口2可留作系统的扩展口备用。

2 接收方调制解调器与单片机的接口电路

接收方调制解调器电路与战场传感器方调制解调器电路在单片机和调制解调芯片的使用[6]和控制是一样的。所不同的是:单片机的第二串行口通过电平转换电路与计算机的RS 232C口相连,把接收到的数字信号传送给微机。接收方调制解调器与单片机的接口电路[7]如图2所示。发光二极管显示电路作用也不完全相同,其中D1～D8为接收数据显示,它能把正确接收的数据以二进数的形式显示出来,D9为系统的电源指示,D10为发送正确指示,D11为载波检测指示,D12为数据传送指示。

图2 接收方调制解调器与单片机的接口电路

3 调制解调器与PC机接口电路的设计

调制解调器与PC机接口实际上也就是调制解调器中单片机W77E58与PC机的接口电路,W77E58支持TTL电平,而微机串行通信口RS 232C支持EIA电平,因此在实现它们之间的串行通信时,必须设计电平转换电路,以满足它们各自的需要。

电平转换电路是指挥中心方调制解调器与微机的接口电路,它也是数据无线传输系统硬件电路(指挥中心方)的一个组成部分。其工作过程如下:由调制解调器解调出来的数字信号[8],由单片机处理后,从W77E58的串行通信口2,经电平转换芯片MAX232、PC机的RS 232C口(DB9)和微机内部的UART,最后传递给CPU,在监控平台上显示出来。其电路原理图如图3所示。

4 图像无线传输软件设计

程序共分五个部分,三个主程序为:发送方单片机程序、接收方单片机程序和微机接收程序;两个子程序为:差错处理子程序、发送延时子程序。

收、发双方及单片机与PC机之间的联络均采用软件“握手”信号联络。所有联络“握手”信号均为#0AAH,接收正确后应答信号为#00H,接收错误则应答为#0FFH。

传感器一方在无数据需要传输时,通过单片机的编程控制使MSM7512B工作在省电模式,此时调制解调芯片(不含W77E58)的功耗仅为0.1 mW,可以最大限度地延长电池的使用时间。

单片机与MSM7512B的逻辑控制关系:P1.0MOD2,P1.1MOD1,P1.5AOG,另外P1.4电台PTT,单片机控制MSM7512B和电台进行收、发转换。前端传感器有数据传输时,产生一个下降沿的脉冲信号启动整个系统的程序运行,数据传输完毕后,系统返回初始状态。单片机的P1.5口控制选择MSM7512B的的输出电平。

设定单片机的2个串行口都工作于串行口工作方式1;定时器T1工作于方式2(自动重装初值)[9],作波特率发生器,通过调整T1的初装值,用来选择1 200 b/s,600 b/s和300 b/s三种速率;定时器T2工作于方式1,作定时器,用来设计安排延时。

在系统的设计过程中,为了减少电台灵敏度不高和信道质量差误码等影响,发送方需连续发5次“握手”联络信号,接收方在连续2次收到正确的联络信号以后,才确认是有效的联络予以响应,否则认为是干扰信号,不予以响应。这样既能减少各类原因造成的接收机程序不启动运行导致漏报的可能性,又能保证接收机不因干扰信号而误操作,减少误报的机率。另外综合考虑电台的收发转换和调制解调芯片的收发转化所需的各类延时时间,在设计程序时专门安排了一个延时时间。经过大量的实验,得出一个比较合适的延时时间,即不论通信哪一方,在由收转为发状态后,都先延时70 ms,因为时间太短了系统不能正常工作,太长了可能会影响数据的传输速率,降低数据传输的时性。系统数据发射端和接收端单片机程序流程图如图4所示。

5 结 语

通过对MSM7512B调制解调芯片性能特点的了解,设计出了发射端和接收端调制解调器的实际电路,然后简单介绍了具有双串口功能的单片机W77E58的性能特点后,给出了数据无线传输系统的接收方单片机与PC机之间串行通信的硬件电路图,并描述了Modem与电台接口电路的设计过程,最后叙述了整个系统单片机软件的特点。从整体上给出了无线传感器网络数据无线传输系统的设计原理图。

无线传感器网络涉及传感器技术、网络通讯技术、无线传输技术、嵌入式计算技术、微电子制造技术、软件编程技术等领域,具有跨学科的特点,在军事、民防、环境、生态、农业、健康、家庭和其他领域都有广阔的应用前景,在空间探索和灾难救助等特殊领域,传感器网络业有其得天独厚的技术优势。

参考文献

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无线传感器网络篇（10）

（Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721013，China）

摘要： 无线传感器网络是近年来发展迅速的无线网络，与传统的无线网络相比具有更高的技术优势。本文介绍了无线传感器网络的主要特征和优势，通过与传统无线网络的技术比较分析了无线传感器的网络技术应用热点。

Abstract: Wireless sensor network is developing rapidly in recent years, wireless networks, compared with the traditional wireless networks, have higher technological advantage. This article describes the main features and advantages of wireless sensor networks, and analyzes the hot spots of wireless sensor network technology by comparing the traditional wireless network.

关键词：无线传感器 网络技术

Key words: wireless sensors；network technology

中图分类号：TP39 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）21-0138-02

0引言

无线传感器的网络应用集成了信息采集、数据传输、数据处理、数据管理等多种主体功能，涉及各种传感器技术、信息处理技术和数据管理技术等多个技术领域，并且由于网络所具有的自组织、协作、分布式控制等特点，使得上述每种技术的实现都与传统的技术实现方式有很大区别，具有鲜明的技术特色。

1无线传感器网络的主要特征

1.1 低功耗、微型化、高度集成、低价格的传感器节点相对传统意义的传感器网络节点（如雷达）而言，当前所指的无线传感器网络节点更强调节点的低功耗、微型化、高度集成、低价格等特征。虽然当前一些基于商用器件制造的无线传感器网络节点（如MICA、DOT等）在许多指标方面离预期目标仍有一定差距，但这些指标却代表了无线传感器网络今后的发展方向。微机电系统（MEMS）技术的发展，为开发低功耗、小体积、低价格、同时集成有微传感器/执行器、微处理器和无线通信等多种功能部件的无线传感器网络节点提供了重要技术条件，使得开发类似“灰尘”的无线传感器网络节点成为可能。

1.2 节点密集布设在监测区域内密集布设大量相同或不同类型的传感器节点，是无线传感器网络的一个重要特征。通过节点密集布设，可以获取密集的空间抽样信息或针对同一现象的多维信息，对这些信息进行分布式处理之后，可以有效地提高检测或识别目标的准确度，并降低对单一传感器节点的精度要求；通过节点密集布设，可以在同一区域内存在大量冗余节点，节点的冗余性使系统具有很强的容错性能，由此降低对单一传感器节点的可靠性要求。另外，通过节点密集布设并对其节点进行合理的休眠调度，也是延长网络寿命的重要途径。

1.3 协作式网络协作是无线传感器网络执行任务的基本工作方式，一般包括协作式信息采集、协作式信息处理、协作式信息存储、协作式信息传输等。通过协作，多个相同或不同类型的传感器节点可以从不同的空间位置或不同的现象角度（如物理现象、化学现象等）共同对感知对象进行感知，获得更为精确、完整的信息；通过协作，传感器节点可以克服自身处理和存储能力受限的不利因素，在多个节点的共同协作下完成对复杂任务的执行功能；通过协作，传感器节点之间既可以通过多跳中继转发实现远距离通信，也可以通过多节点协作发射、多节点协作接收等机制，实现延伸通信距离、改善通信质量、降低网络能耗等目的。

1.4 自组织网络无线传感器网络的诸多特点决定了其采用自组织工作方式的必要性。首先，传感器节点经常采用随机性布设的方式，节点的位置和相互邻居关系不能预先确定，如通过飞机播撒或由人随意放置的无线传感器网络；其次，传感器节点可能由于能量耗尽或受到环境因素影响而失效，一些节点又可能为了弥补失效节点或增加监测精度而补充进来，再加上节点可能移动以及采用休眠调度机制，网络拓扑往往处于动态变化之中。无线传感器网络的自组织主要包括自组织通信、网络功能的自调度以及网络的自管理等。

1.5 无线网络传感器节点采用无线方式进行组网，实现传感器节点之间、传感器节点与网关设备之间的通信。无线通信方式的采用大大提高了网络布设及应用的灵活性，通信线缆的节省有助于降低整个无线传感器网络的造价。

2无线传感器网络的主要优势

无线传感器网络采用微小型的传感器节点获取信息，节点之间具有自动组网和协同工作能力，网络内部采用无线通信方式，它与传统的传感器手段（如单一大型传感器、有线传感器网等）相比，具有以下几个比较明显的优势：

2.1 精度高 大量造价低廉的微小型传感器节点对监测区域进行密集空间抽样，或者对监测目标进行近距离密集监测，可以获取非常高的信息感知精度，这是传统单一大型传感器所难以达到的。

2.2 灵活性强 临时随机性布设、网络自组织等特点使无线传感器网络在布设之后很快就能展开工作，不需人为干预，非常适合一些急、险、偏的应用场合，在布设、使用上的灵活性要远远强于传统的传感器手段。

2.3 可靠性高 由于无线传感器网络具有自组织特点，当某一节点发生故障或失效时，其功能可迅速由其他节点替代承担。因此，虽然单一传感器节点的可靠性比较低，但作为一个系统整体，无线传感器网络可以获取非常高的可靠性。

2.4 经济性好 无线传感器网络利用无线传输取代传统的线缆传输，大大降低了系统的建设成本；另外，随着技术的发展与无线传感器网络的广泛采用，单一传感器节点的造价会越来越低。因此，与传统传感器手段相比，无线传感器网络在造价上的优势将越来越明显。

3与无线自组织通信网络的比较

在通信方式上，无线传感器网络与无线自组织通信网络最为接近，都可以在不依托任何网络基础设施的情况下展开工作，都可以依靠节点之间的自组织行为协调以及在网络拓扑动态变化的情况下实现多跳路由转发等功能。无线传感器网络与无线自组织通信网络在通信方式上具有很大的相似性，但当前无线自组织通信网络的许多协议及算法并不能高效地直接应用于无线传感器网络。主要体现为以下几个方面：

3.1 网络功能的不同无线传感器网络是一种以获取感知信息为主要目的的信息采集网络，而无线自组织通信网络是一种以解决人与人之间，或设备与设备之间信息传输为主要目的的通信网络，这是二者的一个根本区别。在无线传感器网络中，通信只是作为一种保障手段，实现传感器节点之间、传感器节点与管理控制节点之间、传感器节点与用户节点之间的信息传输。每个传感器节点除了集成有通信功能外，还集成有信息采集、信息处理等功能；而在自组织通信网络中，通信是它的核心功能，每个节点只是一个单纯意义上的通信节点。

3.2 节点能力的不同无线传感器网络节点需要执行的功能相对简单，并且要求小型化、低成本、低功耗，所配置的处理器能力一般都比较弱、存储容量比较小、通信速率及通信距离也非常有限，并且由于造价、体积以及工作环境的特殊性，传感器节点的可靠性相对较差；而自组织通信网络的节点在处理与存储能力、通信能力、可靠性等方面相对传感器节点都比较强大。

3.3 网络形态的不同无线传感器网络的规模较大，节点数常是无线自组织通信网络的数十倍至数千倍。无线传感器网络的节点密度高，远远高于无线自组织通信网络的节点密度。另外，动态拓扑是二者的共同特征，但造成动态拓扑的原因却存在一定的区别。在无线传感器网络中，造成网络拓扑变化的原因主要是传感器节点的休眠／激活、失效／补充以及可能存在的节点移动性等；而在无线自组织通信网络中，造成网络拓扑变化的原因主要是节点移动性。

3.4 业务特征的不同无线传感器网络中的通信业务主要发生在传感器节点和用户之间，普通传感器节点之间一般并不存在过多通信要求，网络中的通信业务具有很强的方向性，并且主要以“一到多（one-to-many）”、“多到一（many-to-one）”的形式而存在；而在自组织通信网络中，由于任意两点之间都有可能发生通信，网络中的通信业务主要以任意点到点（any-to-any）的形式而存在。另外，由于无线传感器网络中只有当用户发起查询或命令，传感器节点检测到异常事件，或者报告周期到达时，网络中才会产生通信业务，节点平时只处于监测状态，因此网络中的业务量相对较低，而无线自组织通信网络通常需要传输话音、数据、视频等业务，其业务量相对传感器网络而言是比较高的。

3.5 关注问题侧重点的不同无线传感器网络节点通常采用电池供电，且难以补充能量，能量有效性是无线传感器网络设计的主要目标之一；另外，适应传感器节点功能简单的特点，无线传感器网络的协议及算法设计都非常强调简单、高效。而无线自组织通信网络仍是一个通信网络，所关注问题的侧重点仍主要在于网络容量、业务的QoS保证、业务传输的有效性及可靠性等方面。

4结束语

无线传感器网络是目前信息技术领域中重要的前沿技术，由于精度、灵活性、可靠性、经济性的优良特性以及与传统无线网络相比的众多优势，其应用和发展具有广阔的市场前景。通过不断深入的研究无线传感器的网络应用技术，能够在更成熟的技术优势下，建立更成功更标准的应用模式。

参考文献：

[1]周婵，李昕.工业无线传感器网络性能综合评价研究[J].计算机工程,2010，36（16）：82-84.