无线传感器网络节点技术

无线传感器网络的节点技术

赵泽 黄希 崔莉

中国科学院计算技术研究所

无线传感器网络的节点系统是构成无线传感器网络的基础，是承载无线传感器网络的信息感知、数据处理和网络功能的基本单元，所有与传感器网络相关的协议、机制、算法等都需要在节点上得以实现并加以优化才具有实际意义。

目前常用的节点均为采用分立元器件的系统集成技术，而面向下一代网络、采用片上系统集成技术的低功耗、低成本节点将能代表未来的发展趋势。本文将介绍传感器网络节点的体系结构及设计方法，比较几种具有代表性的节点性能，同时，介绍下一代片上节点系统的研究进展。

一、无线传感器网络节点的体系结构

根据无线传感器网络的应用需求以及功能要求，目前问世的由不同公司以及研究机构研制的无线节点在硬件结构上基本相同，只是在一些有特殊要求的地方存在细微的差别，无线节点包括如下几个基本单元：处理器单元、存储器单元、射频单元、扩展接口单元、传感器以及电源。节点的硬件体系结构框架如图1所示。 处理器Flash Ram A/D

Timer

存储器传感器扩展接口射频

电

源无线传感器网络节点

图1 节点的硬件体系结构框架

二、节点设计技术要素

在节点的设计过程中，主要需要考虑以下几个因素：

1、 节点的硬件成本要低廉。无线传感器网络的规模一般比较大，在目标环境系统中，所布置的节点数量基本上在数百个到数千个以上，在如此大规模的布撒情况下，单个节点的成本问题就显得尤为突出。因此，要求在能够满足系统需求的条件下，将节点的硬件成本降低到足够低；

2、 节点具有足够的数据处理及存储能力。无线传感器网络节点主要担负两项功能，一是进行环境数据的采集，二是进行数据传输。数据采集过程一般由处理器

直接控制完成，但在数据采集之后通常要对所采集的数据进行必要的处理以及存储等工作，在此要占用一部分处理器与存储器资源。同时，由于节点要将所采集的数据进行无线发送，所以要对数据进行进一步加工，即将数据组成能够满足网络要求的数据包格式，由处理器将数据送往无线通信模块部分。另外，传感器网络节点所担负的另外一项重要工作是路由功能，即将所接收到的数据包向下一级网络节点进行转发，路由功能也会消耗节点一部分处理器和存储器资源。因此，无线节点要具有足够的数据处理和存储能力，能够同时完成数据采集与数据传输的功能；

3、节点具有低功耗设计。无线传感器网络节点一般采用电池供电，并且大多数工作在野外环境或者人员不宜到达的地方，因而无线节点的电池不能够被随时更换，这就要求节点能够在有限的电源供电的情况下工作的时间尽可能长以延长网络的寿命，除采用大容量的电池以及像太阳能这样可以自己供电的方案之外，节电本身就要具有低功耗设计技术，从而达到延长节点寿命的目的；

4、根据不同应用场合的需要，无线传感器节点要具有不同的传感器接口，能与不同的传感器相结合，进行灵活的配置。

三、节点中常用的处理器

在无线节点各单元模块中，核心部分为处理器模块以及射频通信模块。处理器决定了节点的数据处理能力，路由算法的运行速度以及无线传感器网络形式的复杂程度，同时不同处理器工作频率不同，在不同状态下功率也不相同，因此不同处理器的选用也在一定程度上影响了节点的整体能耗和节点的工作寿命。

目前在大多数实际应用中，选用不同处理器的依据一般根据处理器工作频率、功率、内部程序存储空间大小、内存大小、接口数量以及数据处理能力是否能够满足实际应用的要求来进行选择。目前问世的节点大多使用如下几种处理器：ATMEL公司AVR系列的ATMega128L处理器，TI公司生产的MSP430系列处理器，少部分节点根据特殊的要求采用了功能强大的ARM处理器，以及根据节点面向更加广泛用户的8051内核处理器。以下对不同处理器的功能及特点分别进行介绍。

ATMega128L芯片是ATMEL公司生产的AVR系列处理器。该系列处理器为增强RISC内载Flash的芯片。AVR结构单片机的开发目的就是在于能够采用C语言编程，从而能高效地开发出目标产品。为了实现目标代码大小、性能以及功耗的优化，AVR处理器采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。AVR处理器采用Harvard结构，程序存储器和数据存储器是分开的，可以分别直接访问。ATMega128L芯片具有128K 字节的系统内可编程Flash，4K字节的EEPROM，4K 字节的内部SRAM，64K 字节的优化的外部存储器空间，8路10 位ADC，6种睡眠模式。使用ATMega128L作为核心处理器的无线传感器网络节点的产品包括CrossBow公司生产的Mica2节点[1]、CSRIO研究室的CSRIO节点[2]以及中科院计算所研制的 EASINet系列节点[3]等。

采用MSP430处理器的节点也占有一部分比例。TI 公司的MSP430 系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，能够在低电压下以超低功耗状态工作；其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设；带FLASH 存储器的单片机还可以方便高效地进行在线仿真和编程。在无线传感器网络节点应用中MSP430F149以及MSP430F1611两种单片机使用最为常见。MSP430采用16 位RISC 结构，其丰富的寻址方式、简洁的内核指令、较高的处理速度（8M 晶体驱动，指令周期

125ns）、大量的寄存器以及片内数据存储器使之具有强大的处理能力。MSP430F149的特点在于具有较大的程序存储器空间，为60KB的Flash存储器空间，具有2KB的数据RAM空间。而MSP430F1611的特点在于具有较大的数据存储

器空间，为10KB的RAM存储器，而程序存储器空间稍小，为48KB的Flash，但

也已能够满足程序的需要。MSP430 系列单片机最显著的特点就是其超低功耗，

在1.8～3.6V 电压、1MHz 的时钟条件下运行，耗电电流在0.1～400mA 之间，RAM 在节电模式耗电为1uA，关断模式下仅为0.2mA。这样的超低功耗，对于无

线传感器网络节点来说，能够有效地解决一部分能量消耗的问题。使用MSP430

系列单片机作为核心处理器的无线节点包括Moteiv公司生产的Tmote节点[4]（Telos），ShockFish公司的TinyNode 584节点[5]等。

若需要无线传感器网络节点实现复杂的数据处理功能以及复杂的路由协议等，就要采用功能更强大的CPU，来满足数据计算量的要求。对于采用高性能处

理器的传感器节点也要考虑在性能和功耗之间保持一定的平衡，以求得用最小的

功耗代价换取最大的性能提高。在高性能节点中，具有典型代表性的节点是耶鲁

大学的XYZ节点[6]，它采用了OKI公司生产的ML67Q500x系列的处理器。

ML67Q500x系列处理器采用了32位ARM内核，内置了32KB的SRAM以及4KB的Boot ROM，其中ML67Q5002以及ML67Q5003更是分别内置了256KB和512KB的FlashROM，这为存储无线传感器网络节点的程序提供了充足的空间，同时也能够

大大简化节点硬件结构的复杂程度。该系列的处理器时钟可以工作在60MHz频率下，能够大幅度地提高节点的运算速度。

另外一款具有代表性的高性能节点是Intel公司生产的imote和imote2节

点[7]。imote2节点采用了PXA270处理器，该处理器是Intel于2004年4月发

布的XScale处理器家族的升级产品，最高主频达624MHz。该款芯片把X86架构

奔腾4系列上的多媒体扩展功能引入了Xscale芯片组的产品线中，用户通过这

个无线多媒体扩展技术(MMX)可以在掌上设备上播放高质量的视频和玩三维游戏。同时PXA270还加入了Intel SpeedStep动态电源管理技术，在保证CPU性

能的情况下，极大程度地降低移动设备功耗。在无线节点上使用这样强大的处理器，足以能够应付包括视频在内的各种复杂数据处理功能。在无线传感器网络节

点中采用的处理器性能综合比较见表1。

表1、无线传感器网络节点中采用的处理器性能比较

性能参数\处理器 ATMega128L MSP430F1611 ML67Q5002 PXA270

总线带宽（位） 8 16 32 32

时钟频率（MHz）7.3728 4 60 Up to 520

工作电压 3.3 3.3 3.3 2.5/3.3 工作电流 20mA 600uA 120mA -

休眠电流 25uA 4.3uA 20uA -

256KB -

内部FLASH 128KB 48KB+256B

内部SRAM 4KB 10KB 32KB -

四、节点中常用的射频通信模块

在无线传感器网络节点中，核心部分除包括CPU外，另外一个重要的部分就

是射频通信部分。由于传感器网络应用的特殊性，使用像802.11这样的复杂协议，在该领域并不十分合适，主要是由于协议的复杂性会带来很大的能量消耗，

同时节点的处理功能并不是十分强大，而使用这样复杂的协议要占用大量的处理

器资源。因此，各大公司以及研究机构并不采用802.11无线通信协议作为无线

传感器网络的无线通信底层部分。在无线传感器网络中，广泛应用的底层通信方

式包括使用ISM波段的普通射频通信以及具有802.15.4协议和蓝牙通信协议的

射频通信。使用普通ISM频段的无线传感器网络节点根据在不同的国家和地区对

于ISM波段频率的定义不同，一般将通信频率设置为433MHz或者868/915MHz。

在硬件的设计中，所采用的芯片基本上包括Chipcon公司生产的CC1000，Nordic

公司生产的nrf903，Semtech公司生产的XE1205。这三种芯片只包含单纯的无

线通信功能，没有协议的支持，非常适合研究无线传感器网络的底层MAC通信协

议，所研究的协议内容能够在这样的平台上完全实现。Mica2与EASI210节点采

用了CC1000芯片，CSRIO节点采用了nrf903芯片，TinyNode 584节点采用了

XE1205芯片。

还有部分无线传感器网络节点使用了带有802.15.4/ZigBee协议的通信芯

片，具有这样协议的芯片包括Chipcon公司的CC2420芯片，RFWave公司的RFW102

芯片组 ，这两种芯片（组）都是工作在2.4GHz，采用DSSS直接序列扩频技术，

功耗电流较低，无线数据的通信速率较快，但是由于工作频率较高，所以在同样

的功率条件下，通信距离要比采用ISM波段通信频率的芯片相对较近。由于该种

芯片内部已经实现了802.15.4/ZigBee通信协议，因此在节点程序的控制上不需

要对MAC层协议进行过多操作，因为所有的MAC协议已经由芯片处理完成了，开

发者只需要对网络层和应用层进行控制及操作即可，简化了开发的过程。micaz

节点、Tmote节点、XYZ节点、imote2节点采用了CC2420芯片。

上述这些芯片在功能以及功耗等方面的比较见表2，更加具体的技术指标可

以在相应的数据手册中获得。

表2、无线传感器网络节点中采用的射频模块综合比较

性能参数\射频模块CC1000 nrf903 XE1205 CC2420

RFW102

通信频率（MHz） 300~1000 433/868/915 433/868/915 2400 2400

调制方式FSK GFSK FSK O-QPSK

ASK 编码方式NRZ/曼彻斯特直接同/异步 NRZ DSSS DSSS

工作电压（V） 2.7~5 2.7~3.3 2.4~3.9 2.1~3.6

2.4~

3.6 最大输出功率(

dbm)10 10 15 0

7 灵敏度（dbm）-110 -104 -110 -94

-77 传输速度（kbps）76.8 76.8 153.2 250

1000 接收电流（mA） 7.4 18.5 14 19.7 7

协议无无无 802.15.4/

ZigBee 802.15.4/ ZigBee

五、节点上的扩展接口

下面对各种无线传感器节点所连接的传感器和扩展接口进行介绍。无线传感器网络节点是用来采集所处环境的信息和参数的，由于节点的应用需求不同，因此节点所带的传感器也不同。为了增加无线传感器网络节点的通用性以及可扩展性，部分传感器节点的设计中将处理器/通信电路部分与传感器模块进行了分别的设计，中间采用扩展接口将处理器/通信电路板与传感器电路板进行连接。采用这种结构设计电路的好处使增加了节点的扩展性能，在不同的要求下，若需要采用不同的传感器，只需要更换不同的传感器电路板就可以，而不需要重新设计

处理器和射频电路部分。若对于传感器节点只需要采集某种固定的环境参数，则将处理器/通信电路和传感器电路设计在同一个电路板上，这样虽然降低了传感器节点的通用性，但也同时降低了节点的成本以及增加了节点的可靠性。

本文介绍中采用扩展接口方式连接传感器的无线传感器网络节点包括：mica2、micaz节点、EASI210节点、XYZ节点、CSRIO节点、TinyNode 584节点、imote2节点；采用将传感器与通信/处理电路设计在同一个电路板上的节点包括Tmote节点。

部分无线传感器网络节点在应用中，对实时性要求不高，则可以将数据暂时存储在节点内，保存一段时间后集中发送，这样既节省了节点数据传输的能量，同时又有效的减少了无线信道的资源占用。数据存储需要在无线节点中进行存储器的扩展，所扩展的存储器分为Flash存储器、EEPROM存储器以及SRAM存储器，根据需要不同，可以选择不同形式以及不同容量的存储器芯片。在上述所介绍的节点中，扩展了存储器的节点包括mica2、micaz节点，EASI210节点、Tmote 节点、XYZ节点、TinyNode 584节点和CSRIO节点等。

六、无线传感器网络节点综合比较

在本文中，主要比较CrossBow公司生产的Mica2节点以及Micaz节点，CSRIO 实验室的CSRIO节点，moteiv公司的Tmote节点，ShockFish公司的TinyNode 584节点，耶鲁大学的XYZ节点以及Inter公司的imote2节点；对于国内所研究的节点，选择了中科院计算所的EASI210节点进行比较,见表3。

表3、无线传感器网络节点综合比较

无线节点\参数处理器射频芯片扩展存储器特点

低功耗、电源监测、全球

512KB

CC1000

Mica2 ATMega128L

唯一地址

Mica z ATMega128L CC2420 512KB 低功耗

- USB接口、超低功耗，集

CC2420

Tmote MSP430F1611

成温湿度、光照度传感器

nrf903 4KB 使用GFSK调制，误码率CSIRO ATMega128L

低

TinyNode 584 MSP430F1611 XE1205 512KB 无线传输速率高，距离远

USB接口，处理功能强

32MB

Imote2 PXA270

CC2420

大，可以进行音视频处理XYZ ML67Q5002

- 处理功能强大

CC2420

CC1000 512KB 电源监测、低功耗，高稳EASI210 ATMega128L

定性，全球唯一地址

由表3可以看出，各公司生产的不同无线传感器网络节点根据所选用的核心处理器与射频通信芯片以及扩展功能的不同，分别具有不同的特点。由于MSP430单片机具有的超低功耗点，而处理器在节点能量消耗占有一定比例，因此采用了MSP430系列单片机作为处理器的无线节点大多具有超低功耗的特点，例如其中的Tmote节点。采用了2.4GHz无线通信频率的节点都直接具有802.15.4/ZigBee 通信协议，更加符合国际潮流，同时简化了开发步骤，更加具有兼容性，例如其中的：Mica z节点、Tmote节点、Imote2节点以及XYZ节点。采用了超强处理

器的节点更加擅长处理大数据量，适用于高速通信、环境复杂、需要强大数据处理能力的场合，例如imote 2节点以及XYZ节点。使用ATMega128L芯片处理器则在性能和功耗之间较为平衡，处理速度较快，而功耗又相对较低，是一种折中的方案。在射频方面，使用了不具有ZigBee协议射频芯片的节点由于通信频率比较低，因此在通信距离以及功耗上较有优势，与2.4GHz通信频率的芯片相比，在相同的功耗下，可以以较远的距离通信。同时，研究单位可以根据不同情况，开发满足自己需要的底层MAC协议。

七、面向下一代网络的片上节点系统

如上所述，目前无线传感器网络的节点可以分为两类，一类是采用以通用的CPU为核心部件，类似嵌入式系统的方式设计的节点，另一类则是面向下一代网络的采用FPGA、ASIC等专用器件设计的平台。

前一类节点的典型代表有Crossbow的Mica系列以及Telos系列的节点，它们的特点是采用通用的CPU来外接传感器、射频芯片等外设以此构成传感器节点，并以软件开发为主要开发手段。此类节点一般由公司来提供节点硬件平台并出售给实验室来进行研发。由于有TinyOS等操作系统的支持，使得围绕此类节点的研发相对容易，但是由于节点上的硬件已经固定，使得研发的灵活性有限，一般只能在已有硬件和操作系统的基础上进行网络协议的开发以及应用层的开发，并不能在物理设计上进行改进来减少节点的体积、成本和功耗。并且由于节点的资源有限，很难进行复杂程序的开发。

下一代节点的典型代表有U.C. Berkeley的Smart Dust以及PicoRadio，CSEM的WiseNET等，它们均采用了SOC（System-on-Chip）技术,在一个芯片上集成了CPU、自定义逻辑模块、甚至射频模块和传感器模块，用这样的芯片辅以较少的外设来实现传感器节点。目前此类节点的开发，一般先在FPGA开发平台上进行，验证完成后再转为ASIC量产。由于能够自行选择和设计逻辑模块，此类平台的开发灵活性有了很大的提高，在FPGA验证完成的情况下，配上先进的工艺来设计ASIC芯片，可以大幅度的减少节点的功耗、体积和成本并且提高可靠性。不过此类节点的开发比较复杂，目前多为各个实验室自行开发各自的平台。不过随着SOC技术的发展和IP(Intellectual Property)模块的普及，此类节点的开发会越来越容易。

所谓的SOC（System on Chip）就是在集成电路设计中，加入一个CPU的内核，把CPU、总线、存贮器和总线上挂接的IO设备连接在一起形成一个具备智能化的功能系统。由于这个系统是在一个芯片上实现的，所以被称为SOC。最早的SOC是从单片机系统演化出来的。最初Intel开发的8031系列单片机只是一个CPU。后来许多开发商在8031CPU的基础上，又进一步根据应用的需求把程序存贮器、数据存贮器、I2C、PWM、AD、CAN等功能模块加以集成在一个芯片上，形成了最初的SOC。随着集成电路工艺和设计手段的进步，把一个更大的系统集成在一个小的芯片上变得相对简单与容易。于是SOC如雨后春笋般地出现。目前SOC已经渗透到电子信息产业的方方面面，嵌入式系统与SOC结合也越来越紧密。目前SOC的另外一个分支是FPGA上的SOC。也就是所谓的PSOC或者SOPC。前者是Xilinx公司对FPGA SOC的称呼，后者是Altera采用的称呼，意思都是把系统集成到一个可编程的芯片上。既然要在FPGA上实现SOC，首先必须在SOC上有一个CPU。Xilinx公司和Altera公司均为自己公司的FPGA提供了硬核CPU 和软核CPU。Xilinx公司提供硬核CPU的器件是VertexII Pro系列，上面有一

个或者数个IBM PPC405的内核。Altera为其APEXII器件提供了ARM硬核。所谓硬核就是这个CPU本身就与FPGA一起集成到了芯片内部。同时这两个公司都提供了CPU软核。CPU软核是以IP形式出现的。Xilinx公司的软核是MicroBlaze CPU。Altera公司提供的软核叫做NOIS。

目前SOC技术中，像CPU、RS232接口等常用的模块已经以IP的形式提供给开发者，开发者不用写代码就可以很容易地在FPGA上划分出这些常用的模块，并把它们相连，就像在一块电路板上连接各个芯片一样。然而，电路板一旦被制作出来，想要添加和修改原件就比较困难，往往需要重新制作电路板，非常不方便，而对FPGA来说只是需要内部重新编程而已，不需要做硬件上的改动。因此，与采用嵌入式系统架构设计的节点相比，用FPGA来设计验证传感器节点，在硬件修改方面，具有更大的灵活性，同时可以在FPGA内嵌入专用的逻辑模块，来实现节点的功能，这比用软件来实现节点功能的方法更有针对性，能得到更高的效率，也为大幅度降低节点功耗提供了可能。

接下来，本文将介绍一些已有的用SoC方法设计出来的传感器节点。 Smart Dust[8]

Smart Dust是1999年U.C. Berkeley在美国国防部委托下开发出的一套无线传感器网络节点，它的结构图2如下：

图2 Smart Dust结构

为了减少体积和功耗，Smart Dust放弃了传统的RF通信方式，而采用光通信作为它的通信方式。同时，它采用了MEMS （Micro ElectroMechanical Systems 微机电系统，融合了硅微加工、光刻铸造成型(LIGA)和精密机械加工等多种微加工技术），使得它的长度在5mm之内。Smart Dust采用了SOC的方式，在一个芯片中集成了传感器、处理器、光通信装置等器件，成功地达到了减小体积，降低功耗的目的，而这是通用的嵌入式平台所难以达到的。

PicoRadio Test Bed [9]

PicoRadio研究组属于Berkeley的无线研究中心（Berkeley Wireless Research Center），它们致力于小体积、低功耗SOC设备以及无线传感器网络的研究。为了研发采用SOC技术的无线传感器网络节点PicoNode，2002年它们设计了PicoRadio Test Bed这一研发平台，如图3所示，它由处理器板、电源板、通信板和传感器板四个板块叠加而成。

图3 PicoRadio Test Bed节点

其中处理器板采用了ARM 1100的CPU和Xilinx XC4020XLA的FPGA作为处理器，通信板采用蓝牙作为通信方式。在开发中，应用层和高程次的网络协议（路由等）用软件的方式通过CPU来实现，而低层次的网络协议（MAC等）以及蓝牙芯片的控制则通过硬件编程的方式用FPGA来实现，CPU和FPGA的关系如图4所示：

图4 PicoRadio Test Bed节点的结构

由于PicoRadio Test Bed只是一个测试平台，还没有实现真正意义上的SoC，因此PicoRadio Test Bed体积和功耗还难以让人满意，尤其是它的工作时间只有24小时。不过PicoRadio的研究表明，在运行同样MAC协议的相同工艺下不同平台在功耗方面有较大差异，以ASIC为最低。因此，只要将PicoRadio Test Bed转化为ASIC芯片，则它的功耗和体积都可以大大下降，从而达到低功耗和体积的目的。

WiseNET[10]

WiseNET是瑞士CMES（Swiss Center for Electronics and Microtechnology）开发的一套无线传感器网络节点芯片，它的结构如图5所示。

图5 WiseNET的结构

WiseNET采用SOC技术，专门为无线传感器网络而设计。在一块芯片上集成了射频模块、MAC协议、采用Cool-RISC结构的微控制器（图中的μC）、电源模块、ADC模块以及SPI、I2C的接口，用户只需外接电池、传感器和天线即可将它制作成节点。从功能、体积和功耗上它都比用通用的CPU设计出的传感器节点有较大的改进。

Multi-Radio WSN Platform [11]

如果说前三种节点不同体现的是SOC节点在体积和功耗上的优势，Tampere University of Technology（坦佩雷技术大学芬兰）的Multi-Radio WSN Platform 则体现出了SOC节点在硬件灵活性上的优势。

Multi-Radio WSN Platform的节点照片以及体系结构如图6所示。

图6、Multi-Radio WSN Platform的节点照片以及体系结构与往常的节点不同，Multi-Radio WSN Platform采用了四个射频模块，用频分的方式进行手法数据，这样，它可以在4个频段上同时进行数据的收发，来达到较高的数据传输速率。

Multi-Radio WSN Platform采用的是Altera Cyclone EP1C20的FPGA，并使用了Nios II CPU软核作为片上的处理器，同时它在FPGA上实现了四个射频芯片的接口模块，用它们来控制外部的4个射频芯片，同时它在FPGA内建立一个射频控制模块来协调四个射频芯片的工作，使它们工作在不同的频段，互不干扰。在这个节点平台上，研究者可以研究和开发具有多个射频发射和接收模块的网络协议，从而得到更高的传输速率。

结束语

无线传感器网络节点由于应用环境以及可选用元件的多样性，使得目前各公司以及研究机构所研制生产的节点也呈现出极大的多样性。同时由于无线传感器网络的模式以及功能基本相同，因此各种无线节点在结构上基本一致，都包括了处理器、存储器、射频通信模块以及扩展接口几个主要部分，同时每种节点在个别地方具有一些特色，例如存储器、传感器以及其他的功能等方面。在实际的使用过程中，可根据不同的需求，选择合适的无线传感器节点，从而能够更大的发挥出节点的性能同时并不造成资源的浪费。

展望下一代网络SOC节点，可以看出，用SOC方法设计出的节点与用嵌入式平台设计出的节点相比，往往体积更小，功耗更低，同时SOC也能为协议的开发者提供更加多样、更加灵活的硬件平台。将来，不仅是接口模块、MAC协议可以用硬件实现，在针对大规模特定应用时还可以将路由协议也用硬件来实现，甚至做成完全用硬件实现的不含CPU的ASIC节点，来获得更高的效率，降低成本和功耗。虽然用SOC设计节点有着工作量更大，更复杂的缺点，但是由于它比嵌入式平台这种通用平台更有针对性，更符合无线传感器网络节点在功耗、体积和成本上的需求，随着SOC技术的进步、芯片加工工艺的发展，SOC在无线传感器网络中将得到更大的应用。

参考文献

[1] Crossbow Technology, Inc. https://www.sodocs.net/doc/3f10713278.html,, mica2_datasheet

[2] Autonomous Systems Lab, http://www.ict.csiro.au, Non-Berkeley platforms

[3] 中国科学院计算技术研究所无线传感器网络研究组，https://www.sodocs.net/doc/3f10713278.html,

[4] Moteiv, Better, Cheaper, Faster, But how do we use it? Moteiv Corporation,

https://www.sodocs.net/doc/3f10713278.html,

[5] Shockfish SA, TinyNode 584 User’s Manual, http:// https://www.sodocs.net/doc/3f10713278.html,

[6] Dimitrios Lymberopoulos and Andreas Savvides, Embedded Networks and Applications Lab, Yale University, XYZ: A Motion-Enabled, Power Aware Sensor Node Platform for Distributed Sensor Network Applications, https://www.sodocs.net/doc/3f10713278.html,/enalab/publications/spots05_XYZ.pdf

[7] Intel Corporation, https://www.sodocs.net/doc/3f10713278.html,

[8] J. M. Kahn, R. H. Katz, K. S. J. Pister, "Next century challenges: mobile networking for 'Smart Dust'", Proceedings of the 5th annual ACM/IEEE international conference on Mobile computing and networking, Seattle, Washington, USA, pp.271-278, 1999.

[9] https://www.sodocs.net/doc/3f10713278.html,/Research/Pico_Radio/Test_Bed/PRTBWhitePaper.pdf

[10] A. El-Hoiydi, C. Arm, R. Caseiro, S. Cserveny, J.-D. Decotignie, C. Enz, F. Giroud, S. Gyger, E. Leroux, T. Melly, V. Peiris, F. Pengg, “WiseNET: an ultralow-power wireless sensor network solution”, Computer, Aug., pp.62- 70, 2004. [11] Mikko Kohvakka, Tero Arpinen, Marko H?nnik?inen, Timo D. H?m?l?inen, “High-performance multi-radio WSN platform”, REALMAN '06, pp.95-97, 2006.

作者简介

赵泽 中国科学院计算技术研究所助理研究员, 2001年和2004年在大连理工大学获得工学学士和工学硕士学位，IEEE会员，主要研究领域为无线传感器网络技术、射频通信技术、自动控制、嵌入式系统等。

黄希 中科院计算所无线传感器网络课题组硕士研究生， 研究方向为低功耗片上系统、嵌入式系统、无线传感器网络，曾获第二届“Intel杯”全国大学生电子设计大赛嵌入式专题竞赛一等奖。

无线传感器网络技术试题

无线传感器网络技术试 题 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

一、填空题 1. 传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2. 传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3. 无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4. 传感节点中处理部件用于协调节点各个部分的工作的部件。 5. 基站节点不属于传感器节点的组成部分 6. 定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7. 无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 8. NTP时间同步协议不是传感器网络的的时间同步机制。 物理层。介质访问控制层 10. 从用户的角度看，汇聚节点被称为网关节点。 11. 数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测 13. 传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14. 分布式系统协同工作的基础是时间同步机制 15. 无线网络可以被分为有基础设施的网络与没有基础设施的网络，在无线传感器网络，Internet网络，WLan网络，拨号网络中，无线传感器网络属于没有基础设施的网络。 16. 传感器网络中，MAC层与物理层采用的是IEEE制定的IEEE协议

17. 分级结构的传感器网络可以解决平面结构的拥塞问题 18. 以数据为中心特点是传感器网络的组网特点，但不是Ad-Hoc的组网特点 19. 为了确保目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用了SIFS帧间间隔 20. 典型的基于竞争的MAC协议为CSMA 二、选择题 1.无线传感器网络的组成模块分为：通信模块、（）、计算模块、存储模块和电源模块。A A．传感模块模块 C网络模块 D实验模块 2..在开阔空间无线信号的发散形状成（）。A A．球状 B网络 C直线 D射线 3.当前传感器网络应用最广的两种通信协议是（）D A. B. C. D. 4.ZigBee主要界定了网络、安全和应用框架层，通常它的网络层支持三种拓扑结构，下列哪种不是。D A．星型结构、B网状结构C簇树型结构D树形结构 5.下面不是传感器网络的支撑技术的技术。B A．定位技术B节能管理C时间同步D数据融合 6.下面不是无线传感器网络的路由协议具有的特点D A．能量优先 B.基于局部拓扑信息 C.以数据为中心 D预算相关 7.下面不是限制传感器网络有的条件C A电源能量有限 B通信能力受限 C环境受限 D计算和存储能力受限

基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现

南京航空航天大学 硕士学位论文 基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现 姓名：耿长剑 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：王成华 20090101

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络，已成为当前无线通信领域研究的热点。 随着生活水平的提高，环境问题开始得到人们的重视。传统的环境监测系统由于传感器成本高，部署比较困难，并且维护成本高，因此很难应用。本文以环境温度和湿度监控为应用背景，实现了一种基于无线传感器网络的监测系统。 本系统将传感器节点部署在监测区域内，通过自组网的方式构成传感器网络，每个节点采集的数据经过多跳的方式路由到汇聚节点，汇聚节点将数据经过初步处理后存储到数据中心，远程用户可以通过网络访问采集的数据。基于CC2430无线单片机设计了无线传感器网络传感器节点，主要完成了温湿度传感器SHT10的软硬件设计和部分无线通讯程序的设计。以PXA270为处理器的汇聚节点，完成了嵌入式Linux系统的构建，将Linux2.6内核剪裁移植到平台上，并且实现了JFFS2根文件系统。为了方便调试和数据的传输，还开发了网络设备驱动程序。 测试表明，各个节点能够正确的采集温度和湿度信息，并且通信良好，信号稳定。本系统易于部署，降低了开发和维护成本，并且可以通过无线通信方式获取数据或进行远程控制，使用和维护方便。 关键词：无线传感器网络，环境监测，温湿度传感器，嵌入式Linux，设备驱动

Abstract Wireless Sensor Network, a new intelligent control and monitoring network combining sensor technology with computer and communication technology, has become a hot spot in the field of wireless communication. With the improvement of living standards, people pay more attention to environmental issues. Because of the high maintenance cost and complexity of dispose, traditional environmental monitoring system is restricted in several applications. In order to surveil the temperature and humidity of the environment, a new surveillance system based on WSN is implemented in this thesis. Sensor nodes are placed in the surveillance area casually and they construct ad hoc network automatieally. Sensor nodes send the collection data to the sink node via multi-hop routing, which is determined by a specific routing protocol. Then sink node reveives data and sends it to the remoted database server, remote users can access data through Internet. The wireless sensor network node is designed based on a wireless mcu CC2430, in which we mainly design the temperature and humidity sensors’ hardware and software as well as part of the wireless communications program. Sink node's processors is PXA270, in which we construct the sink node embedded Linux System. Port the Linux2.6 core to the platform, then implement the JFFS2 root file system. In order to facilitate debugging and data transmission, the thesis also develops the network device driver. Testing showed that each node can collect the right temperature and humidity information, and the communication is stable and good. The system is easy to deploy so the development and maintenance costs is reduced, it can be obtained data through wireless communication. It's easy to use and maintain. Key Words: Wireless Sensor Network, Environment Monitoring, Temperature and Humidity Sensor, Embedded Linux, Device Drivers

无线传感器网络的特点

无线传感器网络的特点 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。 传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。 自组织网络在 传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。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，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，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测数据的多跳无线网络系统。在传

感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，

从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。

无线传感器网络技术试题

1. 传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2. 传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3. 无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4. 传感节点中处理部件用于协调节点各个部分的工作的部件。 5. 基站节点不属于传感器节点的组成部分 6. 定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7. 无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 8. NTP时间同步协议不是传感器网络的的时间同步机制。 9. IEEE 802.15.4标准主要包括：物理层。介质访问控制层 10. 从用户的角度看，汇聚节点被称为网关节点。 11. 数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测 13. 传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14. 分布式系统协同工作的基础是时间同步机制 15. 无线网络可以被分为有基础设施的网络与没有基础设施的网络，在无线传感器网络，Internet 网络，WLan 网络，拨号网络中，无线传感器网络属于没有基础设施的网络。 16. 传感器网络中，MAC层与物理层采用的是IEEE制定的IEEE 802.15协议 17. 分级结构的传感器网络可以解决平面结构的拥塞问题 18. 以数据为中心特点是传感器网络的组网特点，但不是Ad-Hoc的组网特点 19. 为了确保目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用了SIFS帧间间隔 20. 典型的基于竞争的MAC协议为CSMA

(中文)基于无线传感器网络桥梁安全监测系统

基于无线传感器网络的桥梁安全检测系统 摘要 根据桥梁监测无线传感器网络技术的桥梁安全监测系统，以实现方案的安全参数的需要；对整个系统的结构和工作原理的节点集、分簇和关键技术，虽然近年来在无线传感器网络中，已经证明了其潜在的提供连续结构响应数据进行定量评估结构健康，许多重要的问题，包括网络寿命可靠性和稳定性、损伤检测技术，例如拥塞控制进行了讨论。 关键词：桥梁安全监测；无线传感器网络的总体结构；关键技术 1 阻断 随着交通运输业的不断发展，桥梁安全问题受到越来越多人的关注。对于桥梁的建设与运行规律，而特设的桥梁检测的工作情况，起到一定作用，但是一座桥的信息通常是一个孤立的片面性，这是由于主观和客观因素，一些桥梁安全参数复杂多变[1]。某些问题使用传统的监测方法难以发现桥梁存在的安全风险。因此长期实时监测，预报和评估桥梁的安全局势，目前在中国乃至全世界是一个亟待解决的重要问题。 桥梁安全监测系统的设计方案，即通过长期实时桥跨的压力、变形等参数及测试，分析结构的动力特性参数和结构的评价科关键控制安全性和可靠性，以及问题的发现并及时维修，从而确保了桥的安全和长期耐久性。 近年来，桥梁安全监测技术已成为一个多学科的应用，它是在结构工程的传感器技术、计算机技术、网络通讯技术以及道路交通等基础上引入现代科技手段，已成为这一领域中科学和技术研究的重点。 无线传感器网络技术，在桥梁的安全监测系统方案的实现上，具有一定的参考价值。 无线传感器网络（WSN）是一种新兴的网络科学技术是大量的传感器节点，通过自组织无线通信，信息的相互传输，对一个具体的完成特定功能的智能功能的协调的专用网络。它是传感器技术的一个结合，通过集成的嵌入式微传感器实时监控各类计算机技术、网络和无线通信技术、布式信息处理技术、传感以及无线发送收集到的环境或各种信息监测和多跳网络传输到用户终端[2]。在军事、工业和农业，环境监测，健康，智能交通，安全，以及空间探索等领域无线传感器网络具有广泛应用前景和巨大的价值。 一个典型的无线传感器网络，通常包括传感器节点，网关和服务器，如图1

无线传感器

无线传感器网络浅谈

王露瑶 16111206031 无线传感器网络浅谈 摘要：随着人们对物理世界的建设与完善，对未知领域与空间的拓展，人们需要的信息来源、种类、数量不断增加，这对信息的获取方式提出了更好的要求。在人类历史发展的很长一段时间内，人是通过视觉、听觉、嗅觉等方式对物理世界的本能感知已远远不能满足信息时代的发展要求。传感器作为连接物理世界与电子世界的重要媒介，在信息化的过程中发挥了关键的作用，大大的提高了人类认识世界和改造世界的能力。如果说互联网构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线传感网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人与自然界的交互方式。人们可以通过传感网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。 关键词：传感器无线传感网络基本概念体系结构协议测评应用一、无线传感网络的概念 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络就是由部署在监测

区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。 二、无线传感网络的基本特点 （1）节点的可移动性、通信的断接性。由于传感网络具有自组网和自动路由的特性，故其常常用于一些可以移动的领域，比如位于地面以下的矿井人员定位系统等。另一方面，可移动的特性、采集数据的间隔性等使得网络节点再通信时并不需要进行连续的数据传输（2）通信能力有限。传感器网络节点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。传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。此外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，是设计传感器节点的重要问题。 （3）电源能量有限。传感器的电源能量极其有限，网络中的传感器节点由于电源能量的原因经常失效或废弃。由于传感器网络中的节点数量大、分布范围广，采用电池供电的节点受到电源能量约束的问题比较严重。 （4）计算能力有限。传感器网络中的智能传感器内部都具有嵌入式

无线传感器网络的应用与影响因素分析

无线传感器网络的应用与影响因素分析 摘要：无线传感器网络在信息传输、采集、处理方面的能力非常强。最初，由于军事方面的需要，无线传感网络不断发展，传感器网络技术不断进步，其应用的范围也日益广泛，已从军事防御领域扩展以及普及到社会生活的各个方面。本文全面描述了无线传感器网络的发展过程、研究领域的现状和影响传感器应用的若干因素。关键词：无线传感器网络；传感器节点；限制因素 applications of wireless sensor networks and influencing factors analysis liu peng (college of computer science,yangtze university,jingzhou434023,china) abstract:wireless sensor networks in the transmission of informa- tion,collecting,processing capacity is very strong.initially,due to the needs of the military aspects of wireless sensor networks,the continuous development of sensor network technology continues to progress its increasingly wide range of applications,from military defense field to expand and spread to various aspects of social life.a comprehensive description of the development

基于无线传感器网络的智能交通系统的设计

一、课题研究目的 针对目前中国的交叉路口多，车流量大，交通混乱的现象研究一种控制交通信号灯的基于无线传感器的智能交通系统。 二、课题背景 随着经济的快速发展，生活方式变得更加快捷，城市的道路也逐渐变得纵横交错，快捷方便的交通在人们生活中占有及其重要的位置，而交通安全问题则是重中之重。据世界卫生组织统计，全世界每年死于道路交通事故的人数约有120 万，另有数100 万人受伤。中国拥有全世界1. 9 %的汽车，引发的交通事故占了全球的15 % ，已经成为交通事故最多发的国家。2000 年后全国每年的交通事故死亡人数约在10 万人，受伤人数约50万，其中60 %以上是行人、乘客和骑自行车者。中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5180 亿(人民币)，死亡率为9 人/ 万·车，因此，有效地解决交通安全问题成为摆在人们面前一个棘手的问题。 在中国，城市的道路纵横交错，形成很多交叉口，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集通过。而目前的交通情况是人车混行现象严重，非机动车的数量较大，路口混乱。由于车辆和过街行人之间、车辆和车辆之间、特别是非机动车和机动车之间的干扰，不仅会阻滞交通，而且还容易发生交通事故。根据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/ 3，在所有交通事故类型中居首位，对交叉口交通安全影响最大的是冲突点问题，其在很大程度上是由于信号灯配时不合理(如黄灯时间太短,驾驶员来不及反应)，以及驾驶员不遵循交通信号灯，抢绿灯末或红灯头所引发交通流运行的不够稳定。随着我国经济的快速发展，私家车也越来越多，交通控制还是延续原有的定时控制，在车辆增加的基础上，这种控制弊端也越来越多的体现出来，造成了十字交叉路口的交通拥堵和秩序混乱，严重的影响了人们的出行。智能交通中的信号灯控制显示出了越来越多的重要性。国外已经率先开展了智能交通方面的研究。 美国VII系统(vehicle infrastructure integration)，利用车辆与车辆、车辆与路边装置的信息交流实现某些功能，从而提高交通的安全和效率。其功能主要有提供天气信息、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。目前发展的重点主要集中在2个应用上: ①以车辆为基础; ②以路边装置为基础。欧洲主要是CVIS 系统(cooperative vehicle infrastructure system)。它有60 多个合作者，由布鲁塞尔的ERTICO 组织统筹，从2006 年2 月开始到2010年6月，工作期为4年。其目标是开发出集硬件和软件于一体的综合交流平台，这个平台能运用到车辆和路边装置提高交通管理效率，其中车辆不仅仅局限于私人小汽车，还包括公共交通和商业运输。日本主要的系统是UTMS 21 ( universal traffic management system for the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 为基础的综合系统概念,由NPA (National Police Agency) 等5个相关部门和机构共同开发的，是继20 世纪90 年代初UTMS 系统以来的第2代交通管理系统，DSSS是UTMS21中保障安全的核心项目，用于提高车辆与过街行人的安全。因此，从国外的交通控制的发展趋势可以看出，现代的交通控制向着智能化的方向发展，大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络系统，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源，减轻驾驶疲劳等功能，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。

无线传感器网络的组成与发展前景

无线传感器网络的组成与发展前景 【摘要】本文从无线传感器网络的定义出发，简单阐述无线传感器网络的组成和介绍无线网络的发展历史，用几个实例展示无线传感器网络的具体应用，最后展望了无线传感器网络的发展前景。 【关键词】无线传感器网络应用未来展望 随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。 一、无线传感器网络通的组成与特点 一个无线传感器网络通常包括三要素，即传感器、感知对象和观察者。传感器由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件等几个部分组成，这些部分相互协调，共同完成对外界信息的感知功能；感知对象是无线传感器网络的监测目标；观察者是无线传感器网络的用户，是传感信息的接收者和应用者。

传感器网络系统的节点具有自动组网的功能，节点间能够相互通信协调工作。多跳路由。节点受通信距离、功率控制或节能的限制，当节点无法与网关直接通信时，需要由其他节点转发完成数据的传输，因此网络数据传输路由是多跳的。动态网络拓扑。在某些特殊的应用中，无线传感器网络是移动的，传感器节点可能会因能量消耗完或其他故障而终止工作，这些因素都会使网络拓扑发生变化。节点资源有限。节点微型化要求和有限的能量导致了节点硬件资源的有限性。 二、无线传感器网络的发展前景 无线传感器网络虽未形成大规模的市场应用，但拥有十分广阔的前景，在军事、国防、环境监测、医疗卫生、建筑物监测等等许多领域都有重要的研究价值和巨大的实用价值，被誉为对十一世纪产生巨大影响力的技术之一。 （一）军事应用 同很多高科技技术一样，，无线传感器网络的产生也是源于网络在军事应上的需求，无线传感器网络本身的概念更贴近其在军事上的应用。无线传感器网络在战场上的应用主要是信息搜集、跟踪敌人、战场监测、目标分类。 无线传感器网络由低成本、低功耗的密集型节点构成，拥有自组织性和相当的容错能力，即使部分节点遭到恶意破坏，也不会导致整个系统的崩溃，正是这一点保证了无线传

无线传感器网络的应用研究

1武警部队监控平台架构介绍与设计 1.1监控系统的系统结构 基站监控系统的结构组成如上图所示，主要由三个大的部分构成，分别是监控中心、监控站点、监控单元。整个系统从资金、功能以及方便维护性出发，我们采用了干点加节点方式的监控方法。 监控中心（SC）：SC的定义是指整个系统的中心枢纽点，控制整个分监控站，主要的功能是起管理作用和数据处理作用。一般只在市级包括（地、州）设置相应的监控中心，位置一般在武警部队的交换中心机房内或者指挥中心大楼内。 区域监控中心（SS）：又称分点监控站，主要是分散在各个更低等级的区县，主要功能是监控自己所负责辖区的所有基站。对于固话网络，区域监控中心的管辖范围为一个县/区；移动通信网络由于其组网不同于固话本地网，则相对弱化了这一级。区域监控中心SS的机房内的设备配置与SC的差不多，但是不同的是功能不同以及SS的等级低于SC,SS的功能主要是维护设备和监控。 监控单元（SU）：是整个监控系统中等级最低的单元了，它的功能就是监控并且起供电，传输等等作用，主要由SM和其他供电设备由若干监控模块、辅助设备构成。SU侧集成有无线传感网络微设备，比如定位设备或者光感，温感设备等等。 监控模块（SM）：SM是监控单元的组成部分之一，主要作用监控信息的采集功能以及传输，提供相应的通信接口，完成相关信息的上传于接收。

2监控系统的分级管理结构及监控中心功能 基站监控系统的组网分级如果从管理上来看，主要采用两级结构：CSC集中监控中心和现场监控单元。CSC主要设置在运营商的枢纽大楼，主要功能为数据处理，管理远程监控单元，对告警信息进行分类统计，可实现告警查询和存储的功能。一般管理员可以在CSC实现中心调度的功能，并将告警信息进行分发。而FSU一般针对具体的某一个基站，具体作用于如何采集数据参数并进行传输。CSC集中监控中心的需要对FSU采集的数据参数进行报表统计和分析，自动生产图表并为我们的客户提供直观，方便的可视化操作，为维护工作提供依据，维护管理者可以根据大量的分析数据和报表进行快速反应，以最快的速度发现网络的故障点和优先处理点，将人力资源使用在刀刃上。监控中心CSC系统的功能中，还有维护管理类，具体描述如下： 1）实时报警功能 该系统的报警功能是指发现机房里的各种故障后，通过声音，短信，主界面显示的方式及时的上报给操作者。当机房内的动力环境，空调，烟感，人体红外等等发生变量后，这些数据通过基站监控终端上传到BTS再到BSC。最后由数据库进行分类整理后存储到SQLSEVRER2000中。下面介绍主要的几种报警方式： 2)声音报警 基站发生告警后，系统采集后，会用声卡对不一样的告警类别发出对应的语音提示。比如：声音的设置有几种，主要是以鸣叫的长短来区分的。为便于引起现场维护人员的重视紧急告警可设置为长鸣，不重要的告警故障设置为短鸣。这样一来可以用声音区分故障的等级，比方某地市的中心交换机房内相关告警声音设置，它的开关电源柜当平均电流达到40AH的时候，提示声音设置为长鸣，并立即发生短信告警工单。如果在夜晚机房无人值守的情况下：

基于无线传感网络的大型结构健康监测系统_尚盈

文章编号:1004-9037(2009)02-0254-05 基于无线传感网络的大型结构健康监测系统 尚　盈　袁慎芳　吴　键　丁建伟　李耀曾 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,南京,210016) 摘要:针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,实现了基于无线传感网络的多点应变结构健康监测系统,采用自组织竞争神经网络成功判别了集中载荷模拟的损伤位置。本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。为了降低系统网络功耗及成本,提高系统的稳定性和可靠性,改善传感网络的实时性和同步性,设计了可直接配接无线传感网络节点的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块。实验证明,相比于传统有线的监测方法和数据采集系统,基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。 关键词:无线传感网络;结构健康监测;层次路由协议;自组织竞争网络中图分类号:T P2;T P9 文献标识码:A 　基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA 032117)资助项目;国家自然科学基金(60772072,50420120133)资助项目;航空基金(20060952)资助项目。　收稿日期:2007-09-05;修订日期:2008-04-17 Large -Scale Structural Health Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks S hang Ying ,Yuan Shenf ang ,Wu J ian ,Ding J ianw ei ,L i Yaoz eng (T he A ero nautic Key La bo rat or y o f Smart M ater ial and Str uct ur e,N anjing U niv ersit y o f Aer onautics and A str onautics,N anjing,210016,China) Abstract :Aimed at the large-scale structure and anisotropy nature o f the carbon fiber compos-ite material w ing box ,a large-scale structural health m onitoring system based on w ireless sen-sor netw orks is presented .A kind of artificial neural netw ork is designed to distinguish the damag e locatio n simulated by the co ncentrated load .The sy stem co nsists o f the sensor data ac-quisition,the w ireless sensor netw or ks,and the terminal monitoring sub-sy stem s.To im pro ve the performance o f the system ,the signal conditio ning circuit and the hierarchical routing pro -to col are designed based o n w ireless sensor netw orks ,the prog rams of data acquisition and Sink node are ex ploited.Experimental result pro ves that the system has advantag es of flexibili-ty o f deplo yment,low maintenance and deploym ent costs . Key words :w ir eless senso r netw or ks ;str uctural health monitoring ;hierarchical routing ;self -org anizing com petitive netw o rk 引 言 结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念,利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络,在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等),结 合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模 方法,提取特征参数,识别结构的状态,包括损伤,并对结构的不安全因素在其早期就加以控制,以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展,从而实现结构健康自诊断、自修复、保证结构的安全和降低维修费用[1]。 无线传感网络节点具有局部信号处理的功能, 第24卷第2期2009年3月数据采集与处理Jour nal of D ata A cquisition &P ro cessing Vo l.24N o.2M a r.2009

无线传感器研究背景目的意义及现状与发展趋势讲课讲稿

无线传感器研究背景目的意义及现状与发展趋势 1 研究背景 随着无线技术的快速发展和日趋成熟，无线通信也发展到一定的阶段，其发展的技术越来越成熟，方向也越来越多，越来越重要，大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和通信。 微机电系统和低功耗高集成数字设备的发展，使得低成本、低功耗、小体积的传感器节点得以实现。这样的节点配合各类型的传感器，可组成无线传感器网络（WSN）。无线传感网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术。广泛应用于战场监视、大规模环境监测和大区域内的目标追踪等领域。传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。因为无线传感器网络节点一般采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大、更换非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一，因此，它迫切需要对传统的嵌入式应用开发进行更新和改进，需要精心设计的软硬件系统，以使其可靠而耐用。 2003年,美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时,WSN被列为第一;美国《今日防务》杂志更认为WSN的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。可以预测,WSN是信息感知和采集的一场革命,是21世纪最重要的技术之一[2]。低功耗无线传感模块，便是组成无线传感网络的节点。此方面的研究由来已久，是计算机应用的扩展，采用了大规模集成电路和嵌入式技术，使用智能微处理器对采集到的信息进行处理和加工。现已广泛应用于社会建设的各个层面和人们的日常生活当中。但过去的研究有的只考虑低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。 因此，在无线传感技术应用如此广泛的今天，在保证无线传感模块性能的同时又能实现其低功耗具有一定的理论和现实意义。 2 研究目的及意义 2.1 研究目的 当前对于无线传感技术的研究仍然处在一个高速发展的阶段，低功耗就是其发展方向之一，而低功耗与高性能的结合实现还不完全。因此，为了更好的实现无线传感模块的功能，增加模块的可靠性和使用寿命，通过对无线传感节点的硬件功耗的分析，确定无线传感模块各单元的基本功率消耗，并进行相应比较，确定需重点降耗的单元，在此基础上结合当前对低功耗无线传感模块的研究，通过对比分析选择合适的芯片完成对低功耗无线传输模块的自主设计和制作。并辅助软件开发人员完成各子模块的驱动编写，实现低功耗无线传感模块的整体通信功能。

无线传感器网络技术试题及答案

无线传感器网络技术试题及答案 一、填空题 1.传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2.传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3.无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4.传感节点中处理部件用于协调节点各个部分的工作的部件。 5.基站节点不属于传感器节点的组成部分 6.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7.无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 8.NTP时间同步协议不是传感器网络的的时间同步机制。 9.IEEE标准主要包括：物理层。介质访问控制层 10.从用户的角度看，汇聚节点被称为网关节点。 11.数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测 13.传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14.分布式系统协同工作的基础是时间同步机制

15.无线网络可以被分为有基础设施的网络与没有基础设施的网络，在无线传感器网络，Internet网络，WLan网络，拨号网络中，无线传感器网络属于没有基础设施的网络。 16.传感器网络中，MAC层与物理层采用的是IEEE制定的IEEE 协议 17.分级结构的传感器网络可以解决平面结构的拥塞问题 18.以数据为中心特点是传感器网络的组网特点，但不是Ad-Hoc的组网特点 19.为了确保目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用了SIFS帧间间隔 20.典型的基于竞争的MAC协议为CSMA 二、选择题 1.无线传感器网络的组成模块分为：通信模块、（）、计算模块、存储模块和电源模块。A A．传感模块模块C网络模块D 实验模块 2..在开阔空间无线信号的发散形状成（）。A A．球状B网络C直线D射线 3.当前传感器网络应用最广的两种通信协议是（）D A. B. C. D.

无线传感器网络技术的应用

无线传感器网络技术的应用 摘要：无线传感器网络(WSN)是新兴的下一代传感器网络，在国防安全和国民经济各方面均有着广阔的应用前景。本文介绍了无线传感器网络的组成和特点，讨论了无线传感器网络在军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通等方面的现有应用，最后提出无线传感器网络技术需要解决的问题。 关键词：无线传感器网络，军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通。 1．无线传感器网络研究背景以及发展现状 随着半导体技术、通信技术、计算机技术的快速发展，90年代末，美国首先出现无线传感器网络（WSN）。1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。WSN是由布置在监测区域内传感器节点以无线通信方式形成一个多跳的无线自组网（Ad hoc），其目的是协作的感知，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WSN的三要素。将Ad hoc技术与传感器技术相结合，人们可以通过WSN感知客观世界，扩展现有网络功能和人类认识世界的能力。WSN技术现已经被广泛应用。图为WSN基本结构。 WSN经历了从智能传感器，无线智能传感器到无线传感器三个发展阶段，智能传感器将计算能力嵌入传感器中，使传感器节点具有数据采集和信息处理能力。而无线智能传感器又增加了无线通信能力，WSN将交换网络技术引入到智能传感器中使其具备交换信息和协调控制功能。 无线传感网络结构由传感器节点，汇聚节点，现场数据收集处理决策部分及分散用户接收装置组成，节点间能够通过自组织方式构成网络。传感器节点获得的数据沿着相邻节点逐跳进行传输，在传输过程中所得的数据可被多个节点处理，经多跳路由到协调节点，最后通过互联网或无线传输方式到达管理节点，用户可以对传感器网络进行决策管理、发出命令以及获得信息。无线传感器网络在农业中的运用是推进农业生产走向智能化、自动化的最可行的方法之一。近年来国际上十分关注WSN在军事，环境，农业生产等领域的发展，美国和欧洲相继启动了WSN研究计划，我国于1999年正式启动研究。国家自然科学基金委员会在2005年将网络传感器中基础理论在一篇我国20年预见技术调查报告中，信息领域157项技术课题中7项与传感器网络有直接关系，2006年初发布的《国家长期科学与技术发展

浅谈无线传感网络和目前面临的困难

浅谈无线传感网络和目前面临的困难 随着半导体技术、微系统技术、计算机技术和无线通信等技术的飞速发展，使传感器在微小体积内能够集信息采集、数据处理和无线通信等功能于一体，推动了低功耗多功能传感器应用的快速成长。无线传感网络(wirelesssensornetwork，WSN)就是由大量部署在监测区域内的这类传感器节点组成，通过无线通信的方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，能协作的感知、采集和处理网络覆盖区域的监测信息，并发送给观察者。它作为全球未来十大技术之一，正越来越受到人们的重视。它在军事、医疗、家用、环境监测等多个领域均有广阔的应用市场。 无线传感网络是由部署在监测区内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的楚协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信怠，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。 无线传感网络的传感器可以由许多种不同类型构成，如：震动的，低取样率电磁的，热力的，可视的，声学的和雷达等，能监视大范围外界条件。如：温度，湿度，车辆移动，光条件，艇力，污染，噪声，某一对象出现或消失，机械力，当前对象属性等。能够，。泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车问和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。 传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。 大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。 无线传感网络面临的困难 管无线传感网络应用前景广阔，就现有的技术发展水平来说，让无线传感网络大量投入正常运行并达到预期目标还面临饕许多困难，需要许多关键技术的解决： 传感器节点的工艺和产品成本问题 无线传感网络中的节点一般为电池供电，有效电量非常有限，丽且由于应用环境与节点数景关系，电池更换是不可能的。但是无线传感网络的生存时间却要求长达数胃甚至数年，一旦传感节点能量用尽，只能采取放弃或替代。因此能否节约电池能量成为无线传感网络软硬件设计中的关键问题之一。 现代传感嚣技术从单一的物性型进入以微电子和微机械集成技术为主导的发展阶段。集成工艺的发展，将微传感器、微驱动器、微执行器以及信号处理器和电路、接口、通讯和电源等组成一体化系统。美国制造了在2cm~0.15cm的体积内，由3个陀螺和3个加速度计组成的微型惯性导航系统。该系统的质量为距，体积只有小型惯性导航系统的0.1％。智能化尘粒传感器已达到舯级，国内在制造工艺方西还有欠缺。 虽然节点微型化使各部件能耗降低，研究机构对电池的改进使传感网络生命期得翻延长。但仍存在低电压或节点执行某项操作所需尖端电流不够而影响传感网络功能的有效性。”。这也是弱前值碍关注的方强。 网络的组织和管理 在传感器黼络应用中，通常传感器节点被放鬣在没有基础结构的造方。传感器节点的位置不能预先设定，节点间的邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撤大量传肄器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织和自管理的能力。网络组织和管理的焦点是如何在能量有效的前提下，通过自行检测自