无线数据传输

关键词： 模块 单片机 无线 系统

无线数据传输（精选十篇）

无线数据传输 篇1

一、系统硬件设计

一是单片机和Q2403A无线通信模块组成的无线数据发送系统,二是微机、电话和调制解调器组成的数据接收系统,这是该系统数据传输硬件的两大部分,在此主要讨论单片机AT89S52和Q2403A无线通信模块组成的无线数据发送系统的设计与实现。

无线数据发送系统整个电路主要包括信号处理电路、模数转换电路、外接实时时钟、单片机、程序存储器、数据存储器、与Q2403A通信模块的串行通信等。

二、软件设计

(一)软件总体设计

软件设计时,首先要注意n RF905模块工作模式切换时,编程中要做相应的延时处理。一般在射频系统中有两种不同的基本通信方式:第一种通信方式:从接收器到发射器的数据传输。

(二)供电及节电模块设计

在节电方面,采用9V工业仪表用直流干电池供电,通过AT89S52的PCON电源控制寄存器来实现程序的睡眠和唤醒,通过非工作时的睡眠状态降低能耗。

(三)数据传送校验方法

本设计采用最为简单的检错码——偶校验。使用射频技术传输数据时很容易受外界的干扰,校验是用以识别并以一定的措施进行数据校正的必要方法。这种方法是把一个偶校验位组合到每一字节中,与每个数据字节合并作为一帧,在数据传输前确定是用偶数校验校验,以保证发射器和接收器二者都用同样的方法进行校验。

三、系统配置

射频芯片n RF905关键的问题是寄存器操作。SPI接口有4个信号线:MOSI,MISO,SCK,CSN,分别为输入线、输出线、时钟线、配置使能线。由于采用了SPI协议,很容易出现移错位及时钟上升沿无效的情况。

四、影响无线通信主要因素

当在工作频率固定的前提下,发射功率、发射天线增益、传播损耗、接收天线增益、接收机灵敏度等是影响工作距离的主要因素,其中RX一天线增益、接收灵敏度、发射输出功率是可以控制的因素;传输损耗、路径损耗、多径损耗、周围环境的吸收是不能控制。如果通过加大发射功率,提高天线增益,提高接收机灵敏度等措施,均可以起到提高通信距离的作用。

五、结论

(1)本文采用单片机AT89S52和Q2403A无线通信模块组合的方法对其硬件体系进行了改造,实现了数据的半双工传送且改变了提示音的传送方式。设计了一个简单实用的信号发送/接收系统,解决了现有系统存在的问题。

(2)该系统采用表面贴装芯片,减小了整机的体积,提高了整机的性价比,成本低,易于生产和推广。经过验证,信号的完整性维持在比较理想的范围内,成功地避免了数据的碰撞,实现了预想功能,运行可靠。

本系统结构虽然简单,但其性能和用途部没有减少。它完全可应用到遥控、遥测、汽车电子、安全防火、生物信号采集、环境监测和电气自动化等领域。伴随通信技术的迅速发展,现在无线传输数据使用范围会越来越广泛:家庭智能控制、公交路灯控制、仓库监测、自动报警、呼叫社区服务、物业管理等都将会看到无线传输的所起到的不可估量的作用。

摘要：无线通信技术凭借其方便快捷、可移动和安全等优势快速发展,现在无线传输数据使用范围非常广泛,已经具体应用到生活中的许多领域,如无线数据通信、安全系统、无线监测、家庭自动化和玩具等。无线传输系统具有体积小、抗干扰能力强、数据安全可靠、无需布线、维护方便等优点,将会在各领域中带来广泛的市场。无线通讯技术给智能装置的互连互通提供了便捷的途径,也正在向着智能,标准和节能方向发展。

关键词：单片机,无线传输,通信

参考文献

[1]丁立波,江小华,张河.基于无线数字传输技术的数据采集系统设计[M].无线发送/接收IC芯片及其数据通讯技术选编(2),168~171.

[2]陈伟,陈法国,王世勋,无线数据通信技术在TPMS中的应用[J].武汉理工大学报,200527:241~244.

[3]任兴明.单片机在数据采集和监控通讯终端中的运用[J].微计算机信息,2001.

回顾移动数据无线传输的往昔 篇2

介绍一种以C8051F020 MCU为控制核心、结合CDMA业务和GPS系统开发的移动无线数据传输系统，整个系统由移动终端、CDMA网络、Internet网络、信息管理中心服务器四部分组成；重点描述移动终端的硬件组成、软件设计。系统可用于移动状态下移动无线数据传输，例如车辆调度管理，停车场所和交通监测数据的传输，金融系统POS联网，气象站数据采集，各种分布式遥测遥控系统等。实验结果表明，本系统应用于各种移动场合的数据传输是目前最好的选择。

目前，移动无线数据传输的方式主要有3种：GSM短消息、GPRS和CDMA。它们的特点比较如下：

① 移动通信网GSM短消息方式。短消息是GSM网所具有的电信业务之一。所谓的短消息是指长度不超过160个字符的文本消息。由于短消息传输用的是信令信道，采用存储转发的方式，因此短消息服务费用低，传输延时不固定，根据当前的短消息业务使用情况而定。短消息方式的缺点是数据传输速率低、具有延迟性且时间不定。

② GPRS(General Packet Radio Service)，即通用分组无线业务，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的数据承载业务，

GPRS采用分组交换技术，按流量计费，高效传输高速或低速数据和信令。GPRS理论传输速率可达171.2 kbps，实际传输速率大约在40 kbps。中国移动5月18日开始正式商用GPRS网络。

③ CDMA 1X原意是指CDMA 的第一阶段，可支持308 kbps的数据传输、网络部分引入分组交换，可支持移动IP业务；CDMA 1X是在CDMA IS95系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为CDMA用户提供分组形式的数据业务；CDMA 1X理论传输速率可达300 kbps，目前的实际传输速率大约在100 kbps左右，可以用于Internet连接、数据传输等应用。CDMA 1X无线数据通信系统的特点是按流量计费，即一直在线，按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时不收费用。

移动无线数据传输第1代移动通信系统是模拟式的，已淘汰。第2代移动通信系统是数字蜂窝式的，如TDMA的GSM和CDMA的IS95。GPRS和CDMA 1X都是2.5代的移动通信系统。中国联通公司已经拥有了一个覆盖全国的CDMA2000 1X网络，用于提供1X数据分组业务。

CDMA 1X与GPRS虽然都是2.5代的移动通信系统，但1X网络通信速度远高于GPRS网络，而且易于平滑过渡到3G移动通信系统。未来的第3代移动通信系统虽然有几种模式，但毫无例外地都是CDMA码分多址的。

无线传感网数据传输 篇3

互联网时代下，无线传感器网络快速发展，被广泛应用到国防、电力、能源、农业等多个领域，凭借自身成本低、自组织性等优势无线传感器网络受到了广泛关注。但随着其在实践中的应用，无线传感器网存在节点有限等缺陷，保持网络对于数据感知准确性成为无线传感网络发展的重要问题。文章结合无线传感网构成及特点，从关键技术等角度对无线传感网数据传输进行探讨，希望人们能够进一步了解无线传感网。

随着微传感技术、射频技术等技术不断发展，信息产业进入到无线传感器网络改革的第三次浪潮当中，对人类社会产生了深远影响。在无线传感网络支持下，人与人、人与物之间沟通日渐便利，使得智慧地球成为现实。由传感器节点构成的无线传感器网络，通过节点之间的相互协作，能够为数据传输提供了极大的支持。

无线传感网概述

无线传感网体系结构可以分为网络结构、硬件及软件环境。一般来说，无线传感网络结构是由传感器、汇聚及管理三个节点构成。节点是传感网络中最为重要的内容之一，其负责信息的收集和发送，且是信息的路由载体。通过互联网等途径，能够实现与外界环境的信息沟通和交流。硬件环境是由硬件结构组成，如传感器、数模信息转换器、存储器、射频模块以及为网络节点提供电能的电源模块等多种设备。而软件涉及现有的嵌入式系统，如VxWorks、WinCE及QNX等。

相比较其他网络，无线传感网在实践应用中具有独特性，如规模化特点，传感器的节点数量非常庞大，能够达到上万之多，对载体面积要求较高，如果在空间不大的载体上进行密集部署，需要允许大量冗余节点。动态性特点，传感网是一种拓扑结构，由于传感网络中的传感器、感知对象等都具备移动特点，因此要求传感网络具备适应的动态系统可重构性。数据特征性，网络中的设备是整个网络的唯一地址标识，要想访问互联网中的资源，需要将地址作为中心构建网络。

无线传感网络数据传输

关鍵技术。网络协议是无线传感网的核心，通过MAC协议和路由协议，能够进行具体、详细的数据传输。正因如此，协议赋予了节点计算、存储等多项能力，但也在一定程度上增加了网络协议设计难度。网络安全能够保证数据传输安全性、任务执行机密性，提高对数据的处理水平。拓扑控制是无线传感网的关键技术，能够减少节点能量，且能够提高网络延时。除此之外，时钟同步、定位技术等也是传感网数据传输的重要技术之一，如定位技术能够对节点的位置信息进行定位，使得节点能够进行随机部署。在具体应用中，传感网与分布式数据库具有相似之处，能够对网络数据进行高效管理，为数据传输构建和谐的外部环境。将关键技术有机整合到一起，为数据传输奠定坚实的技术基础。

数据采集。无线传感网最简单的采集方式是将采集到的数据定期发送到基站，基站进行离线处理。节点不会对数据信息进行处理，仅负责信息收集和发送任务。但是这种传感器节点能耗具有有限性，无法满足人们日渐提升的信息采集需求。对于大规模、高密度布置的无线传感网，这种网外离线数据采集方式，通信开销较大，对电能消耗过度，在一定程度上增加了信息传输成本。因此在具体应用中，要尽可能减少节点数量，以此来延长无线网络寿命，避免节点之间的互相影响，最大限度上提高节点通信量。此外，还有一种基于模型的数据采集，通过有效的数据维度，将信息发送到基站，发送的信息并非实际测量值，而是一组权值，与实际数据比较来看，需要发送系数、权值的数量较少，通过分布式处理方式，能够避免资源受限的限制。因此，还应对分布式感知数据建模问题进行关注，突破资源限制。

数据传输。无线传感网数据传输建立在路由、传输协议基础之上，底层为802.11无线网络协议。大规模无线数据网络回收过程中，可以将其中的节点划分不同的子网络，以此来拓展无线传感网覆盖范围。针对无线传感网的系统架构，当主网络无法满足需求时，可以转移到子网络上进行回收。具体来说：

首先，回收协议栈。传感节点路由组网，能够在很大程度上确保数据传输可靠性，通过树路由协议，能够对网络层进行子网组网及数据包路由转发，且提高传输层协议的控制，促使其能够在应用层完成传输任务。

其次，MESH传输。该回收方式与上一种方式有所差别。MESH网络回收建立在MESH-CA协议基础之上，子网SINK节点子网能够接受节点数据包，并将网关节点有机整合，实现主体之间的通信，最终将数据发送到服务器。

最后，上位机软件。这种方式能够真实、全面的反映拓扑结构，且能够保存回收的数据信息，满足用户需求。通过多条组网，能够将上位机软件与SINK节点相连接，实现通讯目标。在系统运行过程中，用户能够通过SINK节点接收子网数据节点，且对数据进行显示和回收，提高通信有效性。

无线数据传输及监测技术的应用 篇4

关键词：无线数据传输,监测,GSM短信报警

0 引言

无线数据传输及监控技术是基于无线局域网技术的一种较为广泛的应用技术。它在原有以太网监控的基础上, 用无线微波作介质进行数据传输可以对分散的、无人值守的现场数据进行定时采集, 并且可以发送简单的控制命令。它将先进的计算机技术、通信技术有机结合为一体, 适用于地域广阔的各种环境。

随着GPRS/CDMA网络技术的逐步成熟, 无线数据相关应用已经成为当前的应用热点。

GSM网络是国内覆盖范围最广, 应用最普遍的无线通信网络。SMS (Short Message Service) 短信息服务是GSM系统中提供的一种GSM终端之间通过服务中心进行文本信息收发的应用服务, 其中服务中心完成信息的存储和转发功能。短信报警就是利用高覆盖率的无线GSM网络, 将报警信息或监测数据信息以短信的形式无线传送到工作人员手机上或监控中心的计算机上, 轻松实现报警信息、数据信息从有线到无线远程的跨跃。

1 项目需求

我公司质量部实验室有5台工业冷藏箱及6台生化培养箱, 用来存放药品及微生物培养试验使用。工艺要求所有设备内部温度保持在一定的范围内, 因为一旦温度出现问题而不能及时处理, 将影响到药品及样品的质量。因此我们设计了一套温度远程监测系统, 系统可采集11台设备的实时数据, 当温度超出控制范围时, 能在最短的时间内将故障点传达给相关人员, 使之能够迅速到达报警点排除故障。

2 温度远程监测系统综述

本系统采用的是设备内温度数据的有线采集和无线传输组成。具体采用无线温度采集模块、无线接收模块, 局域网模块、GSM短信模块以及上位机组成。

该监测报警系统在每台工业冷藏箱及生化培养箱内部布置一至两个温度传感器, 同时在设备外部布置一台无线温度采集模块, 无线温度采集模块实时采集温度传感器数据, 并将采集的数据打包处理后发送到无线网络;每个值班岗位分别设置一台无线接收模块, 由于无线数据采集模块在无线网络中具有唯一地址, 无线接收模块通过接收不同地址的采集模块数据, 可以实现对工业冷藏箱及生化培养箱的温度数据24小时不间断监测。

每台设备的无线接收模块可通过NP801串口通信服务器连接到办公局域网络上, 用局域网模式可有效防止因为距离较远导致的信号衰弱对监控系统的影响, 局域网中的任意一台计算机可以对这11台设备进行监控。本系统设置一台上位机, 内置标准组态软件, 与局域网模块通过以太网口连接, 实时记录分析采集到的数据, 一旦出现温度越线 (超出设定值范围) , 即产生报警, 报警信息通过GSM短信模块发送至相关人员手机, 从而该人员可以第一时间到达现场排除故障, 最大限度地保障每台设备安全可靠的运行。

3 温度远程监测系统示意图及网络结构图

3.1 温度远程监测系统示意图如图1所示。

温度远程监测系统运用无线温度传感技术, 无线通信技术可实时自动采集及监测设备内的温度, 并将数据传至主控PC, 并可通过GSM短信模块将重要参数的超限报警信息发送至工作人员手机, 从而轻松实现无人值守和远程监测。

3.2 温度远程监测系统网络结构图如图2所示。

11台设备分布在6楼和7楼两个楼层, 每台设备配备一个无线温度采集模块, 并将由无线射频发射到无线接收模块, 无线接收模块将数据传至计算机局域网。系统在8楼设置一台计算机, 用来记录分析并处理采集到的数据。

4 温度远程监测系统功能

系统能对设备内的温度进行数据采集, 并将数据传输到PC机上进行数据存储与分析, 并输出打印曲线。当设备内温度出现超标的时候, 系统可进行超标报警, 系统能实现以下功能:

4.1 动态记录功能

连续如实的采集和记录监测箱体内各种数据, 以文字、数字和图形、表格方式进行实时显示和记录监测信息。 (图3、图4)

4.2 数据存储功能

所有的数据采集实时记录到主机计算机上, 按要求记录各个传感器的通讯状况, 实时数据、实时曲线、历史曲线或表格及工作情况报告;可以定时自动保存、备份、归档等。

4.3 用户分级管理

严格的密码授权制度和用户分级制度为用户提供了一个总监控管理平台, 以保证只有授权的工作人员才可进行相应的管理和操作。

4.4 短信报警功能

本系统采用GSM短信模块及上位软件组态实现了短信超限报警功能。

在出现超标数据的时候, 如温度超过设定上下限时, 可以按照操作人员指定设置的方式输出报警方式。本系统采用短信报警方式。报警参数可以根据实际要求在软件中设置, 包括设备的高温报警 (高于此温度报警) 、低温报警参数 (低于此温度报警) 、报警时发送报警信息的手机号、多次发送的时候每条短信延迟时间参数、报警短信免打扰时间以及是否让电脑的扬声器发声报警等。

5 结束语

温度远程监测系统运用无线数据传输及监测技术实现了设备数据的远程监测, 并且通过GSM短信报警技术将测量点的超限报警信息发送至设定联系人的手机, 从而保障了在现场无人值守的情况下, 相关负责人仍然可以在收到报警短信后第一时间处理异常情况, 轻松实现了24小时无人值守及远程监测。

无线网络数据窥探技术 篇5

先简单了解一下无线网络的加密方式,无线网络加密方式有三种：

OPEN(开放式):所谓的开放式就是没有加密,数据在无线网络中传输是不经过加密的。

TKIP(WEP/WPA): TKIP(临时密钥完整性协议)负责处理无线安全问题的加密, WEP和WPA使用的就是这这种加密方式,当在WEP和WPA的网络环境中,无线的数据就受到TKIP的加密保证。

CCMP(WPA2)：CCMP 计数器模式密码块链消息完整码协议,WAP2这种认证方式向下兼容了TKIP和CCMP,一般现有的WPA2使用的基本都是CCMP。

开放式无线的网络威胁

即使是这样,还有人会去用OPEN模式去组建WLAN网络,这样的无线网络已经环绕在我们的周围,同时也为我们提供互联网接入的一些服务。如运营商、酒店、公网的wifi网络为了吸引客户资源,都是采用开放式认证，同时一些企业网络也用的是开放式认证方式进行接入认证,后台采用Web或者802.1x的方式进行身份认证。

在开放式无线网络的前提下,只需要启用无线监听,就能够得到明文的其它客户端的传输数据。监听技术不同于其它网络嗅探和扫描攻击，它无需建立连接在某一个目标AP之下，也无需通过一定手段获得目标网络的IP地址，只要能够扫描到目标SSID是开放在哪个无线频段中，针对于该频段就能够进行无线网络的监听。

针对于无线监听技术，在一个无线网络环境下，研究当启用无线监听功能时够监听到哪些内容，会给无线网络用户带来哪些危害，我们应该如何去防范无线监听的攻击，在这里就详细介绍一下。

实现无线监听技术很简单,只要将无线网卡开启为监听模式即可,在BT5下使用airmon-ng 将网卡调味监听模式.再使用airodump-ng进行抓包,即可完成无线监听的过程，

这次我介绍一下在windows平台实现无线监听的方法。这里使用的是OmniPeek。网上有很多安装使用教程这里就跳过了。

1.打开OmniPeek配置无线网卡,要求网卡支持WildPackets API

2.启用OmniPeek功能进行无线监听,关于使用OmniPeek进行无线监听的具体操作大家可以在网上搜一下，具体我就不说了。监听结果如下：

3.在开放式网络中使用无线监听用户提交含有敏感信息的URL，攻击者可以利用这些敏感信息对加入无线网络内的用户展开攻击，进行会话劫持等欺骗手段，获得用户登录页面的session，从而窃取用户信息，还有种种手段,大家可以根据自己水平随性发挥。

4. 在无线监听的环境中可以抓取到DHCP的信息，可以利用这些DHCP信息，将自己的IP地址设置成为经过上网验证后的IP地址，通过这样的手段来享受别人的网络带宽。

使用过滤器将所有的DHCP信息过滤出来。将数据包展开查看内容。

查看数据包的具体内容我们可以看到有DHCP的这个选项，将这个选项全部展开。

在这个选项中可以看到客户端通过DHCP申请到的IP地址。这样在本地去配置这个IP地址就能够将合法的客户端替换。使用它的流量实现上网。

安全建议

无线能量传输 篇6

故事出自《苹果树下的宇宙飞船》，一部平淡的儿童科幻小说，却描绘了外星人骨灰级的无线能量传输技术。从太阳系以外的一颗星球，把能量定向传送给一艘停在地球上的宇宙飞船，功率大到能让飞船飞出太阳系，返回母星。这种技术绝对是阳春白雪，高大上。那地球人的技术呢？

我们从电动牙刷说起。电动牙刷的动力来自手柄里的充电电池，充电的时候把牙刷立在底座上就行，手柄上没有电源插孔，手柄和底座之间也没有电源连线。这就是最简单的无线能量传输，原理是法拉第电磁感应定律，底座和手柄里各有一个线圈。当底座线圈接通交流电时，线圈的垂直方向会产生交变磁场，磁场穿过手柄线圈，并在线圈里产生感生电动势，经过整流之后为手柄里的电池充电。同样的原理也用在许多无线充电的手机、平板电脑、智能手表里，而且还被用于植入人体的医疗器件——无线充电比开刀接电线可方便多了。

插一段历史，是谁最早利用电磁感应原理来无线传送能量的呢？提示一下，他的姓氏被用作磁场单位，而且一家制造电动跑车的公司就以他的姓氏命名。这位大牛就是尼古拉·特斯拉。早在19世纪末，他就开始研究利用电磁感应定律来无线传递能量。在一系列成功的无线传输演示后，他提出了一个不切实际的设想，要与正在尝试无线电报的马可尼竞争。他计划建造一座沃登克利弗塔（也被称为特斯拉塔），不但可以在纽约和伦敦之间传送信息，还能无线输送电能。1901年，他忽悠银行家约翰·摩根投资15万美元（这在当时可是一大笔钱）在长岛建塔。结果，钱花光了，这座57米高的塔还没开始运行，竞争对手马可尼就已经成功。摩根拒绝继续资助，特斯拉虎落平阳，无奈放弃，塔被拆除还债。有意思的是，特斯拉未能成功的实验居然还被后人用来牵强附会地解释通古斯大爆炸。

言归正传，这些例子都有一个共同点，两个线圈必须靠得很近，也就是说设备要紧贴充电器。有远一点儿的吗？当然有。2007年，麻省理工学院的教授马林·索尔贾希克验证了利用磁共振原理无线传输能量的可行性。他和合作者用充电线圈点亮了2米开外的60瓦灯泡。当时，他小声嘀咕了一句：“其实还是特斯拉的振荡变压器最先利用共振来无线传递能量。”这位教授随后创办了WiTricity公司，研发推广磁共振无线充电技术。这项技术可以做到用一个充电器给多个手机或平板电脑同时充电，手机的放置也可以随心所欲，横着、竖着甚至立着都没问题。磁共振无线充电还有一个重要用途——给电动或者混合动力的汽车充电。想象一下，您开着电动轿车回家，进车库停好，埋在地下的线圈就自动和车底盘上的线圈进行识别，然后开始充电，根本不用费事插电线，给邻居演示一下，肯定能引起羡慕嫉妒恨。高通公司成功进行了真车实验。一家叫Plugless的公司早已经开售汽车无线充电配件，不过这家公司并没有透露具体用到什么技术。新西兰奥克兰大学的教授格兰特·乔维奇和约翰·鲍埃斯提出了更科幻的动态充电设想：在公路下面埋设很多充电线圈，这样车就可以边走边充电。既然随时在充电，那么车上的电池就不需要很大，节省了空间和重量。不过，想想看，整条公路都要挖坑埋线圈，肯定需要大笔砸钱才行。

这些例子都是利用几十、几百千赫（kHz）或几兆赫（MHz）的电磁波来传送能量，距离只有几米，功率最多几千瓦，小打小闹。整个电磁波谱那么宽，用更高频率行吗？行呀。用高频率的微波和激光还有一个很大的好处，那就是方向性好，传播距离远。在前面说到的应用里，其实都用到了屏蔽材料，把低频的电磁场限制在线圈附近，尽量减少对外部的辐射，既避免损耗又保证使用者的身体健康。而微波和激光就不需要这样的屏蔽。下面就详细说说地球人真正像点儿样的无线能量传输技术。

先说微波。1941年，一部短篇科幻小说《推理》问世，作者是科幻史上的三巨头之一艾萨克·阿西莫夫。故事的场景是一个在太空中收集太阳能的空间站，这座空间站把收集到的能量用微波传送到周围的行星。小说问世大概30年后，美国航天工程师彼得·格雷泽提出了太阳能发电卫星的概念卫星的太阳能电池板收集能量，然后用微波把能量传送回地面。这样做的好处是太空中的太阳光更强，而且可以24小时不间断。问题来了，在这位工程师的设想中，卫星上发射微波的天线要1平方千米那么大，把这么大的东西送上太空并不容易，而且地面站需要更大尺寸的微波接收天线。20世纪70年代末，美国能源部和美国航空航天局评估了这个项目，结论是未知因素太多，无法准确判断。20世纪90年代，美国航空航天局重新评估它，结果还是一样，要等到航天发射变得很便宜时才有可能。日本科学家并不这么想，2014年，日本宇航研究开发机构（JAXA）的教授司理佐佐木撰文曝料，日本要在25年内把太阳能卫星变成现实，计划在东京湾建造一个拥有50亿台微波天线的、3千米长的人工岛，用来接收卫星发射的微波束。为什么日本如此急切？第一，日本没有多少石油资源;第二，日本缺少可以利用风能、太阳能的辽阔土地;第三，福岛核电站的事故让人对核电很害怕。他们并没有纸上谈兵，2015年3月，三菱重工成功进行了一次功率10千瓦的微波能量传输实验，传送距离500米。

发射太空飞船是利用微波能量传输的另一设想。位于科罗拉多州的初创公司“逃逸动力学”（Escape Dynamics）专门研究利用微波为飞行器无线传输能量。他们的目标是实现以微波辐射为动力的太空飞行。太空飞船在起飞和飞行过程中受到地面微波站的辐射，从而获得动力，无须使用传统的化学燃料。太空飞船使用热推进器，以氢作为工作流体氢以液体的形式储藏于一个低温罐内，里面出来的氢气经由涡轮泵加压到150个标准大气压，然后进入热交换器;热交换器吸收微波能量，把氢气加热到2000 ℃，最后从喷管喷出，从而推进飞船飞行。顺便提一句，热交换推进技术并不是什么新发明，有兴趣的读者可以上网搜搜20世纪60年代的火箭飞行器核引擎（NERVA）。

他们设想的发射情节是这样的：飞船直立在发射台上，旁边的起始段微波站开始照射飞船，提供动力，使飞船起飞。飞行起始段结束后，位于200千米外的助推段微波站接力，继续为飞船提供动力，将其送入地球轨道。释放诸如卫星之类的载荷后，飞船滑翔返回，最后水平着陆。返回大气层时摩擦产生的高热可以继续为热交换器提供能量，从而产生飞行动力，这样有利于控制滑翔姿态，使之安全着陆。

需要什么频率的微波呢？研究人员把微波频率初步定在92千兆赫（GHz）。微波功率要多大呢？这取决于飞船的重量。在初步设计中，飞船加上载荷大约1吨重，还没一辆家用轿车重，所需的微波功率大概是400兆瓦。假设微波源的效率是50%，那么电网就要提供多1倍的电力。在电网和微波站之间还需要一个储藏电力的中转站，发射的时候，中转站在飞船起飞阶段，大概5分钟提供65兆瓦时的能量。这时候如果鸟群不幸飞过微波束，不知道会不会瞬间变成“炸鸡”。公司的科学家计划使用发射功率为500千瓦的微波源，要达到400兆瓦的微波功率，就需要800个微波源。即使几个微波源共用一个天线，那也需要上百个微波天线来组成相位阵列，可比小说《三体》里的红岸天线壮观多了。

讲了半天，这些都是凌云壮志。现在进展到哪里了？2015年夏天，科学家验证了比冲达到500秒的热交换引擎，高比冲意味着推进系统的高效率。另外，他们成功演示了用微波为小型无人机提供10千瓦至20千瓦的飞行动力。无人机自由地飞来飞去，微波天线可以自动跟踪。他们还研制出了100千瓦的微波源，准备进行千米距离上的能量传输实验。

在太阳能发电卫星和发射太空飞船的例子里，可以用激光代替微波。激光的方向性更好，能量密度也更大。具体说呢，就是把激光器作为发射端，光伏电池板作为接收端。这不是和太阳能发电很像吗？是的，不过激光的能量密度要大得多，而且可以发射到指定位置上，即使夜晚也可以用。利用激光传输能量的设想早在20世纪70年代就有了，如今，人们已经梦想了各种应用，涵盖陆、海、空、太空。太空中，卫星、飞船、空间站或是月球车都可以用激光束来充电，光束来自地球或是太阳能发电卫星。同样，激光还可以为无人机提供动力，甚至给海底的潜水艇或传感器充电。陆地上，在没法铺设输电线路的特殊地区或是危险的战场，小到士兵身上的电池，大到前线基地，都能接收地面或太空中激光器提供的能量——越说越像让我们高山仰止的外星科技了。

现实还处于初始阶段。2003年，在美国航空航天局马歇尔太空飞行中心的大楼里，人们成功试飞了一个小型飞行器，首次实现了纯粹以激光束为动力的飞行。实验中，工作人员用功率1千瓦的红外波段激光照射一架小飞机。飞机底部的光伏电池板把红外线转换成电能，为一台6瓦的电动机供电，给飞机提供飞行动力。美国航空航天局为了推动无线能量传输的发展，举办了一系列能量束挑战赛（Power BeamChallenge），要求参赛者设计一个能够攀爬绳索的机械装置，动力来自地面的无线能量传输。绳索有1千米长，由一架直升机悬吊在空中。这其实是在模拟太空电梯。2009年，激光动力（LaserMotive）公司胜出，获得了90万美元的奖金。现在，这家公司正致力无人机的激光能量传输技术。

回到本文的标题。和开着飞碟四处溜达的外星人相比，地球人还在蹒跚学步。或者换句话说，我们还处在玩模型飞机的水平。千里之行，始于足下，2015年7月，美国航空航天局把微波推进绘入了未来推进技术的蓝图。如果能够成功，无线能量传输会给太空探索带来很多好处：首先，太空飞船可以反复使用，费用远低于传统的多级化学火箭;其次，因为无须点火，所以发射起来更安全;最后一点，无论是采用激光还是微波，能量都来自电力，不需要任何燃烧，发射与飞行不产生温室气体，低碳环保。

延伸阅读

在《星球大战》中，光剑具有举足轻重的地位。光剑分为开启和未开启两种状态，在不同状态下，光剑的外形也不同。在光剑被启动后，光剑内部的能量会释放并形成一道约1米长的等离子光束。使用光剑时，剑身还会发出嗡嗡声，这是能量磁场起作用的信号。在使用者手中，光剑几乎无敌。一把光剑可以拥有砍穿防爆门的能量。如果再加上原力的力量，使用者可以预测来袭的能量束，甚至再将它反弹回袭击者身上。

美国物理学家、科学畅销书作者加来道雄曾在《不可能的物理学》中介绍了如何制作光剑，他的构想更接近《星球大战》中光剑的原型。不过，加来道雄的构想还没有被制造出来。

基于无线数据传输的控制系统 篇7

1、系统构成

本系统有两个独立的控制器、两个无线数据传输模块构成。分别设置于送风控制柜和排风控制柜内。控制方式采用主从机控制方式, 送风控制柜端为主机, 排风机端为从机。主机端负责发送指令和接收显示排风机工作状态, 从机段负责执行指令 (控制排风机工作状态) 及反馈排风机工作状态。指令传送采取定时与及时相结合的方式。当主机端有新的控制指令产生式立即将相应的指令传送到从机段。如果在指定时间 (1S) 后没有新的指令产生, 则将原有指令重复发生。

1.1 控制器构成

控制器采用AVR系列单片机ATmega16为核心, 辅以相应的输入、输出模块构成。见图1。

输入为12路, 全部用PC817隔离, 输入电路见图2。

输出全部为继电器输出, 输出继电器与ATmega16之间也采用PC817隔离, 以提高系统的抗干扰性能。

输入与输出公用一组12V电源, ATmega16单独使用一组电源。

控制器设置两个串行数据接口, 一个用于与无线传送模块nF905连接, 另一个用于与PC机连接 (调试控制器用) 。

为提高系统稳定性控制器采用了看门狗专用电路MAX706。

1.2 数传模块

现行市场上无线数传模块种类很多, 由于其技术较为成熟, 产品性能多比较稳定。无线数传产品也较为成熟, 应用也非常广泛。例如无线抄表、工业遥控、遥测、自动化数据采集系统、楼宇自动化、安防、机房设备无线监控、门禁系统、POS系统、无线键盘、鼠标、交通, 井下定位、报警等。本文所采用的数传模块为VW3201A, 该模块的参数设置如下:中心频率:433MHz;串口缓冲区大小:50;Time Out:5字节间隔;串口速率:9600bps;数据格式:8N1;工作通道号:0;发射功率;+20db;无线通讯速率9600bps;工作模式:透明。

2、控制过程

主从机控制器采用相同的控制器, 均为12路输入12路输出。主机四路输入用于采集送风机工作状态, 8路作为启动开关与远程端8台排风机相对应。8路输出用于显示从机8台风机工作状态, 一路用于通信故障报警。当系统出现通信故障时输出报警信号。从机端控制器的8路输入用于采集排风机输出端风压, 以此判定排风机工作正常与否;一路输入用于远控、就地切换。8路输出用于控制8台排风机, 一路输出用于通信故障报警。

主机上电复位后, 采集输入端和输出端信息, 经过运算整理后将收集的信息及相应的数据头和校验码传送给主机端数传模块, 由数传模块将信息发送出去。从机端接收到主机发送的数据后, 经校验数据正确后传送给从机控制器, 控制器对数据头及CRC校验后, 如果数据正确则发出相应指令, 控制排风机。同时将从机端输入、输出状态信息通过输出模块发射给主机, 主机收到数据后显示相应信息。

3、数据传输与抗干扰处理

系统的抗干扰除了在硬件设计时采用一系列的抗干扰措施外, 软件设计时为提高系统数据传输的准确率, 增强系统抗干扰能力也采取了一系列措施。首先在数据帧的构成上, 增加了固定数据头, 确保接收数据起始位的正确。一帧数据由7个字节构成, 数据头两个字节 (0XAA 0XBB) 、输入状态信息两个字节、输出状态信息 (含报警信息) 两个字节、C R C校验码一个字节。

主从机传输数据的帧格式是相同的, 实际传输的有效数据位控制器输入、输出端状态信息和通信错误报警信息。其余字节为校验信息。

系统定时验证通信状态正常与否, 当发现通信异常时, 发出报警信息。并在主机端和从机端存储通信出现异常前的输入输出状态信息。在软件调试时对系统的传输误码情况进行了统计存储, 经实际统计计算误码率可以控制在0.1%以下。

无线数据传输 篇8

一、基于GPRS的无线数据传输终端硬件设计分析

从基于GPRS的无线数据传输终端硬件设计角度上来说，在MAX232支持下，单片机AT89S51串口能够完成与GPRS通信模块的连接作业，在此过程当中不仅能够完成数据初始化及收发处理，同时也能够通过可拓展串口实现与其他嵌入式运行系统PC机的数据交换作业。与之相对应的硬件框架结构示意图如下图所示(见图1)。

二、基于GPRS的无线数据传输终端软件设计分析

整个无线数据传输终端软件设计的核心在于GPRS模块与单片机装置之间的有效通信。为实现这两者的高效通信连接，软件设计过程当中必须针对与之相对应的通信协议予以定义，在此基础之上规定相应的帧格式。特别值得注意的一点在于：包括GPRS网络附着、互联网网络接入、PDP激活以及数据传输在内的相关工作均应当借助于AT指令予以实现。具体而言，基于GPRS的无线数据传输终端软件设计应当重点关注以下几个方面的内容。

（一）AT指令调试设计分析：

在整个无线数据传输终端软件系统当中，单片机装置向GPRS模块发送AT指令的动作是建议在一定协议的基础之上，接受模块接受指令后能够生成与之相对应的返回值，并进行校验处理作业。从这一角度上来说，单片机串口实际上就是以单位收发作业的完后曾为目的，以通信协议预定义为起始位，校验位以及停止位，在此过程当中决定与之相对应的数据帧帧数的特殊封装形式，其设计应当重点关注这几个方面的内容： (1) .首先，AT指令波特率的设置应当借助于Window自带超级终端操作平台，借助波特率=AT+IPR的方式设置无线数据传输终端所采用的通信模块波特率，与此同时以AT+IPR=“115200”;&W的方式防止传输终端在掉电后出现丢失问题; (2) .其次，GPRS模块回复收到字符握手信号的这一过程称之为回显过程(Echo)。握手机制的职能能够确保模块指令收发作业的有效性。然而考虑到字符校验过程当中握手信号徐程控滤除，在过于频繁的开关串口中断过程当中，程序的可靠性势必会有所明显降低。处于以上因素考虑，终端设计过程当中应采取ATEO指令对模块回显动作进行屏蔽性处理。

（二）程序设计分析：

整个基于GPRS的无线数据传输终端系统程序设计均采取C51标准模式进行编写作业，基于该标准模式构建包括系统初始化模块、建立连接模块、数据传输模块以及断开连接模块这四个方面。其中，初始化模块工作方式1直接定义为AT89S51型号单片机串口，并设置8位自动重装定时器装置作为其对应定时器;与此同时，建立连接模块从增强程序可读性与直观性的角度出发，将所需需要的AT命令储存在AT命令缓存区当中(储存AT命令以字符串形式实现)。与之相对应的程序设计流程示意图如下图所示(见图2).

三、结束语

在当前技术条件支持下，通用分组无线业务(GPRS)已成为远程数据传输以及遥测遥控实践过程当中备受关注的综合性应用技术之一。与此同时，在无线通信技术走向新的发展阶段的背景作用之下，移动运营商所提供的无线网络实现数据传输以及远程监督控制的方式已深入应用于各个行业领域。总而言之，本文针对基于GPRS无线数据传输终端设计相关问题做出了简要分析与说明，希望能够为今后相关研究与实践工作的开展提供一定的参考与帮助。

摘要：在信息化时代逐步发展与推进的过程当中, 无线通信技术已成为国民经济建设发展各行业领域的必然性选择与发展趋势。特别是对于无线数据传输作业而言, 通用分组无线业务的重要意义及其应用价值是可想而知的。本文依据这一实际情况, 以无线数据传输终端设计为研究对象, 着眼于GPRS技术运用情况基于GPRS无线数据传输终端硬件设计分析以及基于GPRS的无线数据传输终端软件设计分析这两个方面入手, 围绕这一中心问题展开了较为详细的分析与阐述, 并据此论证了GPRS技术在提供无线数据传输终端运行质量与运行效率的过程中所占据的关键地位及其所发挥的重要作用与意义。

关键词：无线数据传输,终端,硬件,软件,设计,GPRS,分析

参考文献

[1]柏海鹰:《一种灵活高速的数据传输设计及其在FPGA中的实现》, 第十四届全国青年通信学术会议论文集, 2009.332-336。

[2]王海涌、黄江艳:《一种基于IEEE1394总线的高速数据传输设备的设计》, 《测控技术》, 2009.28 (06) 65-68。

[3]邓洪、杨万麟、何建新等:《基于FPGA的DSP链路口数据传输设计》, 2004中国通信集成电路技术与应用研讨会论文集, 2004.72-75。

无线数据传输 篇9

通用分组无线业务(General Packet Radio Service,简称GPRS)是在GSM系统的基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统,它使用分组交换技术,能兼容GSM并在网络上更加有效地传输高速数据和信令。

GPRS是一个以分组交换为基础的系统,它具有与其他分组数据系统一样的特性,特别适合突发性分组数据的传输,由于使用了分组交换技术,在无线接口上可以按需分配信道资源,一方面,每个用户可以根据需要同时使用多个信道(最多8个);而另一方面,同一信道又可以同时由多个用户共享。GPRS理论上能提供9.05~171.2kbit/s的数据传输速率。

GPRS系统在无线资源分配上采用动态信道分配方式,仅在有效数据通信时占用物理信道资源,因此可以长时间保持在线,又没有独占信道,可以大大提高频率资源的利用率。当一则消息含有大量的数据时,它可以被分成多个分组,不同的分组可以通过不同的信道发送,这些分组都到达目的地以后,它们被重新组合起来,恢复成原来的消息。GPRS技术在传输突发数据方面有着较大的优势。

二、系统硬件电路设计

本文所设计的系统硬件电路由基本微处理系统、串行通信模块、GPRS通信模块和电源模块四部分组成,如图1所示。其中基本微处理系统又分为CPU模块、CPLD可编程模块、存储器模块和看门狗定时器模块[3]。下面对系统中的几个关键模块分别进行介绍。

2.1 M23无线数传模块[4]

本系统采用华邦公司生产的W77E58型单片机对M23无线数传模块进行控制。M23是BENQ公司生产的一款多功能GSM/GPRS无线通信模块,共支持三个频段:GSM900/DCS1800/PCS1900。该模块内嵌TCP/IP协议,采用3.3V~4.5V电压供电,具有短消息服务、语音通话、数据传真等功能。对外可提供天线接口、模拟音频接口、异步串行接口、SIM卡接口等,采用AT指令进行控制,工作温度范围大,抗干扰能力强,适用于工业应用场合。

2.2 可编程逻辑器件模块

本系统采用Xilink公司生产的可编程器件CPLD芯片XC9572,以实现地址的锁存和灵活分配,以及控制信号的扩展等功能,使系统开放灵活方便,而且缩短了开发周期。

XC9500系列CPLD采用了系统内5V可编程FASTFLASH技术,并且含有内部JTAG双向扫描测试逻辑。XC9500系列产品内部含有800到6400个逻辑门,36到288个寄存器,而且能够反复擦写内部逻辑,可以在外部I/O引脚定义和接线不变的情况下,实现CPLD内部逻辑的改变。它的这一优良品质,不仅为编程内部逻辑,而且为PCB板设计提供了极大的便利。XILINX的编程比较灵活,可采用多种发式,如HDL语言、状态图方式和电路原理图方式[5]。

该模块采用电路原理图方式对CPLD进行逻辑编程,实现对地址信号的锁存和对地址信号进行译码的功能,如图2所示。

1.对地址信号的锁存。由于W77E58地址线和数据线是复用的,CPLD通过CPU的地址锁存信号线ALE,把16位的地址信号锁存起来再输出,与系统中数据总线分开。

2.对地址信号进行译码,以产生的需要的各种片选信号,如静态数据存储器的片选信号,程序存储器的片选信号,串行通信电平转换模块的片选信号,GPRS控制芯片的片选信号。

2.3 串行通信模块

W77E58单片机对外可供二个全双工串行口,其中一个与GPRS无线模块M23通信,另一个用来与外部需要进行数据传输的终端设备相连。为了增强本系统与外部终端设备连接的通用性,该模块提供了RS-485或RS-232两种串行通信接口方式,因为W77E58串行口电平是TTL电平,所以需要将TTL电平信号转换为RS-485或RS-232总线电平信号。另外,RS-232串行接口可与PC机直接相连,这样就可在PC机上通过串行口发布AT指令对M23模块进行单独调试。本系统选用的是Maxim公司的MAX485和MAX232,使用中通过短接线很发便选择使用MAX485或者MAX232。

2.4 看门狗电路

GPRS无线终端能否正常工作的关键是看CPU能否正常工作,GPRS无线终端现场运行时,由于现场的冲击干扰及其它原因,使得CPU工作出现异常,造成程序跑飞,极易造成通信故障,甚至会丢失数据。因此GPRS无线终端需要加上看门狗(WATCHDOG)电路,如图3所示,电路有MAX813芯片构成。

主程序正常运行时,必须每隔1.6S之内向MAX813芯片的WDI引脚送一次信号(喂狗信号),若超过1.6S,MAX813接受不到喂狗信号,则产生看门狗输出,使WDO引脚由高电平变为低电平,由于WDO引脚与WR(手动复位端)直接相连,所以WR此时输入为低电平,当该引脚上的低电平保持140ms以上时,MAX813的RST端就产生脉宽为200ms的高电平,从而复位单片机W77E58,使程序重新运行。

三、数传终端的软件设计

数传终端系统的软件设计的关键部分是单片机与GPRS模块的通信,两者间需定义通信协议、规定数据传输的帧格式,通过AT指令令实现GPRS网络的附着、PDP激活、Internet的接入及数据传输。

3.1 AT指令的调试

利用AT指令控制M23模块建立无线信道进行数据传输的步骤如下:

(1)AT$NOSLEEP=1:防止串口进入睡眠状态。利用M23进行TCP/IP数据连接前必须使串口永远打开,否则可能会造成数据丢失。

(2)AT+CGDCONT=1,“IP”,“APN”:设置接入网关,中国移动的APN是CMNET。

(3)AT%CGPCO=1,“PAP,,”,1:PAP验证,默认的用户名和密码。

(4)AT$DESTINFO=“*.*.*.*”,1,主站的端口号:设置远端主站的IP地址,其中“*.*.*.*”指远端主站的固定的IP地址,“1”指支持TCP协议,若为“2”指支持UDP协议。

(5)ATD*97#:拨号建立连接。当建立了TCP/IP的连接后,可以通过发送“+++”(后面不能有任何字符)命令从TCP状态切换到AT命令状态,TCP状态此时没有断开只是被暂时挂起,在AT命令状态可以使用“ATO”命令来返回到TCP状态,也可以在AT命令状态发送“ATH”彻底断开TCP连接。

3.2 M23建立TCP/IP连接的原理

由于GPRS的TCP/IP连接是基于IP地址的连接技术,因此,建立TCP/IP连接必须要提供对方的IP地址。M23只能作为client端,不能作为serve端。Serve端建议使用固定IP,这样建立的连接比较稳定。当serve端的主站有了固定IP后,M23端在没有连接主站时是没有IP地址的,只有当使用了“ATD*97#”命令与主站建立连接后,M23端才会被分配一个移动公司网内的虚拟IP地址,移动公司与外网的连接会通过网关,建立连接后,从serve端来看,M23在经过网关的时候被分配了一个临时的公网IP地址和端口号,这个临时的IP地址和端口号从M23端无法得到,但从serve端可以看到,这样就能够实现从M23到serve,从serve到M23的双向通信。当然,如果M23不先去连接serve,serve是无法主动连接到M23的。

3.3 M23与主站的连接方式

当单片机向M23模块发出“ATD*97#”指令后,就可与主站建立PPP连接,并可使用M23内嵌的TCP/IP协议进行数据传输。M23与主站的连接方式有以下几种:

第一种与主站的连接方式是主站有固定IP地址的方式。

固定IP地址构建的系统稳定,当主站IP有足够的带宽时可以建立起大型的系统,理论上一个IP最大系统仅受带宽的限制。

第二种方式是使用域名解析DNS。

由于申请固定IP的费用比较高,主站可以申请一个域名,M23本身有域名解析的功能。这样的连接由于主站IP的不稳定性,建议用来构建中小型系统,但主站的维护费用很低。

第三种方式是与中国移动协商使用专门的APN。

向中国移动申请使用移动公司内网的IP地址做主站,这个主站IP由于是移动公司的内网IP,运行费用相对较低,稳定性取决与移动的网络,可以用来构建大型的系统。

3.4 程序的设计[6]

为了方便调试、维护和移植,无线终端软件设计遵循模块化设计思想,采用C语言编程。无线终端软件主要分为系统初始化模块、建立连接模块、数据传输模块、断开连接模块4部分。系统程序流程图如图4所示:

程序首先对系统软硬件进行初始化,用AT指令初始化M23模块并建立PPP连接,PPP连接建立后,M23模块进入数据传输模式,可以以PPP帧格式直接传送数据。一方面,M23接受主站服务器发来的命令或数据并通过串行口发给单片机,单片机根据主站的命令进行相应的处理;另一方面,单片机通过RS-232或RS-485串行口接受外部终端发来的数据或请求并通过另一个串行口发给M23,M23就会把数据转发给相应的IP地址的PC机。M23模块在接入网络后,在设定的周期内无数据通信时,由单片机控制M23模块向主站发送心跳信息,以保持GPRS网络的连接,主站收到心跳信息后,回应应答信号。

四、结束语

GPRS数传模块由于具有永远在线、自由切换、传输速率高、计费灵活便宜等优点而有着极为广泛的应用。本文设计的GPRS数传系统可以将标准串行口数据通过GPRS网络连入互联网,在远端设备和主站之间提供了一条透明的传输通道。该系统可广泛地应用于无线电力抄表、远程配变监测系统、无线车载监控系统等领域。

摘要：介绍了通用分组无线业务(General Packet Radio Service,简称GPRS)无线传输技术,提出了基于BENQ公司M23模块和Winbond公司W77E58单片机的无线数据传输系统,给出了硬件设计框图和软件设计流程图。实践证明,利用GPRS传输数据与传统的数传方式相比,具有耗资小、体积小、分布广、使用灵活等优点。

关键词：GPRS,M23模块,W77E58单片机,AT指令

参考文献

[1]吕鑫,王忠.GPRS数据传输模块的设计与实现[J].无线通信,2008(9):18-20.

[2]孙鸣,吴珏.基于TC45模块的GPRS无线抄表系统[J].自动化与仪器仪表,2005(6):29-31.

[3]徐敏锐.GPRS在配变监测系统中的应用[D].南京:东南大学电气工程系,2005.

[4]M23GSM/GPRS Wireless Module DATASHEET.BenQ Corp.2005.

[5]程云长.可编程逻辑器件与VHDL语言[M].北京:科学出版社,2005.

无线传感器网络数据传输及融合技术 篇10

如今无线传感器网络已经成为一种极具潜力的测量工具。它是一个由微型、廉价、能量受限的传感器节点所组成,通过无线方式进行通信的多跳网络,其目的是对所覆盖区域内的信息进行采集、处理和传递。然而,传感器节点体积小,依靠电池供电,且更换电池不便,如何高效使用能量,提高节点生命周期,是传感器网络面临的首要问题。这里讨论传感器网络的数据传输,并列举了几种通过网络内部的数据压缩机制(数据在网络内部通过链路传输时,进行汇聚和压缩)来减少数据传输量的节能算法。

1 传统的无线传感器网络数据传输

1.1 直接传输模型

直接传输模型是指传感器节点将采集到的数据通过较大的功率直接一跳传输到Sink节点上,进行集中式处理,如图1所示。

这种方法的缺点在于:距离Sink节点较远的传感器节点需要很大的发送功率才可以达到与Sink节点通信的目的,而传感器节点的通信距离有限,因此距离Sink较远的节点往往无法与Sink节点进行可靠的通信,这是不能被接受的。且在较大通信距离上的节点需耗费很大的能量才能完成与Sink节点的通信,容易造成有关节点的能量很快耗尽,这样的传感器网络在实际中难以得到应用。

1.2 多跳传输模型

这种方式类似于AD-Hoc网络模型[1],如图2所示。每个节点自身不对数据进行任何处理,而是调整发送功率,以较小功率经过多跳将测量数据传输到Sink节点中再进行集中处理。多跳传输模型很好地改善了直接传输的缺陷,使得能量得到了较有效的利用,这是传感器网络得到广泛利用的前提。

该方法的缺点在于:当网络规模较大时,会出现热点问题,即位于两条或多条路径交叉处的节点,以及距离Sink节点一跳的节点(将它称之为瓶颈节点[2]),如图2中N1,N2,N3,N4,它们除了自身的传输之外,还要在多跳传递中充当中介。在这种情况下,这些节点的能量将会很快耗尽。对于以节能为前提的传感器网络而言,这显然不是一种很有效的方式。

2 无线传感器网络数据融合技术

在大规模的无线传感器网络中,由于每个传感器的监测范围以及可靠性都是有限的,在放置传感器节点时,有时要使传感器节点的监测范围互相交叠,以增强整个网络所采集的信息的鲁棒性和准确性。那么,在无线传感器网络中的感测数据就会具有一定的空间相关性,即距离相近的节点所传输的数据具有一定的冗余度。在传统的数据传输模式下,每个节点都将传输全部的感测信息,这其中就包含了大量的冗余信息,即有相当一部分的能量用于不必要的数据传输。而传感器网络中传输数据的能耗远大于处理数据的能耗[3]。因此,在大规模无线传感器网络中,使各个节点多跳传输感测数据到Sink节点前,先对数据进行融合处理是非常有必要的,数据融合技术应运而生。

2.1 集中式数据融合算法

2.1.1 分簇模型的LEACH算法

为了改善热点问题,Wendi Rabiner Heinzelman等提出了在无线传感器网络中使用分簇概念,其将网络分为不同层次的LEACH算法[4]:通过某种方式周期性随机选举簇头,簇头在无线信道中广播信息,其余节点检测信号并选择信号最强的簇头加入,从而形成不同的簇。簇头之间的连接构成上层骨干网,所有簇间通信都通过骨干网进行转发。簇内成员将数据传输给簇头节点,簇头节点再向上一级簇头传输,直至Sink节点[5]。图3所示为两层分簇结构。这种方式降低了节点发送功率,减少了不必要的链路,减少节点间干扰,达到保持网络内部能量消耗的均衡,延长网络寿命的目的。

该算法的缺点在于:分簇的实现以及簇头的选择都需要相当一部分的开销,且簇内成员过多地依赖簇头进行数据传输与处理,使得簇头的能量消耗很快。为避免簇头能量耗尽,需频繁选择簇头。同时,簇头与簇内成员为点对多点的一跳通信,可扩展性差,不适用于大规模网络。

2.1.2 PEGASIS算法

Stephanie Lindsey等人在LEACH的基础上,提出了PEGASIS算法[6]。此算法假定网络中的每个节点都是同构的且静止不动,节点通过通信来获得与其他节点之间的位置关系。每个节点通过贪婪算法找到与其最近的邻居并连接,从而整个网络形成一个链,同时设定一个距离Sink最近的节点为链头节点,它与Sink进行一跳通信。数据总是在某个节点与其邻居之间传输,节点通过多跳方式轮流传输数据到Sink处。如图4所示。

该算法缺点也很明显,首先每个节点必须知道网络中其他各节点的位置信息。其次,链头节点为瓶颈节点,它的存在至关重要,若它的能量耗尽则有关路由将会失效。再次,较长的链会造成较大的传输时延。

2.2 分布式数据融合算法

可以将一个规则传感器网络拓扑图等效于一幅图像,获得一种将小波变换应用到无线传感器网络中的分布式数据融合技术。这方面的研究已取得了一些阶段性成果,下面就对其进行介绍。

2.2.1 规则网络情况

Servetto首先研究了小波变换的分布式实现,并将其用于解决无线传感器网络中的广播问题[7]。南加州大学的A.Ciancio进一步研究了无线传感器网络中的分布式数据融合算法,引入lifting变换[8],提出一种基于lifting的规则网络中分布式小波变换数据融合算法(DWT_RE)[9,10],并将其应用于规则网络中。如图5所示,网络中节点规则分布,每个节点只与其相邻的左右两个邻居进行通信,对数据进行去相关计算。

DWT_RE算法的实现分为两步,第一步,奇数节点接收到来自它们偶数邻居节点的感测数据,并经过计算得出细节小波系数;第二步,奇数节点把这些系数送至它们的偶数邻居节点以及Sink节点中,偶数邻居节点利用这些信息计算出近似小波系数,也将这些系数送至Sink节点中。

小波变换在规则分布网络中的应用是数据融合算法的重要突破,但是实际应用中节点分布是不规则的,因此需要找到一种算法解决不规则网络的数据融合问题。

2.2.2 不规则网络情况

莱斯大学的R Wagner在其博士论文中首次提出了一种不规则网络环境下的分布式小波变换方案即Distributed Wavelet Transform_IRR(DWT_IRR)[11,12],并将其扩展到三维情况。莱斯大学的COMPASS项目组已经对此算法进行了检验[13],下面对其进行介绍。DWT_IRR算法是建立在lifting算法的基础上,它的具体思想如图6～图8所示,分成三步:分裂,预测和更新。

首先根据节点之间的不同距离(数据相关性不同)按一定算法将节点分为偶数集合Ej和奇数集合Oj。以Oj中的数据进行预测,根据Oj节点与其相邻的Ej节点进行通信后,用Ej节点信息预测出Oj节点信息,将该信息与原来Oj中的信息相减,从而得到细节分量dj。然后,Oj发送dj至参与预测的Ej中,Ej节点将原来信息与dj相加,从而得到近似分量sj,该分量将参与下一轮的迭代。以此类推,直到j=0为止。

该算法依靠节点与一定范围内的邻居进行通信。经过多次迭代后,节点之间的距离进一步扩大,小波也由精细尺度变换到了粗糙尺度,近似信息被集中在了少数节点中,细节信息被集中在了多数节点中,从而实现了网络数据的稀疏变换。通过对小波系数进行筛选,将所需信息进行lifting逆变换,可以应用于有损压缩处理。它的优点是:充分利用感测数据的相关性,进行有效的压缩变换;分布式计算,无中心节点,避免热点问题;将原来网络中瓶颈节点以及簇头节点的能量平均到整个网络中,充分起到了节能作用,延长了整个网络的寿命。

然而,该算法也有其自身的一些设计缺陷:首先,节点必须知道全网位置信息;其次,虽然最终与Sink节点的通信数据量是减少了,但是有很多额外开销用于了邻居节点之间的局部信号处理上,即很多能量消耗在了局部通信上。对于越密集、相关性越强的网络,该算法的效果越好。

在此基础上,南加州大学的Godwin Shen考虑到DWT_IRR算法中没有讨论的关于计算反向链路所需的开销,从而对该算法进行了优化[14]。由于反向链路加重了不必要的通信开销,Godwin Shen提出预先为整个网络建立一棵最优路由树,使节点记录通信路由,从而消除反向链路开销。

3 总 结

基于应用领域的不同,以上算法各有其优缺点,如表1所示。

4 结 语

这里介绍了几类常用的无线传感器网络数据融合算法,并比较了其优缺点。数据融合是实现无线传感器节点节能目的的重要手段之一,目前的各种研究技术都还未成熟,新技术正不断涌现。例如当传感器节点具有移动能力时,网络拓扑如何保持实时更新;当环境恶劣时,如何保障通信的安全;如何进一步降低能耗;以及如何更好地借助数据稀疏性理论(如Compressed Sensing)[15]在图像处理中的应用,而将其引入到传感器网络数据压缩中改善融合效果,以上都是待解决的问题。未来还会有更多、更好、更全面的算法被不断提出。