无线WSN网络

无线WSN网络（精选六篇）

无线WSN网络篇1

随着数据的多元化和爆炸式的发展,数据的采集的方式变得更加丰富,传输变的更加快捷。WSN作为现阶段物联网技术的主要表现形式,备受关注,已经被应用于各种领域。

文献[2]研究了一种面向NGN的无线接入网关。该文中提出的网关实现了WSN接入NGN。通过该接口可以完成3G、Wi-Fi等网络互联。文献[3]探讨了移动4G和Zigbee网络网关设计问题,并阐述了使用MCF52233微处理器实现网络间协议的转换。以上研究都已以实现了WSN网络和移动网络的互联互通的功能。但是随着移动通信技术的不断发展,FDD-LTE制式的4G将成的移动通信的主要方式。本文在研究现有异构网关的基础上,提出了电信4G与WSN的异构网络的互联互通技术。

2物联网架构

WSN是作为互联网的沿伸是它的末梢具有自组织能力,互联网重要的一部分,是全球网络的动态架构基础。WSN是当下物联网应用的主流形式,应用到各行业的方方面面,WSN作为物联网的感知层,采集应用所需的基础数据,为物联网应用提供数据上的支持。WSN发的发展也受到准化组织青睐正在进行相关标准的制定。

WSN作为感知层,是物联网体系架构的一部分,如图1物联网的体系架构所示。

从图1物联网体系架构可以看出,物联网包括三层:业务应用层、中间传输网络层和底部的感知层。其中,应用层作为业务应用,是物联网向外提供应用服务的一接口;网络层实现数据之间传输由主网络和各种私有网络,移动通信网络和电信网络等构成;感知层是由各种数据感知设备和相关网关构成。其中物联网中的最关键的部分是实现机器与机器之间的交流以及如何实现与现有网络互联,M2M网关是现阶段实现WSN网络与现有网络融合主要形。

4G网络是当下主流移动网络,如何实现WSN网络与4G网络互联形成无处不在的泛在网络是目前物网关发展方向。所以,本文研究和设计实现FDD-LTE与WSN网络互联的M2M无线接入网关(下文简称:无线接入网关)是符合现阶段物联网发展要求,具有一定的研究意义。

3硬件平台设计

3.1无线接入网关硬件结构

无线接入网关实现WSN网络与4G之间的互联,主要是通过对数据流格式实时处理和信令协议进行实时转化,因此对MCU和通信网络接口硬件要求比较高。图2是无线接入网关硬件结构。

无线接入网关中与WSN网络互联的是满足IEEE802.15.4 PHY的标准的CC2420射频芯片,通过CC2420实现与WSN网络通信;4G模块采用的是华为EM906E来实现与4G网络通信;MCU采用是基于ARM11架构的处理器内核的Samsung公司的S3C6410,来实现数据流重新打包和信令流转换处理工作,而且S3C6410与CC2420具有良好的兼容性。此外,无线接入网关还扩展了外部存储比如:FLASH芯片和内存SDRAM用来实现数据流转换的数据存储器和信令协议转换以及系统挂载和指令存储器。

3.2软件系统设计

根据无线接入网关功能,将整个系统结构分为三层,接入层,系统层和网络层。在接入层实现通信接口驱动,在系统层实现对CC2420接口和EM906E接口对数据的收发,在应用层是实现数据通信协义与数据格的转换。无线接入网关的软件结构如图3所示。

OS Android 4.0实现对软件资源和硬件资源的协调和管理,并且提供IP网络服务。OS Android 4.0作为整个无线接入网关的资源协调者和管理者,实现对硬件资源的驱动,为上层应用提供相应的操作接口,进而实现了应用程序与硬件资源的数据服务。主要包括如几个功能模块:

(1)802.15.4 MAC:实现与WSN网络内的链路控制;

(2)EM906E接口:用于与4G网络通信;

(3)CC2420接口:用于与WSN网络通信;

(4)以太网:由OS提供;

(5)TCP/IP:实现网络层协议和传输层协议且由OS提供;

(6)SIP/SDP:会话发起协议与会话描述协议用于实现与4G网络之间时行信令转换;

(7)应用程序:负责数据流格式的转换、信令之间的流转以及协调各个模块之间按需工作。

4无线接入网关性能测试

本次测共进行了十组,为了提高数据的可信度,以每一次递增10000个数据包,来测试无线接入网关丢包率,测试结如图4所示。

从图4中可以得出,随着数据量的增加,丢包率基本在1‰左右上下,从丢包率的数据来看,无线接入网关互联WSN网络与4G网络通信良好。

5总结

本文通过融合FDD-LTE与WSN网络,通过无线接入网关,作为中介桥接在FDD-LTE与WSN网络两端,实现了WSN与现有4G网络的互联互通过。测试表明,网关具有传输速度快、实时传输质量稳定、丢包率低等优点,具有较高的一定的应用价值。

参考文献

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[2]胡锐.面向NGN的M2M无线接入网关的设计与实现[D].镇江:江苏科技大学,2012.10.12.

[3]贺政,赵小龙.基于Linux系统的4G-WSN无线网关的设计[J].科技视界,2015(12):5-6.

[4]刘涛,关亚文,王骏.WSN中一种负载均衡的动态非均匀分簇方案[J].计算机工程与科学,2016,38(04):661-666.

粮仓环境无线监测WSN节点设计篇2

无线传感器网络是由部署在监测区域内众多的微型传感器节点组成, 通过无线通信方式形成的一个自组织无线网络系统, 可用于监测复杂多变的环境条件, 如温度、湿度、噪声等级等[3]。无线通信方式解决了粮仓现场布线困难的问题, 能够满足粮仓温湿度环境参数信息监测的连续性和实时性要求[4]。

本文以STM32处理器为核心, CC1101为射频模块分别设计了粮仓温湿度环境监测的传感器节点以及具备zigbee/以太网协议转换功能的网关节点, 网关节点能通过CC1101模块收集传感器节点采集的环境参数并通过以太网协议与上位机服务器通信, 存储粮仓环境信息。

1 传感器节点设计

1.1 硬件设计

传感器节点采用模块化的设计, 主要由stm32处理器、温湿度传感器模块SHT-11、电源模块、实时时钟模块、cc1101无线射频模块组成, 其结构如图1所示。

网络节点选用意法半导体公司的stm32f103作为微控制器, 该控制器采用cortex M3内核, 具有执行效率高、运算能力强、功耗低等特点。利用微控制器内部的RTC模块, 搭配32.768KHz的外部晶振和纽扣电池, 实现温湿度参数的自动监测。

无线射频通信模块采用的低功耗、低成本的CC1101模块, 其工作频段为433MHz频段, 数据传输率可达500kbps, 传输距离可达200米, 模块通过SPI接口与微控制器相连。

1.2 软件设计

传感器网络节点软件主要包括环境参数监测模块以及Zig Bee程序模块两个部分, 其中Zig Bee程序模块负责在节点上电后与网关节点组网。环境参数监测模块中设定环境感知周期, 感知周期到达时就唤醒节点并监测温湿度参数并发送给网关节点。传感器节点软件流程如图2所示。

2 网关节点设计

粮仓现场条件复杂, 不适宜部署网线电源线, 因此, 环境监测节点与网关节点采用Zig Bee协议实现数据无线通信, 避免了布线困难。网关节点不仅需要发起、维护Zig Bee无线网络, 还需要实现802.15.4/以太网协议转换, 将Zig Bee网络数据转化为以太网数据包。本文设计的网关节点以STM32处理器为核心, 扩展CC1101 (Zig Bee模块) 及以太网RJ45接口。CC1101管理粮仓所有温湿度环境监测节点构建星型网络, 网关收集各节点温湿度数据并利用RJ45将监测结果通过局域网发送到本地中心服务器。

网关节点启动后扫描各个信道, 探测各环境监测节点点广播的网络加入请求包, 针对探测到的各加入请求源分配Zig Bee网络地址并且指定网络工作频道, 温湿度节点收到地址后按照给定工作频道向网关节点发送环境监测数据。网关节点周期性地将监测结果发送给中心服务器, 网关节点收集、转发环境数据的软件流程如图3所示。

3 小结

本文将Zig Bee技术应用于粮仓的环境监测中, 设计了粮仓温湿度环境监测的传感器网络节点以及网关节点, 实现了对粮仓内温湿度的无线远程自动测量, 克服了采用有线传输的诸多不足, 节省了人力物力。

参考文献

[1]李家金, 滕国库.基于ZigBee的粮仓环境监测系统设计与实现[J].计算机与数字工程, 2012, 40 (4) :120-122.[1]李家金, 滕国库.基于ZigBee的粮仓环境监测系统设计与实现[J].计算机与数字工程, 2012, 40 (4) :120-122.

[2]王明明, 王志霖, 袁昊, 等.基于MSP430的实用粮仓温湿度检测系统[J].现代电子技术, 2012, 35 (2) :10-12.[2]王明明, 王志霖, 袁昊, 等.基于MSP430的实用粮仓温湿度检测系统[J].现代电子技术, 2012, 35 (2) :10-12.

[3]Akyildiz I F.Wireless sensor network:a survey.Computer Networks, 2002, 38:393-422.[3]Akyildiz I F.Wireless sensor network:a survey.Computer Networks, 2002, 38:393-422.

无线WSN网络篇3

桥梁在长时间的运营下会因天气、震动、撞击、自身老化等因素影响其本身的健康状况,从而造成交通安全隐患,事故一旦发生不仅会造成重大财产损失,更会严重地危害生命。采用无线传感器网络系统对桥梁结构进行监控,相关部门就可以根据系统预警及时做出反应,以防范事故的发生。无线传感器网络由具有采样、计算和通信能力的大量微型传感器节点组成,这些传感器节点分别采集桥梁结构的相关数据,并将处理后的数据以无线传输的方式送到基站节点,再通过计算机对整个健康结构状况进行系统分析判断。传输系统是否可靠、迅速,这将直接决定整个系统是否能有效的运行,因此需要研究无线传输系统以选择一个最佳的传输模式。

1 无线传输系统

1.1 节点

本系统采用的Imote2是一个先进的无线传感器网络平台,其结构图如图1所示,它采用低功耗的PXA271 XScale CPU[1],并集成了CC2420 IEEE802.15.4无线收发器。

Imote2平台本身包含了2.4 GHz表面安装天线,标称覆盖范围为30 m。为了增加通信距离接入外部天线,将其接在Imote2带有的SMA连接器上,使用的天线是Antenova公司生产的Titanis 2.4 GHz可旋转天线,它的物理特性和电特性参数见表1。

Imote2无线收发器的参数见表2,由Friis公式[2]:

$Ρ_{r} (d) = \frac{Ρ_{t} G_{t} G_{r} λ^{2}}{(4 π)^{2} d^{2} L} (1)$

可得Titanis 2.4 GHz在自由空间的传输距离最大约为200 m;实际上在钢箱梁环境下测试最大距离约为75 m(见3.2.2节),性能明显优于Imote2自带的无线天线。

1.2 开发平台和开发语言

用TinyOS作为Imote2的操作系统,采用Cygwin在XP系统下模拟Tinyos环境,该操作系统具有很小的内存占有量,并且耗能很少,非常适用于资源有限的智能传感器。它采取基于组件的构架方式,完整的系统由一个调度器和一些组件构成,应用程序可以通过连接配置文件将各种组件连接起来,以完成所需要的功能。组件库包括网络协议、分布式服务、传感器驱动和数据采集工具[3]。

Nesc是一种扩展C的编程语言,主要用于传感器网络的编程开发。

1.3 关键技术

无线传感器网络的研究主要集中于三个方面:网络管理技术、网络支撑技术、网络通信协议[4]。其中,网络支撑技术主要以时间同步协议为主要研究方向;网络通信协议包含物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。数据链路层又可分为媒体访问控制(MAC)子层和逻辑链路控制(LLC)子层[5]。

2 网络支撑技术(时间同步协议)

智能传感器网络所测量的诸多信号具有自己独立的时间坐标,所以必须使之同步。如果时间同步不能得到有效的解决,结构健康监测将产生误差,尤其是模态的相位[6]。

2.1 传感器节点本地时钟同步

传统的双向时间同步机制建立在成对节点同步的基础上,节点A,B通过交换2组数据包就能实现两者本地时钟同步。节点A在本地时钟T1时刻发送同步数据包,当节点B接收到该包时记录到达时间T2,则T2等于T1加上传输时间D和时钟偏差d,即:T2=T1+D+d。然后节点B返还一个数据包给A,此数据包包含了时间T1,T2和发送时刻T3,在A处收到的时间为T4,则有:T4=T3+D-d。可以计算时钟偏差为:

$d = \frac{(Τ_{1} - Τ_{2}) - (Τ_{4} - Τ_{3})}{2}$

计算出偏差d后,就可以进行同步(此种同步是在假定D1=D2的前提下)。

在分布式无线网络结构[7]中,n个叶节点需要同时与基站节点达成时间同步,这样双向通信会造成基站数据冗余,同时为了避免D的估计,减少交换信息的数量,选择单向时间同步机制,把浮动时间同步化协议运用在Imote2中,使由于传感网络节点自己的独立时钟导致的时间误差最小化,从而实现了较高水平的时间同步。

FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol)[8]时间同步机制综合考虑了能量感知、可扩展性、鲁棒性、稳定性和收敛性等方面的要求,具体算法的实现步骤如下:

(1) 发送方在检测到信道空闲时开始发送SYNC字节,避免发送端的处理延迟和MAC层的访问延迟对同步精度产生影响。

(2) 在完成SYNC字节发射后给时间同步消息标记时间戳T1并发射出去;消息数据部分的发射时间可通过数据发射速率和数据长度算得,发送的信息位个数为n,发送每比特位的时间为t,发送时T=nt。

(3) 接收节点记录SYNC字节最后到达时间T2,并计算位偏移(bit offset)。在收到完整消息后发送ACK确认信息返还给发送方,接收节点通过偏移位数与接收速率计算位偏移产生的时间延迟。

(4) 接收节点计算与发送节点间的时钟偏移量,然后调整本地时钟和发送节点时钟同步。

FTSP流程图如图2所示,图中T为发送节点,R为接收节点。

假定FTSP中某时间段内时钟晶振频率稳定,故节点间时钟偏移量与时间呈线性关系。发送节点向接收节点周期性广播同步消息,接收节点根据收到的数据组构造最佳拟合直线L,在误差允许的时间间隔内,节点可直接通过L计算某一时间点节点间的时钟偏移量而不必发送时间同步信息。为了防止簇组结构中节点间互相通信而造成信息冗余,采用根节点逐个增大消息序列号的机制,如图3所示。

root下有n+1个叶节点,其中p节点不在其通信范围之内,同步时root节点发送序列号为1的同步消息至1,2,…,n的叶节点;1,2,…,n的叶节点发送序列号为2的同步消息至p节点,如果p节点将这n个同步消息都接收的话就会很多余,所以节点p在接收到节点4的消息后记下该消息的最大序列号2,而放弃其他n-1个序列号为2的同步消息。同样,1号节点接收到来自root的序列号为1的消息后记下序列号,不再接收来自2号节点中序列为2的消息,或者来自p节点中序列为3的消息。

2.2 节点间采样频率的同步

本地时钟同步后,各节点采集的数据均为序列形式,这些序列上的对应点应该是同一时刻获得的,即采样频率必须同步。如果测量信号来自不一致的采样频率,而用于模态分析上,一个真实的模态将会变成数个不同的模态,出现在真正的自然频率附近,这将造成结构监测的较大误差。但即使设定了某个固定的采样频率,各个节点在实施时总会有微小误差,同时每个节点本身的采样频率也会随着时间而有所浮动。因此即使所有信号是完美同时的开始测量,仍然很有可能会随着时间的增加造成大量的同步误差。在采样中补偿这些频率浮动是相当困难的,如同时钟正在线性游移中。经过较长时间后,采样频率的浮动会促使数据质量逐渐下降。TinyOS是个非实时的平台,可采用重采样技术再处理的方式达到数据同步。

当采样频率满足Nyquist采样定理:fs≥2时,则采样之后的数字信号x(n)完整地保留了原始信号中的信息,即有充分的条件完全重建[9]原始信号xa(t):

$x_{a} (t) = \sum_{n = - \infty}^{\infty} x (n) s i n c [f_{s} (t - n Τ_{s})] (2)$

对重建后的原始信号进行重采样就可以得到时间同步的数据序列。

3 网络通信协议

3.1 MAC层(ACK机制)

由于有些数据包在传输过程中可能会丢失,射频通信传输不能与有线传输一样可靠。节点间距离增加,信噪比下降,会导致传输数据出错。数个同步节点接口上的信号相撞,也会导致一个或两个数据包遗漏。这种错误通常发生于同时搭载着传感器节点命令与测量数据的数据包。如果命令数据包丢失,目标节点将无法运行特定的任务。如果搭载测量信号的数据包遗失,目标节点就不能得到完整的数据。

基于确认的通信方式可有效保证节点间传输的可靠性,该方式在收到接收端以单播(Unicast)方式返还的确认信息(ACK)前,将不停地重传数据包,直到发送端给该数据设定的定时器超时为止,图4为其格式图。

但是大量的确认信息会占用较长的等待时间,这时相同的数据包会被持续地传送很多次,而且Imote2射频的组件兼备了聆听模式与传输模式,不停地切换模式占用响应时间也会降低传输效率。为取代原有每个数据包的确认,可以发送一整套数据包,然后等待确认信号(ACK),即采用一种群ACK机制[10],发送端到接收端的传输时间为Tp,单个数据包发送时间为Tt,ACK返还信号的传输时间为Tr,数据包之间的时间间隔Gap为Ts(节点响应处理时间忽略)。发送方发送多个数据包并且对其标记,直到所有数据包全部发送完毕,或是剩余的时间Tremain满足:

Tp+Ts+Tr≤Tremain≤2Tp+2Ts+Tt+Tr (3)

接收端返还一个ACK对所传的所有数据包进行确认。下一套数据包的发送取决于ACK的状况,ACK中会对传输中发生错误的数据包进行说明,发送端对这些数据包进行重传。图5为其格式图。

可见,同样传输n个数据包,群ACK机制下节省了(n-1)*(Tr+Ts)的时间。无差错情况下ACK的传输效率[11]为:

$Ρ_{1} = \frac{Τ_{t} + Τ_{r}}{2 Τ_{p} + 2 Τ_{s} + Τ_{t} + Τ_{r}} (4)$

群ACK的传输效率约为:

$Ρ_{2} \approx \frac{Τ_{t}}{Τ_{p} + Τ_{s} + Τ_{t}} (5)$

若单个数据包出错概率为w,则出错率为:

$E_{r} = \sum_{1}^{\infty} (i w_{i}) = \sum_{1}^{\infty} [i w_{r} (i)] = 1 / (1 - w) (6)$

在有差错的情况下传输效率分别为:

$\begin{array}{l} Ρ_{1}^{´} = \frac{Τ_{t} + Τ_{r}}{E_{r} (2 Τ_{p} + 2 Τ_{s} + Τ_{t} + Τ_{r})} \\ Ρ_{2}^{´} \approx \frac{Τ_{t}}{E_{r} (Τ_{p} + Τ_{s} + Τ_{t})} \end{array} (7)$

对比可见,群ACK机制下传输效率大大提高,系统的吞吐量也得到增加,发送与接收节点间的切换次数将得到大幅降低。

3.2 网络层(Multi-hop Communication)

一般的无线传输网络均采用单跳(Single-hop)通信,所有的叶节点与基站节点直接通信,而在大桥钢箱梁这种复杂的安装环境下,无法将所有的叶节点均有效安装在基站节点的视距范围内,而且钢表面对无线信号的反射会影响通信的效果。为达到较理想的通信距离,基站节点需要通过多跳(Multi-hop)中继的方法与某些叶节点进行通信。

3.2.1 基本原理

无线自组网按需平面距离矢量路由协议(Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing,AODV)[12]通过建立基于按需的路由来减少路由广播的次数,源路由并不需要包括在每一个数据分组中,这样所有协议的开销有所降低,不在路径内的节点不保存路由信息,也不参与路由表的交换。

在AODV中,整个节点网络都是静止的,除非有连接建立的需求。当某个叶节点A需要与基站节点通信时,如果路由表中已经存在了对应的路由就直接进行数据通行;如果不存在直接的路由路径,节点A进行路由发现过程,通过广播RREQ信息发送建立请求,其他的叶节点转发这个请求消息,并记录节点A和回到节点A的临时路由。当RREQ到达基站节点时即路由已建立,基站节点和中间节点返还一个RREP信息把这个路由信息按照先前记录的回到节点A的临时路由发回A。于是节点A就开始使用这个经过其他节点并且有最短跳数的路由。路由建立后每个路由中的节点都保存一个相应的目的地址的路由表项实现逐跳转发,并监视下一跳的状况。当链路断掉,节点通过发送RRER消息将路由错误回送给节点A,通过前驱列表(Precursor List)指明,由于断链而无法到达的节点号,节点A重新发起路由查找过程。

3.2.2 单跳和多跳通信下的天线特征性

已实际测量单跳和多跳通信下的天线特征性,测量环境为南京长江二桥钢箱梁内部(2009.11.20),取90%的接收率为有效通信。单跳中基站节点发送一定数量的数据包,叶节点把接收到的相应数据包再发送回基站;多跳整个过程则需经过中间节点的接力。图6,图7中分别显示了单跳和多跳通信时无线天线在传输功率下运行时随传输距离变化的数据接收率。

可以看出,通过建立多跳通信,通信距离从单跳中最大的75 m提高到103 m左右,不但解决了某些节点无法通信的问题,更是普遍增长了通信距离,大大改善了通信性能。

4 结语

无线传输系统中通过改善数据同步处理方式以及各个网络协议层的通信协议,优化了信息传输系统的性能,提高了数据传输的可靠性和准确度,为整个桥梁健康监测系统提供了有力的数据保证。

参考文献

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[3]王海,张能贵,高志刚.基于Tinyos的无线传感器网络节点[J].机电工程,2009,26(5):16-26.

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[5]于宏毅,李鸥,张效义,等.无线传感器网络理论、技术与实现[M].北京:国防工业出版社,2008.

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[7]丁华平,冯兆祥,沈庆红,等.基于新型树状结构的无线传感器网络桥梁结构健康监测系统研究[J].南京大学学报,2009,45(4):483 493.

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[9]INGLE Vinay K,PROAKIS John G.数字信号处理:使用Matlab[M].西安:西安交通大学出版社,2008.

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[11]徐家恺,沈庆宏,阮雅端.通信原理教程[M].南京:科学出版社,2007.

无线WSN网络篇4

步入21世纪, 随着计算机技术、自动化技术、电子技术、传感器技术以及无线通信技术的快速发展, 嵌入式技术飞速发展时期已经到来, 标志着计算机技术已经进入了后PC时代和网络时代。无线传感网络 (Wiress Sensor Networks) 由大量的无线传感器节点组成, 这些节点的功能可相同或不同, 每个无线传感器节点由核心数据处理模块和控制模块、传感器数据采集模块、无线通信模块和电源模块等组成。无线传感器网络依靠各种类型的传感器来完成采集对象信息实时采集, 并将采集信息通过无线网络进行传输, 并送到数据处理中心进行数据处理[1]。

在无线传感器网络中, 我们有时需要一种短距离通信技术、硬件软件复杂度低、数据传输速率低、能耗小、成本低的新兴无线网络通信技术, 来完成传感器网络采集数据的传输。

2 国内外无线传感技术研究现状

无线传感器网络诞生于20世纪90年代末, 开始于美国军方用于战场检测技术。作为新一代的传感器网络, 当前国内外都很重视无线传感器网络研究, IEEE协会, 欧美很多著名的大学都大力进行传感器网络技术的研究与应用开发。在中国颁布的我国今后20年重要研究课题的157个技术课题中有7项是直接关系到传感器网络技术。国内从事无线传感器网络应用的大企业目前为数不多, 小企业呈现蓬勃发展的势头。北京鼎天软件有限公司主要从事城市公共安全应急指挥系统的建设。上海电器科学研究院主要从事智能交通方面的研究。西安华凡科技有限公司, 作为无线传感网络解决方案的专业提供商, 为Zig Bee技术在国内的推广做出了不懈的努力。沈阳东软、北大青鸟、亿阳信通等企业也在无线传感网络的应用方面有所涉及。

3 无线传感器网络特点

无线传感器网络是由大量传感器节点组成, 另外, 根据应用需求, 还可以加上卫星定位系统、移动通信模块和可充电电源模块等, 无线传感器网络主要特征如下[2]。

(1) 可组建规模很大无线通信网络。为了采集到精确的数据信息, 无线传感器网络采集区域一般都要设置大量的无线传感器节点, 数量有时甚至可达成千上万, 甚至多得多。无线传感器网络通过大量的传感器数据采集节点采集到大量的信息, 有效降低了对单个传感器数据采集节点的数据采集精度标准;整个无线传感器网络由于存在大量的冗余节点, 增强了无线传感器网络的容错能力;网络节点容量大, 覆盖面积广, 有利于降低信号检测盲点。 (2) 网络自组织。无线传感器网络的传感器数据采集节点建设成本低, 不需要基站等实施。节点的位置也不需要预先设置, 节点的位置也不可能固定, 是可根据需要可移动的;邻居节点之间相互关系也不能预先知道, 甚至会随机变化。所以要求无线传感器节点能够自动进行网络管理和网络配置, 能够进行网络自组织, 根据无线传感器网络控制机制和网络协议自主形成能够转发采集检测数据的无线传感器网络。 (3) 网络具有动态性。无线传感器网络不是一个固定的网络动态的网络, 节点根据需求可以不固定;如果节点出现异常故障, 传感器节点就会自动退出传感器网络;也可以接受新的节点加入到网络。所以无线传感网络结构具有动态变化性[3]。 (4) 多跳无线路由。在无线传感网络中, 传感器节点之间的距离大都在几十到几百米, 一般节点只和相邻网络节点通信。如距离较远, 则要用路由节点进行转发[4]。 (5) 面向应用的无线传感器网络。无线传感器网络的传感器节点一般用来用来采集物理外界多种多样的信息。而不同的应用, 对环境而言要采集不同的环境信息, 所以需要有多种多样的传感器, 如温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器等。无线传感器网络检测信息是紧密结合应用需求的, 因此, 传感器网络的设置有着明确的应用目的[5]。 (6) 以数据采集为核心。传感器节点是采集数据的终端节点, 没有数据的采集, 无线传感器网络就失去存在的价值, 所以说无线传感器网络是一个以数据采集为主的网络。

4 几种短距离无线通信技术应用分析

短距离无线通信和长距离无线通信相比, 主要特点如下:

(1) 通信距离在几厘米到几百米; (2) 主要应用于室内; (3) 无线发射功率在几u W到100u W; (4) 不需申请无线频道牌照; (5) 高频操作; (6) 使用全向天线和线路板天线; (7) 无线发射器和无线接收器由电池供电。

随着无线的发展, 网络化、标准化要求逐渐出现在人们的面前。因此各种无线网络技术标准纷纷被制订出来。Zig Bee、无线局域网 (Wi-Fi) 、超宽频 (Ultra Wide Band) 、近距离无线传输 (NFC) 、蓝牙 (Bluetooth) 和红外线数据通信Ir DA等。

4.1 Zig Bee技术

Zig Bee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术, 主要应用于近距离无线连接。Zig Bee是一种高可靠的无线数传网络, 通信范围从几十米到几百米, 甚至到几千米km, 还可以进行延伸。Zig Bee节点容量有65000个, 每个相邻Zigbee节点之间可实现相互数据传输[6]。Zig Bee有自己的标准, 在很多个无线传感器之间相互通信, 这些无线传感器只需很小的能量, 通过无线网络将数据从一个传感器传输到另一个传感器。

Zig Bee是以IEEE 802.15.4为基础, 即无线个人区域网 (PAN, Personal Area Nerwork) , IEEE 802.15.4是IEEE确定的低速无线个域网的标准, 该标准定义了物理层 (physical layer, PHY) 和介质访问层 (medium access control layer, MAC) 。Zig Bee可工作在2.4GHz (全球流行) 、868MHz (欧洲流行) 和915MHz (美国流行) 3个频段上, 分别具有最高250Kbit/s、20Kbit/s和40Kbit/s的传输速率。

4.2 Wi-Fi (IEEE802.11)

Wireless Fidelity的缩写Wi-Fi, 即无线高保真。与蓝牙技术相似, 主要用在办公室和家庭中使用的近距离无线通讯技术, 它为用户提供了无线的宽带互联网访问。Wi-Fi可为用户提供户电子邮件访问、Web和流式媒体访问。Wi-Fi在2.4Ghz频段工作, 所支持的速度最高达54Mbps。另外还有两种802.11空间的协议, 包括802.11a和802.11b。它们也是公开使用的, 但802.11G在世界上最为常用。

Wi-Fi技术主要有以下优势:

(1) 覆盖范围广。蓝牙技术的覆盖半径大约只有10米左右, WiFi可达100米。目前最新的Wi-Fi交换机能够把覆盖范围从100米扩大到6.5公里。 (2) 通信速度块。Wi-Fi无线数据通信质量不是很高, 有待进一步改进。安全性较差, 但数据传输速度快, 可达54Mbps。 (3) 进入Wi-Fi技术领域的要求不高。只需要在商场、车站、酒店、机场等人员集中地设置接入"热点", 就可使热点覆盖范围的移动通信设备接入因特网。

4.3 超宽带通信UWB

超宽带无线技术UWB (ultra wideband) 使用1GHz以上带宽的无线通信技术。它的通信速度达几百Mbit/s。UWB脉冲宽度在1ns以下, 因此可达到几百M~1Gbit/s以上的通信速度。美国联邦通信委员会 (FCC) 已把3.1G~10.6GHz频带向UWB通信开放。IEEE802委员会也把UWB列为PAN基础技术进行重点研究。

4.4 近场通信 (NFC)

近场通信 (Near Field Communication, NFC) 作为短距离的高频无线通信技术的一种, 它可以实现电子设备之间在在十厘米内传输信息。它的应用对象主要在于各种便携式手持设备中。安全性系数相对较高, NFC技术电子支付领域有很广阔的发展空间[7]。

4.5 蓝牙

蓝牙技术起源于1994年, 当时瑞典爱立信公司的移动通信部研究制定了一个利用无线电射频技术对移动电话与周边部件进行无线互连的技术规范草案。1998年2月, 爱立信联合IBM、英特尔、诺基亚、东芝等共五家计算机及通信公司创建了蓝牙特殊利益集团 (SIG, Special Interest Group) , 负责蓝牙技术标准的制订、产品的测试以及协调各国蓝牙使用频段的一致性。随后, 微软、3COM、郎讯、微软和摩托罗拉等公司相继加入SIG, 共同构成了SIG的九个发起者和领导成员。蓝牙 (Blue Tooth) 主要支持10m内短距离通信的无线通信技术, 蓝牙工作在2.4GHz ISM频段, 采用时分双工传输方式, 数据传输速率可达1Mbps。可在手机、无线耳机、PDA、笔记本电脑等设备之间进行无线数据信息交换。

4.6 红外线数据通信Ir DA

Ir DA是一种利用红外线进行点对点通信的技术, 是由红外线数据标准协会 (Infrared Data Association) 制定的一种无线协议, 红外信号要求视距传输, 方向性强, 对邻近区域的类似系统也不会产生干扰, 并且窃听困难。Ir DA主要应用于在计算机外设、笔记本电脑、便携式设备等领域。尽管Ir DA技术免去了线缆, 使用起来仍然有许多不便, 实际应用中由于红外线具有很高的背景噪声, 受日光、环境照明等影响较大, 一般要求的发射功率较高。Ir DA设备的核心部件红外线LED是一种不耐用的器件, 频繁使用会令其使用寿命大大缩短。但当前使用Ir DA技术应用场合还很多, 成本低廉, 数据传输速度较快, 因此, 在未来一段时间里还将存在[8]。

5 几种短距离无线通信技术比较

通过应用分析测试, 对上面提到的几种短距离无线通信技术进行了比较, 见表1所示。

参考文献

[1]张文博.基于ZigBee网络的安全监控系统关键技术研究与实现[D].解放军信息工程大学, 2010.03:1-22.

[2]ZigBee Allicance.ZigBee Docunment 05347r13[OL].http://www.zigbee.org.

[3]An Ultra Low Power MAC Protocol for Wireless Sensor Networks[OL].IEEE Transaetions On Mobile Compting.2007.6 (1) .

[4]ZigBee Allicance.ZigBee Docunment 05347r13[OL].http://www.zigbee.org.

[5]An Ultra Low Power MAC Protocol for Wireless Sensor Networks[OL].IEEE Transaetions On Mobile Compting.2007.6 (1) .

[6]任丰原, 黄海宁, 林闯.无线传感网络[M].软件学报, 2003, 14:52-56.

[7]ZigBee Specification 2007[OL].http://www.zigbee.org.

无线WSN网络篇5

而随着新兴的WSN技术成为热点, 现代智慧照明控制也将引发一场革新, 新的系统将具备前所未有的灵活性和适便性。

1 智慧照明控制网络技术分析

1.1 有线网络技术分析

目前照明控制网络大多是基于RS-232、RS-485、以太网、CAN-BUS、EIB等技术开发的, 其中CAN-BUS和EIB总线已替代了其它网络成为国际主流照明控制总线, 业内比较著名的有澳大利亚奇胜 (Clipsal) 公司的C-Bus总线、澳大利亚邦奇 (Dynalite) 公司的Dynet总线、瑞士ABB公司的I-BUS总线、荷兰飞利浦 (Philips) 公司的DALI总线等产品, 此类系统具有高度集成化、模块化、输出功率大、功能专一化等特点, 但使用过程中普遍会出现单个模块支持的输出回路数有限, 控制模式固化后不易修改或升级, 模块体积庞大不利于现场安装和隐蔽, 由国外产品占据市场主导, 价位较高。

由此给设计单位、建设单位带来不小的成本和售后压力[1]。综合比较各总线的性能指针, 分析结果如表1所示。

1.2 无线网络技术分析

WSN (Wireless Sensor Network, 无线传感器网络) 是由部署在监测区域内大量低成本的并具有无线通信与计算能力的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, 它能够根据环境自主完成指定任务的无线通信方式进行通信, 其目的是协作地感知、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。无线传感器网络可以在独立的环境下运行, 也可以通过网关连接到互联网, 使用户可以远程访问。WSN与其它网络相比, 具有以下主要特点:

1) WSN没有底层基础设施, 成千上万的传感器节点被抛撒或放置在一定区域后, 自动完成邻居发现和路由发现, 以自组织方式构成网络。

2) WSN要求传感器节点小型化和微型化, 要考虑能量效率。

3) WSN的传感器节点数量大, 可能存在移动节点和传感器节点失效或增补, 网络拓扑动态变化。

4) WSN的目的是协作地感知、采集和处理网络所覆盖地理区域中感知对象的信息, 并传输给用户。

5) WSN的传感器节点角色多样性。

6) WSN应用目的的多样性使得信息在网络协同处理方法复杂化。

基于WSN技术的智能照明控制系统的网络采用Zig Bee通信技术, 它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术协议, 比蓝牙、802.11x等短距离高速率个人区域网的协议更简单且更实用。

Zig Bee协议是基于IEEE802.15.4协议之上的一种上层协议标准。完整的Zig Bee协议套件包含物理层、数据链路层、网络层、会聚层和应用层协议栈, 网络层及以上协议由Zig Bee联盟制定并规范。协议中规定, 每个网络可由若干各协调器联网组成, 而每个协调器最多可连接255个节点, 节点之间可相互多跳路由, 整个网络最多可以支持超过64000个节点。

Zig Bee协议还具备安全层协议机制, 以保证数据在自由空间传播过程中信息不会被其它节点窃取或网络被非法节点入侵。Zig Bee技术的主要特点分析如下:

1) 低功耗:Zig Bee节点在不工作的时候通常转化为休眠状态, 此时功率极低, 当需要工作时进行唤醒, 时长几十毫秒, 工作完成后, 再次切入休眠模式, 因此每个节点的耗电量都非常小, 理论上使用常规电池下各节点的工作时间可达6个月至2年, 因此整个Zig Bee网络的工作时间也很长。

2) 可靠传输数据:Zig Bee的链路接入层采用talk-when-ready碰撞避免即完全确认传输机制, 当有数据需要发送时, 每个数据报都必须收到接收方的确认, 才能成功发送, 因此有效避免了碰撞发生, 通信的可靠性得到了较好保证。

3) 容量大:理论上一个Zig Bee网络最多可包括256个协调器, 而每个协调器可容纳256个普通节点, 因此一个Zig Bee网络可容纳65536个节点, 这个网络规模十分可观。

兼容性强:网络中的节点不需要后期配置, 使用Zig Bee协议自动组建成一个网络, 信道接入采用CSMA/CA协议。

4) 安全性高:Zig Bee协议具备数据完整性检查和鉴权功能, 数据传输具有三层安全保证, 并有AES加密机制, 可保护数据净荷并能防止非法节点冒充入侵。

5) 成本低:Zig Bee硬件成本1美元左右, 软件协议免费。

6) 频段不受限:

Zig Bee协议工作在2.4GHz、868MHz和915MHz频段, 均为自由频。

2 基于WSN的智能照明网络的特性

1) 自组织性。各节点上电、初始化后, 即可申请加入网络, 得到身份认证后, 就能自组织联网, 不再需要附加的人为组网配置或搭建。

2) 拓扑灵活性。不需要专业网络管理, 采用自组织方式, 实现节点间自动路由, 全网通信。智能照明网络可根据实际需要灵活扩展或减少, 根据添加节点的位置、数量和功能可选择添加域内节点或增加新域。

3) 可替换性。网络中的某节点发生故障后, 可直接更换此节点, 初始化入网后即可正常工作。

4) 独立性。各区域相互独立, 互不干扰, 一个区域出现问题, 不会影响其它区域以及整个网络的正常运行;各区域内的节点也相互独立, 互不干扰, 当某节点出现故障无法正常工作时, 不影响其它节点的正常运行。

5) 混合监控。整个智能照明网络系统具有本地控制、区域控制、中央控制和远程控制多种方式, 多重监管, 不易被恶意控制, 安全性好。

参考文献

[1]蒋强, 卿明藩.CAN-BUS总线在智能照明控制系统中的运用[J].现代建筑电气, 2013.

[2]刘敏钮, 吴泳, 伍卫国.无线传感网络 (WSN) 研究[J].微电子学与计算机, 2005.

[3]赵景宏, 李英凡, 许纯信.ZigBee技术简介[J].电力系统通信, 2006.

无线WSN网络篇6

关键词：WSN,电缆防盗告警系统,灯光照明设施

随着各地经济和交通的发展, 近年来道路照明设施的规模及数量越来越大, 但是灯光照明设施的防盗问题也日益严峻。但是传统的电力线载波电缆防盗技术在实际应用中存在不足: (1) 白天无法防盗, 而白天恰恰是实际应用中电缆被盗关键时间段; (2) 电缆防盗告警实时性较差, 有时甚至产生误报警; (3) 电缆防盗告警可靠性不高, 实际使用中误报、漏报率大于5%。

为了解决传统灯光照明防盗设施的不足, 本文中提出了一种新型的基于WSN网络的灯光照明设施电缆防盗告警系统。

1 无线传感网WSN概述

WSN是wireless sensor network的简称, 即无线传感器网络。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量廉价小型或微型的各类集成化传感器节点协作地实时感知、监测各种环境或目标对象信息, 通过嵌入式系统对信息进行智能处理, 并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户终端, 从而真正实现“无处不在”理念。

WSN使用免费的2.4GHzISM频段, 物理层和数据链路层遵循IEEE802.15.4标准。ZigBee联盟遵循IEEE802.15.4标准, 并实现了WSN的网络层协议, 大大加速了WSN产业化进程。

ZigBee与其他的无线通信标准相比, 适用于吞吐量较小, 网络建设投资小, 网络安全性高, 不便于频繁更换电源的场合。在工业控制领域利用传感器基于ZigBee技术组成传感器网络, 可以使得数据采集和分析变得方便和容易。ZigBee网络用于传感网络的组建很重要的一点在于它的低功耗, 其发射功率仅为0~3.6dBm;它的通信距离可达30m~200m, 增加放大功能可达到1km以上, 具有能量检测和链路质量指示能力, 可以自动地对自身的发射功率进行调整, 可以在保证通信链路质量的前提下最小地消耗能量。网络功能是ZigBee最重要的特点, 也是与其它无线局域网标准不同的地方。在网络层方面, ZigBee的主要工作在于负责网络机制的建立与管理, 并具有自我组态与自我修复功能。完整的ZigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、以及数据链路层和物理层组成。

2 单灯电缆防盗告警系统

本文中新型电缆防盗告警系统采用基于WSN网络的单灯电缆防盗组网, 该系统主要由3部分组成: (1) 监控中心:通过无线方式与路由网关设备进行通信, 对通信数据进行场景数据分析、存储, 并以可视化方式实现人机交互及数据显示, 包括故障主动告警; (2) 支路控制器:作为监控中心与单灯节点通信网关, 采用WSN网络与相应单灯节点智能组网, 并通过无线方式与监控中心通信; (3) 单灯防盗节点:自动检测灯具、电缆等运行情况, 并通过WSN网络与路由网关进行通信, 包括电缆被盗主动告警信息。

基于WSN网络的电缆防盗主要技术指标为:检测路数无限制;全天候24h防控;误报率<2%;报警准确率>98%;整机工作环境温度:-40℃~+70℃;检测电缆长度不小于10km;使用超级电容替代传统充电电池。

3 电缆防盗原理

该防盗告警系统的电缆防盗原理如下。

(1) 将防盗设备安装在电缆末端, 在3相4线供电电路中, 分别在ABC三相供电线路的其中两相中安装防盗设备, 如在AB两相中分别安装防盗设备。

(2) 系统正常运行情况下, 供电电缆白天供电, 单灯防盗设备实时监测供电电压通过检测电缆供电电压判断电缆是否被盗。

(3) 检测到电缆被盗之后, 单灯防盗设备主动上报到支路控制器, 支路控制器将电缆被盗信息及时上传到监控中心, 实现电缆被盗及时告警。

(4) 根据灯光照明系统特性, 在运行过程中不同相供电支路同时出现开关跳闸的事件属于小概率事件, 现实中可认为不会发生。在本系统中, 即根据不同相供电电压同时出现故障来判断电缆是否被盗, 从而极大提高了电缆防盗告警的可靠性。

(5) 检测到电缆被盗后, 单灯防盗设备通过ZigBee网络主动上报到支路控制器。根据计算可以得出, 采用ZigBee网络传输告警信息的整体时延不超过500ms。根据灯光照明系统特性, 从电缆被盗到检测到相应信息, 181ms可以满足在第一时间发现电缆被盗, 确保损失降到最小。所以该防盗告警系统拥有足够好的防盗告警实时性。

4 优点

该新型防盗告警系统很好的解决了传统电缆防盗系统存在的不足, 拥有以下几个方面的优点。

(1) 白天防盗:传统电缆防盗设备不支持供电电缆白天带电, 本发明中单灯防盗设备采用全天供电方式, 完全可以解决传统电缆防盗白天无法防盗弊端。

(2) 电缆被盗上报时延大:传统电缆防盗系统轮询防盗设备, 且通过主从方式实现, 造成时间延迟大, 本发明中采用ZigBee网络, 通过主动上报方式, 实现电缆被盗信息及时上报, 提高电缆被盗信息上报实时性。

(3) 电缆被盗告警可靠性差:传统电缆被盗在检测、上报等多个环节造成误报, 本发明从检测原理、上报方式等多个环节进行优化处理, 极大提高电缆被盗告警可靠性和准确度。

5 结语

通过以上分析可以看出, 基于WSN网络的灯光照明设施的新型电缆防盗告警系统, 成功的解决了传统电缆防盗系统中存在的不足, 相信随着该防盗系统在灯光照明设施中的应用, 一定会大大减少灯光照明设施的盗窃问题, 为国家减少不必要的经济损失。

参考文献

[1]JENNIC公司JN-UG-3041-JenNet-1v4.

[2]CJJ45-2006.城市道路照明设计标准[S].

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信息技术培训02-19