無線通信網絡中傳感器節點應用范文

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文章摘要：

隨著電子通信技術的迅速發展，人們已經開發了各種類型的傳感器，這些傳感器節點能夠實現數據信息采集、發送、接收，并且利用互聯網通信技術，構建一個自組織無線網絡，在工業控制、環境監測、交通管理、醫療衛生救治等多個領域得到了廣泛的應用，取得了顯著的成效。目前，傳感器在無線通信網絡中主要包括兩種節點類型，分別是網關節點、終端節點，這些節點可以采集應用環境中的軟硬件設施信息，采用路由通信協議將其傳輸到服務器中，同時還可以接收網絡控制命令信息，有效實現無線通信網絡數據傳輸和共享。

關鍵詞：

無線通信網絡；傳感器；終端節點；網關節點

隨著我國經濟的發展，環境資源污染嚴重，需要實時監測，提高控制成效。另外，一些重工業生產環境比較惡劣和復雜，不利于人們進行工作，而采用有線光纜不利于組網，并且易于損壞，因此需要使用傳感器、ZigBee、WiFi和6LoWPAN等技術構建一個傳感器無線通信網絡，進一步改進傳感器無線網絡組網的靈活性[1]。傳感器、無線網絡的快速發展和應用可以滿足環境資源監測、工業制造智能監控、公共安全監控等需要，具有重要的作用和意義[2]。

目前，常用的無線通信技術包括ZigBee、WiFi、RFID、6LoWPAN和4G移動通信等無線通信技術，可以大幅度提高組網的靈活性，實現傳感器信息采集、發送和接收。每一種無線通信技術應用描述如下：（1）ZigBee技術。ZigBee技術是一種低速率、短距離無線通信技術，其可以將部署于重工業環境中的傳感器連接在一起，形成一個良好的自組織通信網絡。網絡通信可靠性較高，具有較低的節點功耗，可實現重工業生產數據的集中式共享、傳輸管理[3]。（2）6LoWPAN技術。6LoWPAN（IPv6overIEEE802.15.4）是一種基于IPv6的低速無線個域網通信標準，其可以把傳統的無線通信協議擴展到IP鏈路上進行網絡通信，提高了重工業生產環境數據通信的可靠性[4]。（3）WiFi技術。WiFi是一種靈活的無線數據通信系統，其可以在短距離內實現設備組網，可以作為有線局域網的延伸，也可以單獨組網，實現移動計算機服務器、終端設備等實現數據傳輸和共享[5]。（4）RFID技術。RFID是一種無線射頻識別技術，該技術采用非接觸式數據傳輸功能，能夠實時地采集工業生產環境的設備信息，并且將這些信息保存在RFID服務器中，實現數據流的實時化傳輸和共享。（5）4G移動通信技術。4G通信技術已經成為當前無線移動通信的主流技術，該技術使用OFDM的多址接入模式，可以有效地增強無線鏈路通信技術，采用高可靠性的軟件無線電技術和高校的調制解調技術，有效地提高了數據傳輸的速率。

1.傳感器在無線通信網絡中的應用

無線傳感器網絡（WirelessSensorNetwork，WSN）通常是指部署在檢測區域內的一些數據采集傳感器構成的、能夠通過無線通信網絡進行數據傳輸的一種具有多跳特征的自組織網絡。無線傳感器網絡可以互相協作，采集和處理網絡覆蓋區域內的各種可以感知的對象信息，并且將其發送至觀察者。在無線傳感器網絡中，傳感器節點是網絡的基本組成元素，其可以部署在不同的位置，并且將采集、預處理的數據發送到匯聚節點，這些數據可以包括覆蓋區域的各類環境信息，比如濕度、溫度、光強度、噪聲、壓力等一些人們感興趣的物質現象。無線傳感器網絡中的匯聚節點可以負責收集、匯總網絡覆蓋區域所有節點的數據，是整個無線傳感器網絡的中心節點，其負責管理、組織傳感器網絡節點，也可以與其他的匯聚節點、功能模塊單元共同構成一個功能更加強的網絡，比如4G通信模塊、遠程數據采集模塊等，實現人們實時的監控環境信息，具有重要的作用和意義。

2.無線通信網絡傳感器節點設計

無線傳感器網絡主要包括兩種節點，分別是終端節點和網關節點。終端節點是組成無線傳感器網絡的傳感器節點。在無線傳感器網絡中，傳感器節點可以完成數據采集、數據傳輸，因此傳感器節點的硬件部分主要由電源模塊、電源管理模塊、時鐘模塊、射頻天線單元、LED顯示模塊、信號調理模塊和傳感器模塊共同構成。傳感器節點上的射頻天線單元、時鐘模塊、LED顯示模塊的主要功能與路由器節點的功能是完全一致的，因此，部分硬件功能的電路設計過程中可以進行通用。電源管理單元可以為傳感器提供工作電壓，并且在設計過程中可以降低每一個節點的工作能耗，有效節約電源。另外，電源管理單位還可以控制工作電壓的開關，并且保證系統采集數據時能夠有效地管理電壓，使得數據采集部分的能耗為零，能夠優化傳感器的部署節點，保證傳感器模塊將采集的信號轉換為數字信號，提高了無線傳感器室內監測的準確度。終端節點如圖1所示。網關節點又被稱為路由器節點。網關節點的主要作用是實現數據匯聚和轉發功能。在無線傳感器網絡中，網關節點可以自由靈活放置，網關節點的主要能量也是來源于電池，因此網關節點的硬件電路結構相對比較簡單，主要由電源模塊、時鐘模塊、CC2350、射頻天線單元、LED顯示模塊共同組成。網關節點的組成模塊如圖2所示。目前，無線傳感器節點通常可以采用德州儀器生產的傳感器CC2350芯片，其集成了信息射頻收發和MCU控制功能，擁有一顆強大的32MHz晶振及其他相關的阻容器件。同時，CC2350芯片采用板載PCB板天線設計，采用巴倫匹配電路，因此傳感器的接受靈敏度可以達到-97dB，在接口設計與德州儀器官方的CC2350EM完全融合在一起，具有極其強大的軟件開發功能，并且在室外進行通信的條件下，其可以覆蓋250m左右的距離。如果覆蓋在室內，其可以穿透非混凝土墻，距離可以達到10m左右，并且這種傳輸距離完全可以滿足室內監控的需求。

3.結束語

無線傳感器網絡作為一種新興網絡，是下一代傳感器網絡發展的重要方向。無線傳感器網絡的應用前景廣闊，具有較高的商業價值，國內外許多科技企業、高校機構等組織都非常重視無線傳感器網絡的研究和發展，從而有效促進了無線傳感器的快速改進，在傳感器節點部署、能量供給、處理數據能力等方面取得了顯著的成效。當前，無線傳感器網絡已經在軍事戰場指揮網絡、土地環境監測、水源環境監測、交通管理、醫療衛生救治、工業控制和抗震救災等多個領域得到了廣泛的應用，其可以主動地采集應用領域的溫度、濕度、污染程度、視頻圖像等信息，并且通過無線傳感器網絡節點實現實時化、自動化數據發送和傳輸，有助于擴展人類認知、認識客觀世界的渠道，進一步感知生活環境信息，改善人類工作、生活的信息化水平。

【參考文獻】

[1]陳旿,孫建華,于振興,等.基于IEEE1588的無線傳感器網絡時鐘同步方法[J].系統工程與電子技術,2014,36(3):564-574.

[2]汪華斌,羅中良,陳治明,等.基于WIFI+GPRS的無線傳感器網絡監控系統[J].計算機系統應用,2014,23(3):224-227.

[3]張會新,陳德沅,彭晴晴,等.一種改進的TDOA無線傳感器網絡節點定位算法[J].傳感技術學報,2015(3):412-415.

[4]蔣華,韓平梅,王鑫.關于無線網絡傳感器節點能耗優化設計與仿真[J].計算機仿真,2015,32(7):273-276.

[5]王衛星,高奕龍,陳佳森,等.基于Zigbee無線傳感器網絡的山地橘園精細化滴灌系統設計[J].電子技術與軟件工程,2014(14):19-20.

作者：張曉玫 單位：河南工程學院